河北农业大学
硕士学位论文
步进电机细分驱动器的研究
姓名：张靖
申请学位级别：硕士
专业：农业机械化
指导教师：孙维连;孙耀杰
2003.6.1
摘要
自动金相试样切割机是用于产品质量检验和材料科学研究的专用设备，步进电机是驱动往复运动机构的关键部件，它的运行状况很大程度上影响切割金相试样的质量。
课题是针对金相试样切割机所使用的步进电机存在的问题提出的。由于步进电机是通过皮带轮减速来驱动丝杠，进而带动砂轮片前进和后退，虽然减速能部分消除步进感和振动，但皮带传动会影响定位精度，定位精度对精密切割机十分关键的技术指标。采用步进电机直接驱动丝杠，未经细分驱动的步进电机在低速运行时，有明显的步进感、振动和噪声，从而对切割的性能、砂轮片的使用寿命、试样的组织结构产生较大的影响。另外，原有的驱动电路没有对切割速度量化显示，限制了切割过稗人机对话。为解决以上不利冈素，研究设计了一套步进电机细分驱动器来控制步进电机，用以改善步进电机运行性能和量化显示切割速度。
本文研究了一种实用的步进电机细分驱动系统，由数字控制模块、驱动模块和电源模块组成，系统以ＡＴ８９Ｃ５２单片机为核心，通过单片机的Ｉ／Ｏ口、定时器／计数器中断来实现外部事件监控以及控制信号的产生，系统将可编程逻辑器件（ＰＬＤ）器件和在系统编程（ＩＳＰ）新技术引入到细分驱动环行分配器的设计，通过ＡＢＥＬＨＤＬ语言编程实现硬件软化设计和逻辑重构，大大简化了电路，并提高了电路抗干扰能力。使系统实现参数存储，速度数字控制，数码显示，进退刀控制等功能。
首次采用单片机技术设计切割机运行控制系统，代替原有复杂的逻辑控制电路，简化了调试过程，并使量化显示切割速度。鉴于单片机系统易受驱动电路的电磁干扰，为了保证单片机系统可靠运行，技术关键是提高系统抗干扰能力。由于步进电机高速运行存在失步现象，采用变细分调速技术，使电机在低细分状态下能够平稳高速运行。
试验表明：整个系统具有较高的性能价格比，操作简单，性能可靠，具有较强的实用性。
关键词：金相试样切割机；步进电机；细分驱动；ＰＬＤ；单片机；抗干扰技术
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研
究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得ｉ亟灶签些叁望或其他教
育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：弥谙签字日期；卯口’年石月加日
学位论文版权使用授权书
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学位论文作者签名：涨毒裔导师签名：
签字日期：伽口；年ｆ月伽日签字日期：弦够年石月∞日
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引言
自二十世纪中叶，步进电机的应用已渗透到数字控制的各个领域，这是因为步进电机具有很多不可替代的特点：（１）具有一定的开环控制精度，系统简单廉价，步进误差不长期积累。（２）无刷，电机本题部件少ｔ可靠性高。（３）易于启动、停ｌ卜、正反转及变速控制，而且响应性也好，停ｌＩ时可自锁。（４）步距角选择范围大，同时用一台控制器控制几台步进电机也可使它们完全同步。（５）与计算机接口方便。基于以上性能优点，步进电机较早成为了典型的机电一体化元件组件１２４】。因此，在金相试样切割机产品中，选用步进电机驱动砂轮片执行切割任务。
