步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制用途電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它可以通過(guò)接收數(shù)字控制信號(hào)(電脈沖信號(hào))并轉(zhuǎn)化成為與之相對(duì)應(yīng)的角位移運(yùn)動(dòng)或直線(xiàn)位移運(yùn)動(dòng),，因而本身就是一個(gè)完成數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件,。
      而且它還能對(duì)其電機(jī)進(jìn)行開(kāi)環(huán)位置的控制，每當(dāng)輸入了一個(gè)脈沖信號(hào)就會(huì)得到一個(gè)規(guī)定單位的位置增量,。這樣的增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)相比,，其成本明顯降低，幾乎沒(méi)必要進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)整,。因此,，步進(jìn)電機(jī)被十分的廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人,、遙控,、航天等領(lǐng)域，特別是在微型計(jì)算機(jī)和微電子科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)展,，使得步進(jìn)電機(jī)也獲得了更為廣泛的應(yīng)用,。
      步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù),。其角速度與脈沖頻率成正比,，而且在時(shí)間上與脈沖同步,。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)一定的情況下，只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度,。由于步進(jìn)電機(jī)是借助它的同步轉(zhuǎn)矩而啟動(dòng)的,，為了不發(fā)生失步，啟動(dòng)頻率是不高的,。特別是隨著功率的增加,，轉(zhuǎn)子直徑增大，慣量增大,，啟動(dòng)頻率和最高運(yùn)行頻率可能相差10倍之多,。
      為了充分發(fā)揮電機(jī)的快速性能,，通常使電機(jī)在低于啟動(dòng)頻率下啟動(dòng),，然后逐步增加脈沖頻率直到所希望的速度，所選擇的變化速率要保證電機(jī)不發(fā)生失步,，并盡量縮短啟動(dòng)加速時(shí)間,。為了保證電機(jī)的定位精度，在停止以前必須使電機(jī)從最高速度逐步減小脈沖率降到能夠停止的速度(等于或稍大于啟動(dòng)速度),。因此,，步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載高速移動(dòng)一定距離并精確定位時(shí)，一般來(lái)說(shuō)都應(yīng)包括“啟動(dòng)-加速-高速運(yùn)行(勻速)-減速-停止”五個(gè)階段,，速度特性通常為梯形,，如果移動(dòng)的距離很短則為三角形速度特性，如圖1所示,。
步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
      PC機(jī)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻通過(guò)對(duì)硬件控制電路上的8253計(jì)數(shù)器0賦初值,，設(shè)置好加減速過(guò)程的頻率變化(即速度、加速度變化),，以防止失步,。例如，在點(diǎn)位控制中設(shè)置好速度曲線(xiàn)圖,，在起動(dòng)和升速時(shí),，使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)負(fù)載，跟上規(guī)定的速度和加速度;在減速時(shí),，下降特性使負(fù)載不產(chǎn)生過(guò)沖,，停止在規(guī)定的位置。硬件控制電路板上的8253產(chǎn)生脈沖方波作為中斷信號(hào)源,，啟動(dòng)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中的固化程序以產(chǎn)生一定頻率的脈沖,，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的改變及啟動(dòng)和停止均由計(jì)算機(jī)控制硬件控制電路實(shí)現(xiàn),。
      軟件和硬件結(jié)合起來(lái)一起進(jìn)行控制,，具有電路簡(jiǎn)單,、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。在這種控制中,，微機(jī)軟件占用的存儲(chǔ)單元少,，程序開(kāi)發(fā)不受定時(shí)限制。只要外部中斷允許,，微機(jī)就能在電機(jī)的每一步之間自由地執(zhí)行其他任務(wù),，以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。

定時(shí)器初值的確定
      步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制運(yùn)用PC機(jī),，脈沖方波的產(chǎn)生采用8253定時(shí)器,，其計(jì)數(shù)器0工作于方式0以產(chǎn)生脈沖方波，計(jì)數(shù)器1工作于方式1起記數(shù)作用,，8253計(jì)數(shù)器0的鐘頻由2MHz晶振提供,。設(shè)計(jì)算機(jī)賦給8253計(jì)數(shù)器0的初值為D1，則產(chǎn)生的脈沖方波頻率為f1=f0/D1,，周期為T(mén)1=1/f1=D1/f0,，D1=f0T1=f0/f1。其中,，f1為啟動(dòng)頻率,，f0為晶振頻率。

