步進電機控制

步進電機控制,步進,電機,機電,控制,節(jié)制 步進電動機高精度細分方法及其控制系統(tǒng)葉韋韋華南師范大學電信工程系99級引 言本論文題目來自對現(xiàn)有橢偏儀進行技術(shù)改進工作中的“用步進電機取代傳統(tǒng)直流減速電機”的研究課題。橢圓偏振測量技術(shù)是一種測量薄膜厚度和研究其表面特性的先進方法，具有靈敏度高、精度高、實時和無損樣品的優(yōu)點。在半導體、光學材料、表面物理、化工、冶金、生物和醫(yī)學等領(lǐng)域都有重要應用。傳統(tǒng)的橢偏儀由于使用了直流電機，在定位過程中存在自動化水平低、操作復雜、精度難以保證和成本高（因需要配高精度光電旋轉(zhuǎn)編碼器）等不足，為提高橢偏儀的定位精度和自動化水平，研制出一種高精度自動定位系統(tǒng)無疑具有十分重要的意義。本系統(tǒng)采用步進電機代替直流電機，但現(xiàn)有步進電機的最小步距角還未能達到本系統(tǒng)的要求，所以要在步進細分技術(shù)上作探討。利用步進電機的準確動作和步進電機的細分技術(shù)，解決橢偏儀的角度與光強必須準確對應關(guān)系的問題。其中，當步進電動機的細分角度越小，越有利于提高步進電動機的角位、點位及連續(xù)控制方面的定位精度，越有利于與計算機聯(lián)機，實現(xiàn)全自動化控制。同時，還可以大大提高步進電機的分辨率，大大改善步進電動機在動態(tài)運轉(zhuǎn)時的特性。由于工業(yè)技術(shù)的不斷進步，在自動化控制、精密機械加工、航空航天技術(shù)以及所有要求高精度定位、自動記錄、自動瞄準等高新技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對步進電機的細分要求也越來越高。因此，多年來，國內(nèi)外的同行都在努力尋求步進電動機細分技術(shù)的最佳方案及最高細分精度。本文所介紹的自動定位系統(tǒng)是在原橢偏儀系統(tǒng)的前提下，采用步進電機計算機細分控制技術(shù)建立起來的。一步進電機的基本原理步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅(qū)動方案所選用的步進電機。步進電機的一些基本參數(shù)：電機固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9/1.8（表示半步工作時為0.9、整步工作時為1.8），這個步距角可以稱之為電機固有步距角，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。步進電機的相數(shù)：是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72 。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）：是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。DETENT TORQUE：是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。步進電機的一些特點：1一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。2步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應用。二步進電機驅(qū)動器的原理步進電機的運行要有一電子裝置進行驅(qū)動, 這種裝置就是步進電機驅(qū)動器, 它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號,加以放大以驅(qū)動步進電機。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；控制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。典型的步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)主要由三部分組成：1. 步進控制器，由單片機實現(xiàn)。2驅(qū)動器，把單片機輸出的脈沖加以放大，以驅(qū)動步進電機。