内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
控硅以及各种功率模块。对于小功率的步进电机，可用中小功率晶体管进行驱动，晶体管具有放大倍数大、线路简单等优点，用于驱动小功率的步进电机（绕组电流在数百毫安）。对于功率较大的步进电机，由于绕组所需要的电流较大、电压高、反电动势也大，因此需要用大功率的的晶体管驱动。
步进电机驱动电路与一般电气设备驱动的不同点主要有：
(1) 各相绕组都是工作在开关状态，多数电动机的绕组都是连续的交流或者直流，而步进电机的各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是离散的。
(2) 电动机的各相绕组是绕在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电时电流上升率受到限制，因而影响电动机绕组电流的大小。
(3) 绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。绕组导通和截止过程中都会产生较大的反向电动势，而截止时的反电动势将对驱动级器件的安全产生十分有害的影响。
(4) 电动机运转时在各相绕组中将产生旋转电动势，这些电动势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电动势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电动势越大，绕组电流越小，从而使电动机输出转矩也随着转速升高而下降。
(5) 电动机绕组中有电感电动势、互感电动势、旋转电动势。这些电动势与外加电源共同作用于功率器件，当其叠加结果使电动机绕组两端电压大大超过电源电压时，会使驱动级的工作条件更为恶化。
由于步进电机需要的驱动电流比较大，所以单片机与步进电机的连接都需要专门的接口电路及驱动电路。接口电路可以是锁存器，也可以是可编程的接
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口芯片，如8255、8155等。驱动器可以用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。本系统为了抗干扰，或避免一旦驱动电路发生故障，造成功率放大器中的高电平信号进入单片机而烧毁器件，因而在驱动器与单片机之间增加一级光耦隔离器。其接口电路原理图如图2.12所示。
图2.12 驱动电路
电路工作原理：当A输出为1时，发光二极管不发光，因而光敏三极光截止，从而使达林顿管导通，A相绕组通电。反之当A为0时经反相后，使发光二极管发光，光敏三极管导通，从而使达林顿管截止，A相绕组不通电，控制B、C、D相亦然。总之，只要按一定的顺序改变A、B、C、D通电的顺序，就可控制步进电机按一定的方向步进【5】。
2.5 步进电机的变速控制
对于大多数的任务而言，总希望控制系统能尽快地到达控制终点。因此要求步进电机的速度尽可能快一些，但如果速度太快，则可能发生失步。此外一般步进电机对空载最高启动频率都是有所限制的。所谓的最高空载启动频率是指步进电机空载时，转子从静止状态不失步地进入同步状态（即步进电机每秒钟转过的角度和控制频率相对应的工作状态）的最大控制频率。当步进电机带
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负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差；当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动的瞬间采取加速的措施。一般来说，升频的时间约为0.1~1s之间。系统运行起来之后，如果到达终点时立即停止，可能会因系统惯性的原因，发生冲过终点的现象，使点位控制发生偏差，所以从高速运行到停止也应该有减速的措施【6】。
为此，提出一种变速控制的程序，该程序的基本思想是，在启动时，以低于响应频率fs的速度运行；然后开始慢慢加速，加速到一定频率fe后就以此速率恒速运行。当快要到达终点时，又使其慢慢减速，在低于响应频率fs的速率下运行，直到走完所规定的步数后就停止运行。这样步进电机便可以以最快的速度走完所规定的步数，而又不发生失步的现象。因此在点位控制过程中，运行速度需要有一个加速—恒速—减速—低恒速—停止的过程，上述的变速控制过程如图2.13所示。
图2.13 点—位控制的加减速过程
对于一个非常短的距离，如在数步范围内，电动机的加减速过程没有实际意义，只需要按起动频率运行即可。对于中等或比较长的运行距离，步进电机
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加速后应该有一个恒速的过程。系统在工作过程中，都要求加减速的时间尽量短，而恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点的时间要求最短，这就必须要求加减速的过程最短而恒速时速度最高。
加速时的起始速度应该等于或略小于系统的极限起动频率，而不是从零开始。减速过程结束时的速度一般等于或略低于起动速度，再经数步低速运行后停止。
升速的规律一般有两种，一是按直线规律升速，二是按指数规律升速。按直线规律升速时加速度为恒定，因此要求步进电机产生的转矩为恒值。但实际上步进电机升速时由于反电动势和绕组电感的作用，绕组电流将逐渐减小，因此输出的转矩会有所下降，按指数规律升速时，加速度是逐渐下降的，接近步进电机输出转矩随转速变化的规律【7】。
由于步进电机的速度正比于脉冲频率，控制步进电机的速度实际上就是控制脉冲频率。用单片机对步进电机进行加减速控制，即控制CP脉冲的时间间隔。升速时使脉冲逐渐加密，减速时使脉冲逐渐变疏。本系统采用定时器中断来控制步进电机的加减速，实际上是不断改变定时器的定时初值的大小。在运行的过程中用查表的方式查出所需的定时初值，从而减小占用CPU的时间，提高系统的响应速度。
步进电机的加减速控制技术是步进电机控制中的一项关键技术，它直接影响步进电机运行的平稳性、升降速的快慢、定位精度等性能，从而决定了步进电机控制系统的综合性能。采用步进电机的加减速控制可以有效地克服步进电
机启动过程中出现失步的问题，提高系统的响应速度和精度【8】。
2.5.1 变速控制的方法
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1、改变控制方式的变速控制
最简单的变速控制可以利用改变步进电机的控制方式实现。例如，在三相步进电机中，启动或停止时，用三相六拍，大约在0.1秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到达终点时，再次采用三相六拍的控制方式，以达到减速的目的。
2、均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制
步进电机的加减速控制，可以均匀地改变脉冲时间间隔来实现。例如在加速控制中，可以均匀地减少延时时间间隔；在减速时，可以均匀地增加延时时间间隔。具体地说，就是均匀地增加或减少延时程序中延时时间常数。
这种控制方法的优点是，由于延时的长短不受限制，使步进电机的频率变化范围比较宽，但它降低了单片机的实时处理能力。
3、采用定时器的变速控制
在单片机控制系统中，可以采用单片机内部的定时器来提供CP脉冲。其方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间向CPU申请一次中断，CPU响应中断后便发出一个脉冲。此时只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加减速的目的【9】。
这种方法的优点是减少占用CPU的时间，提高控制系统的效率和实时处理能力。为了提高单片机的实时处理能力，系统采用中断的方法进行调速。
2.6 步进电机在自动生产线中的应用
由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响比较小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接受数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。此外，步进电机不需要位置传感器或速度传感器可以在开环状态下定位
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