步進(jìn)電機(jī)升降速數(shù)學(xué)模型
      為使步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中不出現(xiàn)失步現(xiàn)象,，一般要求其最高運(yùn)行頻率應(yīng)小于(或等于)步進(jìn)響應(yīng)頻率fs,。在該頻率下，步進(jìn)電機(jī)可以任意啟動(dòng),、停止或反轉(zhuǎn)而不發(fā)生失步現(xiàn)象,。 步進(jìn)電機(jī)升降速有兩種驅(qū)動(dòng)方式，即三角形與梯形驅(qū)動(dòng)方式(見(jiàn)圖1),，而三角形驅(qū)動(dòng)方式是梯形驅(qū)動(dòng)的特例,，因而我們只要研究梯形方式。電機(jī)的加速和減速是通過(guò)計(jì)算機(jī)不斷地修改定時(shí)器初值來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。在電機(jī)加速階段,，從啟動(dòng)瞬時(shí)開(kāi)始，每產(chǎn)生一個(gè)脈沖,，定時(shí)器初值減小某一定值,，則相應(yīng)的脈沖周期減小，即脈沖頻率增加;在減速階段,，定時(shí)器初值不斷增加,，則相應(yīng)的脈沖周期增大，脈沖頻率減小,，對(duì)應(yīng)梯形脈沖頻率特性的減速階段,。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定脈沖定時(shí)tn,，脈沖時(shí)間間隔即脈沖周期Tn和脈沖頻率fn。假設(shè)從啟動(dòng)瞬時(shí)開(kāi)始計(jì)算脈沖數(shù),，加速階段的脈沖數(shù)為n,，并設(shè)啟動(dòng)瞬時(shí)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，定時(shí)器初值為D1,，定時(shí)器初值的減量為△,。從加速階段的物理過(guò)程可知，第一個(gè)脈沖周期,，即啟動(dòng)時(shí)的脈沖周期T1=D1/f0,，t1=0。由于定時(shí)器初值的修改,，第2個(gè)脈沖周期T2=(D1-△)/f0=T1-△/f0,，脈沖定時(shí)t2=T1，則第n個(gè)脈沖的周期為：
Tn=T1-(n-1)△/f0 (1)
脈沖定時(shí)為：
(2)
脈沖頻率為：
1/fn=Tn=T1-(n-1)△/f0 (3)
上式分別顯示了脈沖數(shù)n與脈沖頻率fn和時(shí)間tn的關(guān)系,。令△/f0=δ,，即加速階段相鄰兩脈沖周期的減量,，則上述公式簡(jiǎn)化為：
tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)δ/2 (4)
1/fn=T1-(n-1)δ (5)
聯(lián)立(4),、(5)，并簡(jiǎn)化fn與tn的關(guān)系,，得出加速階段的數(shù)學(xué)模型為：
(6)
其中,，是常數(shù)，其值與定時(shí)器初值及定時(shí)器變化量有關(guān),，A=-δ, B=(2T1+δ)2,C=8δ,。
加速階段脈沖頻率的變化為：
(7)
從(6)、(7)式可以看出,，在加速階段,，脈沖頻率不斷升高，且加速度以二次函數(shù)增加,。這種加速方法對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行十分有利,，因?yàn)閱?dòng)時(shí)，加速度平緩,，一旦步進(jìn)電機(jī)具有一定的速度,，加速度增加很快。這樣一方面使加速度平穩(wěn)過(guò)渡,，有利于提高機(jī)器的定位精度,，另一方面可以縮短加速過(guò)程，提高快速性能,。
對(duì)于減速階段,，按照與上述類(lèi)似的分析方法,，可以得出脈沖頻率特性的表達(dá)方式為：
(8)
(9)
其中，A=-δ, B=(2T1-δ)2,C=8δ,，T1為減速開(kāi)始時(shí)脈沖周期,，δ為減速階段相鄰兩個(gè)脈沖周期的增量。由于T1>>δ,，則B=4T12,，由(8)、(9)式可以看出,，脈沖頻率在減速階段不斷下降,，且加速度為負(fù)，絕對(duì)值以二次函數(shù)減小,。這種減速性能對(duì)步進(jìn)電機(jī)同樣有利,，它使步進(jìn)電機(jī)在減速時(shí)能夠平穩(wěn)地停止而沒(méi)有沖擊，提高了機(jī)器的定位精度,。
綜上所述,，可以得出本設(shè)計(jì)的脈沖頻率特性(見(jiàn)圖3)。

實(shí)驗(yàn)及總結(jié)
      該方法已經(jīng)成功的應(yīng)用于本人設(shè)計(jì)的智能運(yùn)動(dòng)控制單元,，通過(guò)開(kāi)發(fā)Windows環(huán)境下的控制軟件,，利用VC++設(shè)計(jì)良好的控制接口界面，方便地實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)方式,、速度,、加減速的選擇和位置控制，具有一定程度的智能,。該控制單元減少了PC機(jī)被占用時(shí)間,，以便于在電機(jī)運(yùn)行的同時(shí)去完成別的工作，從而實(shí)現(xiàn)了三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的加減速和速度及位置控制,。并且利用了細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源,，提高了步進(jìn)精度和定位精度。

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