3步進電機。典型的步進電機驅(qū)動控制電路圖如下：圖中單片機的I/O口一位控制一相繞組，根據(jù)所選定的步進及控制方式可寫出相應的控制方式的數(shù)學模型，如三相單三拍、三相雙三拍、三相六拍?，F(xiàn)以三相六拍為例：步序 控 制 位 C B A控制模型D7D6D5D4D3D2D1D0A11111001F9HAB11111011FBHB11111010FAHBC11111110FEHC11111100FCHCA11111101FDH以上為步進電機正轉(zhuǎn)時的控制順序及數(shù)學模型。因此，步進驅(qū)動控制器實際上就是按上述的控制方式所規(guī)定的順序送脈沖序列，即可實現(xiàn)驅(qū)動步進電機三相六拍方式的轉(zhuǎn)動。輸入順序脈沖序列的速率就是步進電機的速率。這種典型的步進電機驅(qū)動控制方法及其電路，只能實現(xiàn)步進電機步距角為原來固定步距角的一半。當要求實現(xiàn)步距角細分時，該方法就不能達到要求了，所以在這里就要引入步進電機細分技術(shù)方案的探討。三細分技術(shù)方案探討細分的基本概念為：步進電機通過細分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了。如驅(qū)動器工作在10細分狀態(tài)時，其步距角只為電機固有步距角的十分之一，也就是：當驅(qū)動器工作在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機轉(zhuǎn)動1.8；而用細分驅(qū)動器工作在10細分狀態(tài)時，電機只轉(zhuǎn)動了0.18。細分功能完全是由驅(qū)動器靠精確控制電機的相電流所產(chǎn)生的，與電機無關(guān)。步進電機的細分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請參考有關(guān)文獻），其主要目的是提高電機的運轉(zhuǎn)精度，實現(xiàn)步進電機步距角的高精度細分。其次，細分技術(shù)的附帶功能是減弱或消除步進電機的低頻振動，低頻振蕩是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑，如果步進電機有時要在共振區(qū)工作（如走圓?。x擇細分驅(qū)動器是唯一的選擇。驅(qū)動器細分后的主要優(yōu)點為：完全消除了電機的低頻振蕩；提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩，尤其是對三相反應式電機，其力矩比不細分時提高約30-40% ；提高了電機的分辨率，由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，提高電機的分辨率是不言而喻的。以上這些優(yōu)點，尤其是在性能上的優(yōu)點，并不是一個量的變化，而是質(zhì)的飛躍。因此，在性能上的優(yōu)點是細分的真正優(yōu)點。由于細分驅(qū)動器要精確控制電機的相電流，所以對驅(qū)動器要有相當高的技術(shù)要求。目前，國內(nèi)外的步進電動機細分技術(shù)的最高微步距細分水平為25.5，而隨著科學和工業(yè)技術(shù)發(fā)展，這一細分水平對于目前很多要求5以下的微步距角來說，仍遠遠不能滿足要求。為什么長期以來步進電動機的細分技術(shù)停留在25.5的水平上而不能再細分？對這一問題的研究結(jié)果表明，現(xiàn)有技術(shù)大多采用以下兩種細分方法：方法一：首次獲得較高分辨率的細分方法采用的是一種稱為：半拍步進的方法，即在對步進電動機的步距角進行細分時，將步進電動機的控制位置數(shù)（以四相混合式步進電動機為例）的四拍通電邏輯順序變?yōu)榘伺耐娺壿嬳樞?，從而將步進角降為原來的一半。以后在這種方法的基礎(chǔ)上繼續(xù)改進為電流合成矢量ih，使ih不是一下變動45個電角度，而是一次變化一個較小的角度f，這樣就將步距角由原來的45變?yōu)楹髞磔^小的微步距角f。當通電時，電流合成矢量在045范圍內(nèi)，僅讓一相繞組的電流在變化，即只有ia在變化，ib不變；在4590范圍內(nèi)，僅讓ib一組繞組的電流變化，ia不變。