金相试样切割机在切割过程中（图２－１），切割片的进退刀动作是切割机主动作，它通过步进电机、一级带传动使丝杠运转，丝杠螺母带动滑板前后移动而实现，因而，作为主动作的执行元件——步进电机的控制在切割机控制中占有举足轻重的地位。而原有步进电机驱动电路存在的问题有：存在低频振荡、失步现象，使机器低速运行不平稳；采用了复杂的逻辑控制电路。使机器调试困难：缺乏对切割速度的量化，限制了切割过程的明朗化。针对这些问题，采取的措施有：采用细分驱动电路驱动步进电机，进而改善电机运行性能，消除振荡、失步；应用单片机系统简化电路设计，从而简化调试过程；将切割速度量化，并用数码显示，使切割过程透明化。
影响金相试样切割机切割试样质量的关键部件之一是步进电机，它的运行状况很大程度上影响着切割试样的质量，步进电机不能直接接到交直流电源上工作，并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用，它必须由双环行脉冲信号、功率驱动电路等组成的控制系统进行驱动方可使用。此驱动控制系统的性能，除与电机自身的性能有关外，也很大程度上取决于驱动器的性能。
本课题设计的步进电机细分驱动器是根据金相试样切割机的特殊要求（进三退一，迸刀速度可调、速度数字显示等）开发的Ｉｌ…。属于金相试样切割机专用驱动器。
兰！里茎堑里塑ｉ！奎些查兰堡圭兰垡！！羔１综述
１．１步进电机概述
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度．从而达到调速的目的”１。
步进电机分三种：永磁式（ＰＭ），反戍式（ＶＲ）和混合式（ＨＢ）
永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为７．５度或１５度；
反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为１．５度；
混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为１．８度而五相步进角一般为Ｏ．７２度。
１．２国内外发展概况
步进电机细分驱动技术是二十世纪７０年代中期发展起来的，它是一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。１９７５年美国学者Ｔ．Ｒ．Ｆｒｅｄｒｉｋｓｅｎ首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法。在其后的二十多年里，步迸电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到了广泛的应用。实践证明，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高步进运行的平稳性，增加控制的灵活性等（１２．３１１
国内外研究开发步进电机细分驱动器的科研单位、厂家很多。如：中国科学院自动化研究所开发的步进电机细分驱动器系列，其中针对三相反应式步进电机，细分数为１０；北京兴大豪科技开发有限公司开发的用于电脑绣花机的步进细分驱动器；深圳市自山机电一体化技术有限公司开发的三相反应式步进电机驱动器，最大细分数可达４８０；国外产品主要有美国ＳＨＡＰＨＯＮ公司生产的细分驱动器系列，其中ＳＨ一３Ｆ０７５Ｍ反应式步进电机驱动器为４０细分。
以上提及的驱动器大部分是通用型的步进电机细分驱动器，也有针对具体
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机器（如：电脑绣花机）设计的。这些产品广泛应用于数控机床、激光雕刻、电脑绣花、纺织印刷、包装机械、标记机、雕刻机、绕线机械、坐标测量仪器、ＸＹＺ三维工作台、机器人、医疗设备、陶瓷机械等行业中，广泛的应用领域又促进了细分驱动器的成熟，但是，细分驱动器在金相试样制备设备方面的应用很少，如果应用通用型细分驱动器来设计金相试样切割机步进电机细分驱动系统，还需要根据切割机技术要求，外接数字控制单元及人机交互界面（键盘、显示），这势必增大驱动器体积，并且会降低整个系统的可靠性。因此需要设计一种将所需全部功能集成到一起的细分驱动器。
