1、控制方式的確定

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制相對(duì)準(zhǔn)確，但是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低，控制簡(jiǎn)單，方便的優(yōu)點(diǎn)。 CP控制系統(tǒng)（使用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)）的脈沖頻率或換向周期實(shí)際控制著步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。該系統(tǒng)可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。一個(gè)是延遲，另一個(gè)是時(shí)間。延遲方法是在每次換向之后調(diào)用延遲子程序，并在延遲結(jié)束后再次執(zhí)行換向，以便可以重復(fù)發(fā)送特定頻率的CP脈沖或換向周期。延遲子程序的延遲時(shí)間與換向程序所用的時(shí)間之和為CP脈沖周期，此方法簡(jiǎn)單且消耗資源少。全部通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)用不同的子例程，可以獲得不同的操作速度。但是，這在CPU上花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，并且在運(yùn)行時(shí)無(wú)法處理其他任務(wù)。因此，它僅適用于更簡(jiǎn)單的控制過(guò)程。該定時(shí)方法利用單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)定時(shí)功能產(chǎn)生任意周期的定時(shí)信號(hào)，可以方便地控制系統(tǒng)輸出的CP脈沖的周期。當(dāng)計(jì)時(shí)器啟動(dòng)時(shí)，計(jì)時(shí)器從加載的初始值開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)數(shù)并開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)，計(jì)時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)中斷，系統(tǒng)發(fā)送執(zhí)行計(jì)時(shí)器中斷子程序。將電動(dòng)機(jī)換向子程序放入定時(shí)中斷服務(wù)程序中，在定時(shí)中止一次，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行一次換向，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。 定時(shí)時(shí)間增加是因?yàn)閺难b入定時(shí)器到重新啟動(dòng)定時(shí)器到應(yīng)用中斷為止有一定的時(shí)間間隔，為減少定時(shí)錯(cuò)誤并獲得正確的定時(shí)，需要重新裝入次數(shù)的初始值。應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。重新安裝的調(diào)整后的初始值主要考慮兩個(gè)因素，一個(gè)是中斷響應(yīng)所需的時(shí)間。第二個(gè)是重新安裝初始值命令所花費(fèi)的時(shí)間，包括在重新安裝初始值之前中斷服務(wù)程序的任何其他命令元素。結(jié)合這兩個(gè)因素，重新安裝數(shù)量的初始值的數(shù)量量化為8個(gè)機(jī)器周期，因此計(jì)時(shí)時(shí)間應(yīng)縮短為8個(gè)機(jī)器周期。使用定時(shí)中斷模式控制電機(jī)速度時(shí)，定時(shí)器負(fù)載值的大小實(shí)際上連續(xù)變化。在控制過(guò)程中，采用離散方法來(lái)逼近理想的加速和減速曲線。系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算每個(gè)單獨(dú)點(diǎn)的速度，以減少在每個(gè)步驟計(jì)算載荷值的時(shí)間。

所需的負(fù)載值固定在系統(tǒng)的ROM中，系統(tǒng)在工作期間使用查找表方法查找所需的負(fù)載值，從而大大減少了CPU占用的時(shí)間并加快了響應(yīng)速度。大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由于成本低廉，因此可以在開(kāi)環(huán)條件下運(yùn)行，并且可以提供運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的獨(dú)特位置控制而無(wú)需反饋。但是，閉環(huán)控制也是一種選擇，因?yàn)槟承?yīng)用需要更高的可靠性，安全性或產(chǎn)品質(zhì)量保證。這是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制的一些方法。

1）步驗(yàn)證，這是簡(jiǎn)單的位移控制，它使用低值光學(xué)編碼器來(lái)計(jì)算步移動(dòng)數(shù)。為了進(jìn)行命令驗(yàn)證，我們將步進(jìn)電機(jī)與一個(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)進(jìn)行比較，以查看步進(jìn)電機(jī)是否移至預(yù)期位置。

2）反電動(dòng)勢(shì)，一種無(wú)傳感器的檢測(cè)方法，通過(guò)使用步進(jìn)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)（eleCtromotiveforCe，emf）信號(hào)來(lái)測(cè)量和控制速度。當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)電壓下降到監(jiān)視檢測(cè)水平時(shí)，閉環(huán)控制將轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)環(huán)以完成終位移。

3）完全伺服控制是指始終使用步進(jìn)電機(jī)上的反饋設(shè)備（編碼器，解碼器或其他反饋傳感器）來(lái)更精確地控制步進(jìn)電機(jī)的位移和轉(zhuǎn)矩。

其他方法包括一些制造公司使用的各種反電動(dòng)勢(shì)控制電機(jī)參數(shù)的測(cè)量和軟件技術(shù)。在此，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器監(jiān)視和測(cè)量電機(jī)線圈，并使用電壓和電流信息來(lái)改善步進(jìn)電機(jī)的控制。正阻尼使用此信息來(lái)阻止振動(dòng)速度，生成更多可用的扭矩輸出，并減少扭矩的機(jī)械振動(dòng)損失。無(wú)編碼器安裝監(jiān)視使用信息來(lái)檢測(cè)同步速度的損失。

傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制一般采用反饋裝置和無(wú)感測(cè)方法，這是實(shí)現(xiàn)具有安全要求，危險(xiǎn)條件或高精度要求的運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的有效途徑。

大多數(shù)基于步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)通常在開(kāi)環(huán)條件下運(yùn)行，因此我們可以提供廉價(jià)的解決方案。實(shí)際上，步進(jìn)系統(tǒng)可以提高位移控制的性能，并且不需要反饋。但是，如果步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)運(yùn)行，則命令的步長(zhǎng)和實(shí)際步長(zhǎng)之間可能會(huì)失去同步。

