点焊、弧焊等焊接行业,可取代焊接工人的高强度机械劳动,使他们从恶劣的工作环境中解脱出来,同时又可消除焊接作业中人为的不稳定因素,提高产品的质量和生产效率。当今直流伺服系统非常普及,而交流伺服系统正在迅猛发展,我们却反其道而行之,选用似乎古老的步进电机系统来开发机器人,未免显得过时。但也许这是一条符合中国国情的即经济又实用的技术路线。从技术经济的角度来讲,之所以选用步进电机是由HJ 机器人的用途、伺服系统的特性、步进电机技术的进步和控制系统的开发成本等诸多因素共同决定的。步进电机作为三大电伺服之一,在十多年前随着数字技术的发展曾一度获得广泛应用,但人们同时发现步进电机(指原来的反应式电机) 存在很多难以克服的弊病,如输出特性(矩频特性) 很软,高频易丢步,低频易共振。直到混合式步进电机以及基于交流逆变和PWM恒流控制的驱动器的出现,步进电机的种种弊病才得到克服。近年来步进电机及其驱动有了长足的发展。开始是五相混合式,步距角0. 36°,近来是二相(也可说四相) 带微步驱动的系统, 细分数已做到50800 步/ 转甚至更高。国内外多家公司均推出了品种相当齐全的电机、驱动器和控制器系列产品。这三者中,电机的通用性最强,所以也最早形成系列产品。其次是驱动器,原则上只要额定电流、相数、相电感相当,不同型号的驱动器都可用,因此驱动器现在也有系列产品。但是控制器则由于应用是五花八门的,很难做出一种控制器能满足各方面应用要求。生产厂家为了控制器能适应更多应用面,有的在控制器里装有许多软件,供用户选用,有的做成多种功能模块供用户选择组装。尽管如此,面对某一具体应用项目开发时,仍然会产生“要用的不够,不用的又太多”的感觉,成本也较高。所以我们采取的办法是,电机和驱动器采购标准化产品,而控制器则根据机器人的需要自行开发。众所周知,步进电机的工作原理是,给一个驱动脉冲,电机走一步。电机的角位移正比于(乘以步距角) 所给的脉冲数,而电机的速度正比于脉冲频率。所以对步进电机的控制,归根结底是对脉冲数的控制即位置控制和对脉冲频率的控制即速度控制。
3.2步进电机的介绍
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）。您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；同时您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 3.2.1步进电机的基本工作原理.
步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（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，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；
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 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。
步进电机有两种基本的形式：可变磁阻型和混和型。步进电机的基本工作原理，结合图3.1的结构示意图进行叙述
图3.1 四相可变磁阻型步进电机结构示意图
图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。
它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1中的(b)，转子向反时针转过15°。若是D相被激励，如图1中的(c)，则转子为顺时针转过15°。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：
Lθ＝360 P×N
式中：Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15°，表示电机转一圈需要24步。
3.2.2混和步进电机的工作原理：
在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般来说，这类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图2a所示。或者接成两个三端形式，如图2b所示。每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。
图3.2步进电机接线图
图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固定的。表1列出了全部步进开关的逻辑时序。
表3.1
值得注意的是，电机步进为1—2—3—4的顺序。在同一时间，有两相被激励。但是1相和2相，3相和4相绝对不能同时激励。
四相混和型步进电机，有一特点很有用处。它可以用半步方式驱动。就是说，在某一时间，步进角仅前进一半。用单个混合或用双向开关即可实现，这种逻辑时序由表2列出。
四相混和型步进电机，也能工作于比额定电压高的情况。这可以用串联电阻进行降压。因为1相和2相，3相和4相是不会同时工作的，所以每对仅一个降压电阻，串接在图3中的X和Y点之间。因此额定电压为6V的步进电机，就可以工作在12V的电源下。这时需串一个6W、6Ω的电阻。 3.2.3保持转矩（HOLDING TORQUE）
指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化， 所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
3.2.4步进电机低速转动时振动和噪声缺点的克服方法
一般可采用以下方案来克服：
A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；
B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法； C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；
D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高； E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大 3.2.5步进电机驱动器的直流供电电源
A.电压的确定
混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。
B.电流的确定
供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.5～2.0倍。
当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。
3.3 步进电机的控制逻辑
HJ(焊接)机器人各关节均用步进电机驱动,由Intel8031 单片机控制。8031 可直接跟Intel 8253 可编程定时/ 计数器芯片接口。8253 内含三个16 位减1 计数通道。每个通道结构相同,都有一个输CLK,一个输出端OU T 和一个门控端GATE。每个通道有六种工作模式可选用。其中011 模式是将输入端脉冲分频后输出方波,分频系数是可写入的。范围为2 - OFFFEH(65534D) 。010 模式与011 模式相仿,只是输出不是方波,而是负脉冲,脉宽为输入信号的周期。000 模式类似减1 计数器,当输入一个脉冲时,事先用软件写入的计数值减1 ,减到0 ,再给一个脉冲就溢出,这时其输出脚电平变高。HJ就利用8253 的011 模式把其中一个通道作为D/ F (数值/ 频率) 变换器用。用晶振产生一个固定频率fc ,写入分频数据ki 后输出的频率fM ,如公式(1) 所示。将此输出频率经光隔、驱动送至电机驱动器,则电机速度将由写入的ki 决定,这就实现了速度控制。将此频率加到另一计数通道,让该通道工作在000 模式。起动电机前,写入要走的步数,则等电机走完规定步数, 公式Fm= Fc/ Ki (1 )
ΔT= Fc/ Kt (2 )
该通道输出端电平由低跳高,用此信号通知CPU 停机,这就实现了位置控制。在
示教采样和再现控制时都需要一个定时脉冲(采样信号) ,我们用8253 第三个通道,让它工作在010 模式,写入时间常数kt ,输入基准时钟fc ,则其输出端就能定时发出脉冲,定时时间△t 如公式(2) 所示。
图3.3 加减速控制流程
3.3.1 加/ 减速控制
速度控制中加/ 减速控制是最基本的控制。HJ机器人在各关节确定自身运动的坐标原点及自检运行中都要用到加减速控制,但对加/ 减速过程中速度曲线并无严格要求。电机由静止到达设定的最大速度所需的时间或者说加速度,是由调试确定的。加速度太大,关节起停时会造成大的机械冲击,甚至电机不能克服惯性而失步; 加速度太小, 则完成指定的运动会耗费太多时间加速策略有二种:线性加/ 减速控制和等步距加/ 减速控制。前者规定从加速开始,每一加速周期令电机速度递增相同的增量△f ;后者则要求每一加速周期电机走过相同的步数。等步距控制的优点,在于加/ 减速过程中电机走的步数可以非常准确地计算,这一点对于带加/ 减速的位置控制非常重要。但从电机要克服的惯性力来看,线性加速方案好些,调试也较为方便。HJ 中采用线性加/减速控制。线性加/ 减速的控制曲线如图3 所示,设定初速为f1(为叙述方便,在本章中将频率称为速度,实际上二者差一比例系数即步距角。在图3.4中f1 = 0) ,末速为f2。设定速度变化的台阶数n ,加速定时周期△t ,每一个定时周期就使