１．３细分驱动系统的总体方案设计
对于细分驱动系统的设计，一种方法可以用单片机实现，这种方法侧重于软件设计，功能完全由程序完成；另一种方法可以用集成芯片搭成硬件电路实现，这种方法侧重于硬件，功能由硬件完成。这两种方法各有利弊，由软件实现，就不易保证控制的实时性，但是如果单纯由硬件实现，可以保证实时控制，调试却比较烦琐，而且可靠性较低。
因此，在方案设计时，综合考虑软件硬件设计的优缺点，可以遵循以下原则设计步进电机细分驱动系统，也就是由软件实现速度控制、正反转控制、人机交互功能，由硬件电路实现细分功能。系统结构如图２—５：
它由单片机系统、数字环行分配器、Ｄ／Ａ转换、恒流斩波电路、驱动级电路等各部分组成。
单片机系统负责处理步进电机系统的事件流程，如加、减速按键处理、速度显示功能、控制参数保存以及产生控制步进电机转角、转速、转向的ＣＰ脉冲。
环行分配器用来接收来自单片机系统发出的ＣＰ脉冲和正反转方式信号，并按步进电机状态转换表中的状态顺序产生控制各相导通或截止的信号。每当环行分配器接收一个ＣＰ脉冲，它的输出就转换一次（波形如图２—４）。因此，我们可以通过控制ＣＰ脉冲的频率，来改变步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停Ｉｈ，同时，环行分配器还根据单片机系统输出的方向控制信号，决定输出的状态是按正序还是反序输出，也就是控制步进电机是正转还是反转运行。
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细分及功率驱动模块
恒流斩波电路
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驱动级电路
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图２—５系统结构
从环行分配器输出的备相数字信号送入Ｄ，Ａ转换器。转换后的模拟电压信号作为恒流斩波电路的参考电压。恒流斩波电路调制出相应的脉宽信号输出给推动级。
推动级电路的作用是将较小的信号加以放大，产生足以推动驱动级输入的较大信号。有时，推动级还承担电平转换的作用。
驱动级电路直接与步进电机各相绕组相连接，它接受来自推动级的信号，控制电机各相绕组的导通与截Ｉｈ，同时，也对绕组承受的电压和电流进行控制。
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１．４研究内容与目标
根据金相试样切割机的工作特点，研制一种步进电机细分驱动系统，驱动器驱动步进电机，实现进刀速度数字可调、进三退一的进刀方式、数字显示进退刀速度等功能。由于单片机以其体积小、价格低、接口能力强、抗干扰好等优点，在机电一体化产品中得到了广泛应用，因此，以上功能由单片机最小系统实现。
开发这套系统，还用到了在线可编程逻辑器件（ＰＬＤ）和Ｄ／Ａ转换器，可编程逻辑器件（ＰＬＤ）将单片机产生的调速脉冲信号转换成三相细分数字信号，每相为八位数字信号，也就是说可实现２５６细分。然后Ｄ／Ａ转换器将八位数字信号转换成模拟信号，模拟信号为阶梯状电压细分波形，这样就实现了细分功能。此系统中的功率驱动模块用的是同频恒流斩波驱动电路。此系统拟实现６４细分以改善电机运行性能。
速度显示采用静态显示，静态显示节省ＣＰＵ的开销，最小显示达到４－ｌｍｍ／ｍｉｎ。