這種細分驅(qū)動方法的優(yōu)點是只需要改變某一相的電流值，因此在硬件電路的設(shè)計上就比較容易實現(xiàn)。但這種方法卻帶來了一個不可克服的缺陷，即電流合成矢量ih在旋轉(zhuǎn)過程中的幅值是處在不斷變化中，從而引起滯后角的不斷變化。當細分數(shù)很大、微步距角非常小時，滯后角變化的差值已大于所要求細分的微步距角，使得微步距角的繼續(xù)細分實際上失去了意義。采用現(xiàn)有技術(shù)細分方法的電流矢量旋轉(zhuǎn)示意圖如圖1?，F(xiàn)有技術(shù)的距角特性曲線中反映的滯后角對細分的影響如下圖：(縱軸T表示轉(zhuǎn)距，橫軸表示轉(zhuǎn)子的位置轉(zhuǎn)角)方法二：利用單片機的脈沖寬度可調(diào)波（PWM）,使原來的一個矩形脈沖波分解成一個階梯波形，若設(shè)原來階梯波角度為，則按階梯波的步距角應為/n，其中n為階梯波的個數(shù)。其優(yōu)點是在階梯波驅(qū)動步進電機的時候，雖然能通過單片機產(chǎn)生的PWM波很靈活地改變輸出脈沖的高低和長短，從而實現(xiàn)步進電機的柔性控制和實現(xiàn)驅(qū)動大功率的步進電動機。但由于驅(qū)動電路復雜和在定位的時候可能會產(chǎn)生振動，若其振動的角度超過了細分的最小角度，則不適合高精密儀器的定位要求。另外，步進電機按運行頻率工作時，啟動和停止都需要有一個緩慢的升頻和降頻的過程。啟動時，可在啟動頻率之下啟動步進電機，然后逐漸上升到運行頻率；停止時，先將頻率逐漸降低到啟動頻率以下才能停止。特別是負載轉(zhuǎn)動慣性比較大時，該現(xiàn)象很明顯以致嚴重地影響到細分步進轉(zhuǎn)角的非線性和均勻旋轉(zhuǎn)的控制。這就是現(xiàn)有細分技術(shù)方案不能達到超高分辨的根本原因。為解決這個問題，很多資料都曾經(jīng)提出對細分電流進行修正的方法，但一直未見一個實用、統(tǒng)一的數(shù)學模型及可行的細分方法問世。四.系統(tǒng)設(shè)計1細分電路的設(shè)計針對上述兩種現(xiàn)有的細分技術(shù)狀況，本論文的目的在于：1. 從理論和實踐的角度，建立一種新的步進電動機高精度細分方法和數(shù)學模型，以消除現(xiàn)有技術(shù)方案中不可克服的滯后角值所引起的問題，使細分技術(shù)提高到更高的水平。2. 在新原理方法指導下設(shè)計相應的硬件控制電路。 3. 設(shè)計細分控制函數(shù)修正的電路及其相應的計算機自動控制程序。本電路的構(gòu)思及技術(shù)解決方案敘述如下：為了實現(xiàn)高精度的定位，對步進電機步距進行高分辨細分的關(guān)鍵，也是本系統(tǒng)的難點所在。從以上的分析可知，步進電動機的細分驅(qū)動電路都是通過電流合成矢量的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。一般的細分方法只改變某一相的電流，該方法的缺陷是電流合成矢量的幅值是不斷變化的，使步進電機的傳距亦隨之變化，從而引起滯后角的變化，最終就影響可細分數(shù)的增加，即限制了分辨率的提高。采用現(xiàn)有技術(shù)細分方法時的電流矢量旋轉(zhuǎn)示意圖（圖1）：為了能夠從根本上解決這個問題，消除現(xiàn)有技術(shù)中由于滯后角的變化引起的值大于微步距角而導致不可繼續(xù)細分的問題，只有使電流合成矢量ih形成新的距角特性曲線，為達到這一點，必須滿足一下兩個條件：1. 電流合成矢量旋轉(zhuǎn)時每次變化的角度要均勻；2. 電流合成矢量的大小或幅值要保持不變?；谶@個條件，即可建立“電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)”細分驅(qū)動方法。同時改變兩相電流的大小，使電流合成矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)。這種方式可稱為步進電機的模擬運行，它是一種基于交流同步電機概念的特殊細分技術(shù)，實質(zhì)是對運行于交流同步電機狀態(tài)的步進電機所受的交流模擬信號在一個周期內(nèi)細分，即每個細分點對應于一個交流值。當細分數(shù)相當大時，例如本系統(tǒng)中將一個四分之一周期分成4096個點，電機繞組的電流信號就逼近模擬連續(xù)信號。