閉環(huán)控制是現(xiàn)有步進(jìn)控制的一部分，可以有效地提供更高的可靠性，安全性或產(chǎn)品質(zhì)量。在這樣的步進(jìn)系統(tǒng)中，反饋設(shè)備的閉環(huán)或間接參數(shù)檢測(cè)方法可以糾正或控制失步，監(jiān)視電機(jī)停滯并確保更大的可用扭矩輸出。在不久的將來(lái)，步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制（CLC）可能有助于實(shí)現(xiàn)智能分布式運(yùn)動(dòng)架構(gòu)。但是，在開(kāi)環(huán)操作中存在失步定位錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。但是，與伺服系統(tǒng)中使用的編碼器相比，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)的編碼器成本較低。因此，選擇了閉環(huán)控制。

2、驅(qū)動(dòng)方式的確定

通常有兩種驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的方法，一種是直接通過(guò)CPU驅(qū)動(dòng)它，這通常是不合適的，因?yàn)镃PU的輸出電流脈沖非常小，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)還不夠。回轉(zhuǎn);另一種方法是通過(guò)CPU間接驅(qū)動(dòng)以放大從CPU輸出的信號(hào)，然后直接或通過(guò)光電隔離間接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，這種方法更安全，更可靠。在這種設(shè)計(jì)中，您必須使用CPU間接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。編碼器提供的玉米卷餅發(fā)生器用作速度測(cè)量工具。由于您選擇了閉環(huán)控制，因此必須有一個(gè)反饋元素。通常有兩種類(lèi)型的反饋元素。一種是使用同軸轉(zhuǎn)速計(jì)來(lái)反饋速度。返回，在顯示屏上顯示并調(diào)整步進(jìn)電機(jī)。另一種是通過(guò)光學(xué)同軸電編碼器反饋步進(jìn)電機(jī)的速度，以調(diào)整步進(jìn)電機(jī)。將后者與步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行比較。兩種設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，便宜，安全，可靠，污染少。固態(tài)通常采用后者，并且僅使用光電器件作為反饋元件。

3、驅(qū)動(dòng)電路的選擇

步進(jìn)電機(jī)有幾種類(lèi)型，但常用的是單電壓驅(qū)動(dòng)器，雙電壓驅(qū)動(dòng)器，斬波器驅(qū)動(dòng)器，細(xì)分控制驅(qū)動(dòng)器等。在步進(jìn)電機(jī)控制中，單電壓驅(qū)動(dòng)器是簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路，本質(zhì)上是單相逆變器。它的主要特點(diǎn)是工作效率低，特別是在高頻下，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。外部電阻器R消耗大量熱量并影響電路的穩(wěn)定性，因此通常僅用于低功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路中。通常使用兩個(gè)電源電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)雙電壓驅(qū)動(dòng)電路。兩個(gè)電源，一個(gè)用于高壓，另一個(gè)用于低壓，也稱(chēng)為高壓和低壓驅(qū)動(dòng)電路。雙電壓驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn)是，電流的谷點(diǎn)出現(xiàn)在高壓和低壓連接中，這不可避免地降低了谷點(diǎn)處的轉(zhuǎn)矩。它不適用于電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。對(duì)于斬波電路驅(qū)動(dòng)器，可以克服這些缺點(diǎn)，并且還可以提高步進(jìn)電機(jī)的效率。因此，從提高效率的角度來(lái)看，非常好的驅(qū)動(dòng)電路可以通過(guò)使用較高的電源電壓而無(wú)需外部電阻來(lái)限制額定電流并減小時(shí)間常數(shù)。但是，波形的頂部代表鋸齒波，該鋸齒波會(huì)產(chǎn)生較大的電磁噪聲。細(xì)分驅(qū)動(dòng)器由脈沖電壓驅(qū)動(dòng)。對(duì)于電壓脈沖，轉(zhuǎn)子可以旋轉(zhuǎn)一級(jí)。通常，根據(jù)電壓脈沖的分配方法，依次切換步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相的繞組電阻。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子可以旋轉(zhuǎn)。 用于細(xì)分控制的電路通常分為兩類(lèi)，一類(lèi)是使用線性模擬功率放大器獲得步進(jìn)電流的方法，該方法簡(jiǎn)單但效率較低。另一種方法是使用單片機(jī)通過(guò)數(shù)字脈寬調(diào)制方法獲得階躍電流，這需要復(fù)雜的計(jì)算才能使細(xì)分后的階躍角保持一致。但是，該設(shè)計(jì)需要相對(duì)較快的調(diào)節(jié)范圍以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度，因此必須選擇驅(qū)動(dòng)器芯片（8713）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且可以通過(guò)軟件來(lái)調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度。

4、基本方案的確定

由于該設(shè)計(jì)的要求，選擇了三相三位步進(jìn)電機(jī)，并選擇了89C51作為單片機(jī)的控制器。我選擇使用8279驅(qū)動(dòng)顯示器和鍵盤(pán)。我們選擇8713作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，并通過(guò)光電耦合來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。然后，將步進(jìn)電機(jī)的同軸光電編碼器用作反饋元件，反饋信號(hào)由CPU處理，然后顯示在顯示器上。但是，用鍵盤(pán)輸入的速度值應(yīng)顯示在顯示屏上，該設(shè)計(jì)有兩行顯示，一行顯示給定速度，另一行顯示實(shí)際速度。系統(tǒng)的基本框圖如下：

圖1系統(tǒng)原理框圖