进三退一的进刀方式采用程序控制实现，程序利用定时中断产生进三退～所需的占空比为３：１的脉冲，取代了原有系统用５５５定时器产生进三退一所需脉冲的方法，５５５定时器调试繁琐，而且外围电阻、电容器件长期运行引起参数变化，这样定时器产生的脉冲就会改变。因此采用程序产生稳定的脉冲信号。
本系统设计时本着实用、可靠和低成本的原则进行。本文主要包括系统的硬件设计、单片机和在线可编程逻辑器件（ＰＬＤ）的软件设计。目标是改善步进电机运行性能，降低噪声，消除低频振荡、失步，提高步进电机的输出转矩。
２驱动器硬件设计
２．１金相试样切割机的结构及工作原理
为了更好地理解金相试样切割机采用步进电机的原因及其对步进电机运行所提出的性能要求，下面简要介绍一下金相试样切割机的结构及工作原理ｍ１。
切割机为台式结构形式，机械设备主要由传动装置、工作部分、供液系统、
笙！鉴苎堑蔓塑！堕坠查堂！生兰兰垡！垒墨机体四大部分组成。机械结构示意图见图２～１。
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（ａ）外形图示意图（ｂ）内部结构示意图图（ａ）中：①防护罩②观察窗口③水箱④底座⑤散热孔＠主电器控制箱盖图（”中：ｌ数控部件箱２工作台３冷却管进口４砂轮片５固定夹具６进水口７工件８活动夹具９遁槽１０丝杠１ｌ手轮１２主电器控制箱１３主电机
１４滑扳１５（增速）带传动１６滑板导轨１７步进电机１８（减速）带传动
图２一ｌ机械结构示意图
为了满足多层次用户的不同需求，本切割机综合国内外切割机的优缺点，取长补短，具有下列基本功能：
（１）能实现手动和自动功能的转换
手动功能是切割机最原始的功能，操作者可以通过手动手柄自行掌握切割速度，在这种功能下，控制系统主要是控制主电机和冷却泵，使冷却液能实时的启动与关闭，保证试样的切割质量。而切割机的自动功能则代表着切割机的科技含量与自动化水平的高低，也是该制样设备的主要功能。切割机的基本功能之一就是操作者能根据自身的具体需要随时选择手动和自动两种切割方式。
（２）能够实现设置速度切割
恒速切割是切割机自动切割的一种形式，在这种方式下，只要将转换开关转到“自动”，按下“开始”按钮。切割机就以设置的速度进行恒速切割，同时冷却液能自动高压冷却切割面，试样切割完毕，在切割片到达进刀行程开关后系统自动转为退刀运动，到达退刀行程开关后切割机自动停止，完成切割功能。
（３）能够自动调节切割速度
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切割机是一种适用范围很广的机械设备，工作对象不同，若采用相同的切割速度这显然是不合理的，因而，本控制系统设有Ａ（增速）键和Ｖ（减速）键，操作者能根据待切试样的具体情况自动调节切割速度。
（４）暂停功能的实现
考虑到切割过程中可能出现需暂时中止工作的情况，本系统设置了“暂停”键，当按下此键时，切割系统能暂时中断工作，而需要系统重新开始工作时，只需再次按下该键，系统则会按中断前的状态继续工作。
从以上对切割机功能的简介中可以发现，切割片的进退刀动作是切割机主动作，它通过步进电机、一级带传动使丝杠运转，丝杠螺母带动滑板前后移动而实现，因而，作为主动作的执行元件步进电机的控制在切割机控制中占有举足轻重的地位。
●步进电机的选择依据
切割机工作时，需根据工件的尺寸和硬度等选择进退刀速度，通常适用范围在１．５ｍｍ／ｍｉｎ－ｌＯｍｍ／ｍｉｎ，换算成丝杠转速为ｌｒ／ｍｉｎ－６ｒ／ｍｉｎ，而普通交流式或直流式电动机转速在１５００ｒ／ｍｉｎ（“Ｊ左右，减速比超过２０ｏ倍，因此必须采用蜗轮蜗杆降速才能实现【Ｂ１．但这样将会使手工直接旋转丝杠造成困难。若采用低速驱动，根据交直流电机的调速特性【９】，在低速时其转动扭矩又满足不了扭
矩
转速（ｒ／ｒａｉｎ）图２－２三种类型电机调速特性曲线