這種細分技術(shù)可以極大地提高步進電機的分辨率和運行穩(wěn)定性。采用該方法時，電流合成矢量的旋轉(zhuǎn)示意圖如下：圖中得iaibih分別表示A,B兩相電流矢量及兩相電流合成矢量。本電路的細分方法其特征在于：步驟一：建立一種可消除滯后角變化影響的步進電動機的細分控制函數(shù)數(shù)學模型：iaim*cosXib=im*sinX式中： iaA相繞組電流ibB相繞組電流x控制參數(shù)im電流幅值cosx控制參數(shù)余弦值sinx控制參數(shù)正弦值步驟二：對運行于交流同步電機狀態(tài)的步進電機所受控的交流模擬信號在一個周期內(nèi)細分，每個細分點對應一個交流值。步驟三：按照細分控制數(shù)學模型對AB兩相繞組電流通過步距角細分控制電路實施控制，控制過程為：由單片機送來的數(shù)字量電壓控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量的電壓信號，再送到放大驅(qū)動電路上，經(jīng)放大后直接送到步進電動機的四相繞組，并在四相繞組上加上電壓負反饋以保證電壓放大的穩(wěn)定性。四相繞組分別取得正余弦變化電流和零電平，通過電流合成矢量的驅(qū)動方式，驅(qū)動電動機的旋轉(zhuǎn)，這樣每輸入一個數(shù)字量，電機轉(zhuǎn)子就步進一個微步距角f。步驟四：對影響細分控制精度的非線性，通過細分控制修正表和相應的單片機修正程序?qū)毞终嘞冶韺嵤┬拚?基于以上細分方法及其特征，本論文的步進電機控制系統(tǒng)是在原有典型的步進電機驅(qū)動控制電路基礎(chǔ)上建立起來的，驅(qū)動控制電路利用MCS51系列單片機與12位D/A轉(zhuǎn)換器（DAC8413）構(gòu)成高精度細分的開環(huán)自動定位系統(tǒng)，通過“電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)”細分驅(qū)動方法實現(xiàn)高精度定位，大大提高步進電機的分辨率和改善步進電機在動態(tài)運轉(zhuǎn)時的特性。使用上述原理建立的系統(tǒng)框圖如下：2D/A芯片的選擇D/A轉(zhuǎn)換器把單片機的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換為模擬的電壓信號，經(jīng)放大后直接控制電機。所以，D/A芯片的選擇關(guān)系到細分技術(shù)的方案要求。我選用的D/A芯片是AD公司的DAC8413。它的概述為：DAC8413是在單片電路芯片上集成四個12位電壓輸出數(shù)模變換器（DAC）。每一DAC都有一個雙重緩沖的輸入鎖存結(jié)構(gòu)，并有回讀功能。全部DAC都通過一個12位并行I/O口與微處理發(fā)生讀寫操作。容許用戶同時將DAC輸出復位到零，而不考慮輸入鎖存器的內(nèi)容。任一DAC和全部DAC都可以被置于透明模式，使輸出能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)立即響應。DAC8413的特性：15伏到/15伏工作電壓2單極性或雙極性輸出3實際的電壓輸出4雙重緩沖的輸入鎖存結(jié)構(gòu)5復位到零或復位到中點的干預6高速總線存取時間7回讀功能DAC8413的應用：可用于自動測量設(shè)備，數(shù)字控制校準系統(tǒng)，控制伺服系統(tǒng)，過程控制系統(tǒng)。使用DAC8413的原因：1利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器的12位并行I/O口，把四分之一的四相驅(qū)動電流周期即一個步距分成4096級，也就是2的12次方，達到電壓高精度的細分要求。2DAC8413四個完整的電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，能直接輸出0-10V的電壓，再經(jīng)1.2倍放大后達到012V的電壓范圍，以控制電機的四相繞組，減少電路復雜性。3芯片能使用一組或兩組電壓供電，減少驅(qū)動電源的復雜性。使用外部參考電壓，用高精度參考電壓保證輸出細分電壓的穩(wěn)定性。4“復位到零”干預，達到電機012V的電壓控制范圍，使電機在半步工作時能達到01.8的步進范圍。5.