Ｉ．直流电机２－交流电机３．步进电机
驱动要求。从步进电机调速曲线可知，步进电机的转距特性不是线性的【１３’”Ｊ，在低频驱动时保持较大的扭矩件”Ｊ，如图２－２所示：
经试验比较，本机选用了步进电动机作为动力，为了改进低速时的步进电机的步进特性增加了１：３的带传动。下面介绍主要工作过程：
主电机和轴支撑架安装在滑板上，由三角带进行增速作用，主电机转速２８００ｒ／ｍｉｎ主轴转速３４００ｒ／ｍｉｎ。轴支撑架作用是提高主轴高度，使切割材料不受电机体积的干涉。主轴安装在轴支撑架上，悬臂伸入水箱安装砂轮片。
滑板下方与滑板座采用圆形导轨进行导向。制造简单，可以做到精密配合，侧面装有镶条用于调整间隙。滑板库用四个螺钉固定在底库上。丝杠安装在滑板座中，丝杠螺母与滑板座铰接。在丝杠的两端装有手轮和ｖ型带轮，装有带轮的一端用三角带与步进电机带轮连接，当手摇手轮或由步进电机驱动丝杠带轮时，螺母可带动滑板前斤移动，从而实现进刀和退刀运动。
兰！蔓苎堑壅塑墨苎型堕曼塑里主兰燮２．２步进电机细分原理
因为三相反应式步进电机性能价格比高，因此驱动器针对此类步进电机设计。下面介绍步进电机细分原理…”１。
步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流，实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。图２－３是三相反应式步进电机的磁场矢量图。图中的矢量Ｔ一，Ｔｅ，Ｔｃ为步进电机Ａ，Ｂ，ｃ三相励磁绕组轮
图２—３三相反应式步进电机磁场矢量图
流通电时产生的磁场矢量，Ｔ＾Ｂ，ｋ，Ｔｃ一为步进电机中ＡＢ，ＢＣ，ＣＡ两相同时通电时产生的合成磁场矢量。一般情况下，当步进电机的内部磁场变化一周（３６０度）时，电机的转子转过一个齿距，因此，步进电机的步距角０ｅ可表示为：
ｅＢ＝８％／Ｎｒｔ２ｊ１、
其中：Ｎｒ步进电机的转子齿数；
０－为步进电机运行时两相邻稳定磁场之间的夹角。
０一与步进电机的相数（ｍ）和电机的运行拍数有关。例如。电机以单三拍方式运行，０ｘ＝１２０。；电机以三相六拍方式运行，０ｗ＝６０４，和单三拍方式相比，０－和０。都减小了一倍，实现了步距角的二细分。
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０ｔＣ
ｔ图２—４三相反应式步进电机八细分时各相绕组电流状态图但是在通常的步进电机驱动线路中，由于通过各项绕组的电流是个开关量，只能通过各相的通电组合来减小ｏ－和ｏ。．这样可达到的细分数很有限。要使可达到的细分数较大，就必须能控制步进电机各相励磁绕编中的电流，使其阶梯上升或阶梯下降，即在零到最大摺电流之间能有多个稳定的中间状态，相应的磁场矢量幅值也就存在多个中间状态，这样相邻两相或多相的合成磁场的方向也将有多个稳定的中间状态。图２－４给出了三相步进电机八细分时的各相绕组电流状态。由于各相电流是以四分之一的步距上升或下降的，在Ｔａ，Ｔｂ中间又插入了七个稳定的中间状态，原来一步所转过的角度ｏ。将由八步完成，实现了步距角的八细分。细分驱动的基本工作原理如下：初始状态Ａ相通额定电流ｉ一＝ｉＨ，当第一个ＣＰ脉冲到来时，Ｂ相电流ｉＢ＝ｉ一／４，此时，合成磁势由Ａ相中ｉｘ与Ｂ相中ｉｗ／４共同产生，当第二个ＣＰ脉冲到来时，Ｂ相电流ｉＢ＝ｉ一／２，合成磁势由Ａ相中ｊｗ与Ｂ相中ｉ∥２共同产生，经过四个脉冲后。电机走四步。步距角为ｏ?、０。、０ａ、０ａ，由此可见，根据步进电机的细分要求，必须给电机绕组施加相应的细分阶梯电流波形，即步进电机细分驱动的关键在于细分
笙！！墨苎堑里塑ｊ！奎些奎兰堡主兰丝垒墨步进电机各相励磁绕组中的电流。
２．３驱动器主要器件的性能
２．３．１微控制器性能简介
微控制器主要用于控制目的。对以微控制器构成的系统的要求是有实时、快速的外部响应，能迅速采集到大量数据，作出逻辑判断与推理后实现对控制对象的参数调整与控制。
近年来，闪速存储器Ｆｌａｓｈ在微控制器片内的应用走向成熟。Ｆｌａｓｈ的片内制造工艺、Ｆｌａｓｈ的保护技术有突破性进展；Ｆｌａｓｈ在遇到强干扰引起程序丢失的问题得到了妥善的解决，从而引发微控制器开发、应用技术的又一次飞跃。Ｆｌａｓｈ是一种非易失性储存介质，读取Ｆｌａｓｈ中的内容同ＲＡＭ读取没有什麽不同。Ｆｌａｓｈ的写操作也比ＥＰＲＯＭ要快。而系统掉电以后，Ｆｌａｓｈ中的内容仍可以可靠地保持不变。Ｆｌａｓｈ的另一大优点是结构简单、集成密度大、成本低。形象地理解Ｆｌａｓｈ的结构，存储器的一位使用一只晶体管就够了，而ＲＡＭ中的一位至少要６只晶体管。由于Ｆｌａｓｈ比ＥＰＲＯＭ便宜，不需要用紫外灯照射法擦除，ＣＰＵ可以依靠程序擦除Ｆｌａｓｈ的某一部分或全部，反复使用次数可达数万至数十万次，有替代ＥＰＲＯＭ的趋势。比起掩膜ＲＯＭ来，Ｆｌａｓｈ也有相当大的优势。首先是８到１６周的掩膜芯片生产周期省去了，掩膜费用节省了。其次是掩膜后程序不可再修改，在采用Ｆｌａｓｈ后掩膜法的这种风险没有了。另外，程序可以在产品出厂前灌入Ｆｌａｓｈ，也可以在产品出厂后，将应用程序灌入或升级。
在此系统中，数字控制模块的核心部分是中央处理单元ＣＰＵ，它是ＡＴＭＥＬ公司生产的８位ｆｌａｓｈ单片机ＡＴ８９Ｃ５２，ＡＴ８９Ｃ５２是一种低功耗、高性能的ＣＭＯＳ８位微型计算机，它的主要功能特点如下“…：
?具有８Ｋ字节可电气烧录及擦除的程序存储器ＥＥＰＲＯＭ，可以快速擦除程序并烧录新程序，２５６Ｂ内部ＲＡＭ数据存储器
?３２条双向输入输出线，且每条输入和输出线均可单独做１／１３口控制
●８个中断向量源
●１个全双工通信端口
●３组独立的１６位定时器／计数器
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另一些则是介于用户和ＰＬＤ厂商的第三方推出，比较典型的有：ＯａｔａＩ／Ｏ公司的ＡＢＥＬ，ＬｏｇｉｃａｌＤｅｖｉｃｅ公司的ＣＵＰＬ，Ｍｉｎｃ公司的ＰＬＤｅｓｉｇｎｅｒ，ＯｒＣＡＤ公司的ＯｒＣＡＤＰＬＤ。以上系统大都有强大的逻辑仿真和时延仿真功能，设计者不必通过下载到器件，就可以在计算机上对芯片的逻辑功能和定时关系进行仿真并对整个系统的设计进行性能估计。
圈２—７ｉｓｐＥＸＰＥＲＴＳＹＳＴＥＭ开发软件界面
塑ｊ！查些盔兰堡主兰垡堡奎笙』三一里—苎』！—！Ｌ２．３．３可编程看门狗监控ＥＥＰＲ０＿Ｉ
Ｘ２５０４５把三种常用的功能：看门狗定时器，电压监控和ＥＥＰＲＯＭ组合在单个封装之内。这种组合降低了系统成本并减少－ｊ＂Ｘ＇ｊ－电路板空间的要求。下图２—８为管芯照片：…１。””
图２—８Ｘ２５０４５管芯照片
看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。当系统故障时，在可选的超时周期之后，）［２５０４５看门狗
将以ＲＥＳＥＴ信号作出响应。用户可从三个预置的值中选择此周期。一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不改变。
利用Ｘ２５０４５低ＶＣＣ检测电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响。当ＶＣＣ降到最小ＶＣＣ转换点以下时，系统复位。复位一直确保到ＶＣＣ返回且稳定为止。
ＤｆＰ／ＳｏｌＣ
Ｘ２５０４５
图２—９器件引脚图
Ｘ２５０４５的存储器部分是ＣＭＯＳ的４０９６位串行ＥＥＰＲＯＭ，它在内部按５１２
×８来组织。Ｘ２５０４５的特点是具有简单的三线总线工作的串行外设接口（Ｓｅｒｉａｌ