利用雙重緩沖的輸入鎖存結(jié)構(gòu)和高速總線存取時間，四路DAC能分別寫入和輸出數(shù)據(jù)，并能同時一次性寫出，達到高速并行輸入和并行輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換要求。6.芯片性價比方面的考慮。3驅(qū)動電路的設(shè)計在驅(qū)動電路的設(shè)計中，把驅(qū)動電路分成四個部分：電源部分、單片機部分、D/A轉(zhuǎn)換部分、放大驅(qū)動部分。電源部分以數(shù)字電路和模擬電路分別供電的思想為綱，分為三組直流穩(wěn)壓電源：單片機電源5V,電動機電源15V,D/A及運放電源/15V。在提供給D/A芯片外部參考電壓時，使用高精度的10V參考電壓電路，以保證細分的電壓輸出不出現(xiàn)漂移。單片機部分以單片機(W77E58)為核心，集數(shù)據(jù)傳輸、控制為一體，實現(xiàn)自動控制功能。W77E58是一個與MCS-51系列兼容的8bit CMOS微處理。其指令運行速度卻是普通單片機的1.5-3倍/機器周期，時鐘輸入可上到40MHz。利用它輸出12位數(shù)字量控制信號。D/A轉(zhuǎn)換部分用DAC8413芯片，把12位的數(shù)字量控制信號轉(zhuǎn)換為四路模擬電壓輸出。放大驅(qū)動部分用超低偏移電壓放大器OP-07作一級電壓放大，把D/A輸出的10V模擬電壓信號放大1.2倍，然后再加上一級以O(shè)P-07為器件的跟隨器，達到步進電動機012V的工作電壓要求。經(jīng)放大的電壓信號，直接送到功率場效應晶體管IRF540,以場效應管作為驅(qū)動管。并在每個線圈繞組上接上二極管抑制反向電動勢，保護有關(guān)元件。步進電機的選用：24BYG40221 DC12V 0.25A注：本驅(qū)動電路圖在附錄上。4驅(qū)動程序的設(shè)計步進電動機的半步工作時為1.8，驅(qū)動程序的設(shè)計目的是編寫一個4096級查正、余弦表功能的程序，產(chǎn)生大小正比于控制函數(shù)X的正、余弦函數(shù)的兩路電壓Va、Vb輸出，作為電機A、B兩相繞組電流的控制電壓。并根據(jù)細分控制函數(shù)數(shù)學模型，編寫四相電流控制驅(qū)動方式。采用該數(shù)學模型時，四相電流一個周期的變化示意圖如下：程序的設(shè)計在步進電動機的細分軟件技術(shù)上，實現(xiàn)了“電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)”的細分方法，從原理上解決了實現(xiàn)了高精度細分方法的技術(shù)問題。對影響細分控制精度的非線性，通過細分控制修正表和相應的單片機修正程序?qū)毞终嘞冶韺嵤┬拚ｒ?qū)動程序中的正弦表為4096級，而步進角度一步要求為128級，上述程序中的查表步距為固定值，但實測中的實驗數(shù)據(jù)和它的曲線表明，仍然未能達到步進角度線性變化的要求。針對這個問題，提出了在較高精度的數(shù)表中查表時，使用非固定查表步距代替原來的固定步距，從而達到修正細分控制精度非線性的問題。注：本驅(qū)動程序和程序框圖在附錄上。五檢驗方案設(shè)計由于橢偏儀的要求是步進電動機在一個步距上進行細分，也就是半步角度1.8細分128份等于0.0140625，以此設(shè)計了一套檢查步進角度細分情況的系統(tǒng)。讓步進電動機帶上一個半徑為150mm長的轉(zhuǎn)臂，并在轉(zhuǎn)臂上用頭發(fā)絲作刻度。然后，用分辨率為0.01mm的顯微鏡觀察轉(zhuǎn)臂末端上刻度的變化。注：檢驗裝置平面圖在附錄上。因為，每次步進轉(zhuǎn)過的角度距離為：SIN(1.8/128)*150mm=0.03682mm；約等于步進轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)過的弧長：2*150/200/128=0.03680mm；所以，能用分辨率為0.01mm的顯微鏡觀察轉(zhuǎn)臂步進角度刻度的變化，而且還可以在半步范圍內(nèi)用轉(zhuǎn)過的角度距離近似代替轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)過的弧長。檢測過程中，讓步進電機每次只走一步，然后微調(diào)顯微鏡的細調(diào)刻度，用顯微鏡中十字刻度的垂直刻度對準轉(zhuǎn)臂刻度的右側(cè)，記錄每次細調(diào)刻度的變化，就能得出反映步進電動機細分步進的角度變化數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)就能繪制出步進角度變化的曲線圖。另外，還通過步進電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)電機重復性的檢驗，以及通過電機定點偏移的測量檢驗電路的穩(wěn)定性問題，從而分析電路能否達到分辨率的要求。根據(jù)理論推測試驗曲線和理想曲線如下：六實驗結(jié)果 根據(jù)以上檢驗系統(tǒng)，每次得出一組128個步進距離的長度數(shù)據(jù)，以及整理實驗數(shù)據(jù)繪制出的步進電動機微步角度和距離關(guān)系曲線。注：實驗數(shù)據(jù)和關(guān)系曲線圖在附錄上。七 結(jié)論本步進電動機高精度細分方法及其控制系統(tǒng)，具有以下突出特點：1. 在步進電動機細分技術(shù)上，設(shè)計了“電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)”方法，從原理上解決了實現(xiàn)高精度細分的技術(shù)難題，達到了微步距角1.582的國際領(lǐng)先水平。2設(shè)計了細分控制函數(shù)修正電路，及單片機修正程序，克服了步進電動機非線性的影響，保證了高精度細分的實現(xiàn)。3細分控制電路中，D/A轉(zhuǎn)換器采用了高精度參考電壓源，驅(qū)動電路的電壓負反饋，確保了高精度細分的實現(xiàn)。4還可以編寫一個計算機控制程序通過RS232接口，向單片機發(fā)送步進角度數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和回讀采集數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)步進電機的計算機實時控制功能。具體程序由于時間的限制，該程序仍在考慮中。本電路的實施，使步進電動機的細分技術(shù)提高到了超高精度細分的水平，為自動化控制、精瞄機床加工、高精度定位、自動測量、自動瞄準等眾多的高新技術(shù)領(lǐng)域提供了一流水平的技術(shù)和產(chǎn)品。八結(jié)束語在整個畢業(yè)論文設(shè)計過程中，我主要圍繞著如何在步進電機最小步進角的基礎(chǔ)上實現(xiàn)步進細分。從方案的制定到軟件的編寫我都經(jīng)過反復的思考，并且查看了很多的參考書籍和參考資料，以及得到了指導老師的從旁指導和大力支持。在本次畢業(yè)設(shè)計中，我進一步加強了自己的動手能力和運用專業(yè)知識的能力，從中學習到如何去思考和解決問題，以及如何靈活地改變方法去實現(xiàn)設(shè)計方案；特別是深刻體會到的是軟件和硬件結(jié)合的重要性，以及兩者的聯(lián)系和配合作用。通過畢業(yè)設(shè)計，我既鞏固了專業(yè)知識，又學到了在設(shè)計高精密儀器過程中的許多流程和該注意的事項，增強了產(chǎn)品開發(fā)的意識，是我在大學時期很好的一次實踐和鍛煉機會。附錄1 驅(qū)動電路圖2 驅(qū)動程序和程序框圖3 檢驗裝置平面圖4 實驗數(shù)據(jù)和關(guān)系曲線圖參考文獻1 呂國雄、鄭永駒編著 MCS51系列單片機微型計算機原理與應用基礎(chǔ)教程 廣東高等教育出版社 1994.122王建校等編著 51系列及C51程序設(shè)計 科學出版社 2002.43雨宮好文 主編 松井信行 著 控制用電機入門 科學出版社 2000.14高 鵬等編著 Protel99 入門與提高 人民郵電出版社 2000.25清源計算機工作室編著 Protel 99原理圖與PCB設(shè)計 機械工業(yè)出版社 20006 梁軍等編 單片機原理及應用東南大學出版社 20007 何立民編著 單片機高級教程 北京航空航天大學出版社 2000致 謝感謝物理系電信工程系的鄭永駒老師、楊懷老師、黃佐華老師和飛馳公司鄧宏蛟同志的悉心指導和大力協(xié)助，也感謝物理系電信工程系在本科學習中給予我的良好教育和優(yōu)越的學習環(huán)境。