毕业设计（论文）-基于蠕动泵的步进电机控制系统的设计.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文基于蠕动泵的步进电机控制系统的设计 摘 要随着国内科研和生产的需要，蠕动泵的研制和应用得到有关部门和单位的重视。从七十年代后期开始，抚顺石油炼制研究所，陕西化工部化肥研究所，江苏电分析仪器厂等都根据自已科研和生产需要先后研制出不同结构和规格的蠕动泵。并应用于仪器分析和实验室工作中。但总的来说，蠕动泵在国内的应用还不广泛，对它的研究和应用有待开发。本文介绍蠕动泵步进电机控制系统进行硬件和软件的设计，实现由步进电机控制蠕动泵的相应控制。硬件系统采用单片机控制电路实现对电压的可调，集成电路AD654与可编程逻辑器件步进电机控制电路，能实现蠕动泵的平稳运行，而且能进行无级调速，软件系统采用单片机控制的步进电机系统，其转动方向、转动速率及转矩数可以通过计算机输入，运用程序对这些数据进行处理，由单片机发出相应的控制信号，增加了控制的灵活性。运用中断方式，使系统在运行时可随时改变步进电机的运行方式，做到实时控制。关键词 蠕动泵；步进电机；单片机 Design of Stepping Motor Control System Based on Peristaltic Pump AbstractWith domestic research and the needs of the production of the wriggle pump，the development and application of the relevant departments and units to get attention. From seventys，fushun petroleum refining，chemical fertilizer institute in shanxi province，jiangsu institute of electrical instrument factory and so on all according to from already analysis of scientific research and production need has developed the different structure and specifications of peristaltic pump. And used in the instrument analysis and laboratory work. But on the whole，in the application of domestic wriggle pump is not widely，the research and application needs to be developed.This paper introduces peristaltic pump stepping motor control system of the software and hardware design，achieved by stepping motor control peristaltic pump of the corresponding control. Hardware system adopts single-chip microcomputer control circuit to realize the voltage of the adjustable， integrated circuit AD654 and programmable logic devices move pump stepping motor control circuit， can achieve the smooth running of peristaltic pump， but also it can stepless speed regulation，the software system using single-chip microcomputer control system of stepping motor，its rotation direction，the rotation rate and torque number can be through the computer input，use of the program data processing，the single-chip computer sends out the corresponding control signal，increase the flexibility of the control. Using the interrupt method，the system can be changed at any time at run time step motor operation mode，achieves real-time control. Keywords Peristaltic pump, Stepping motor, Single-chip microcomputer 不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 论文研究的目的和意义11.2 国内外蠕动泵发展现状11.3 本文的主要研究内容8第2章 蠕动泵的驱动系统设计102.1 蠕动泵102.1.1 蠕动泵的工作原理和结构特点102.1.2 蠕动泵的应用122.1.3 蠕动泵性能特点132.2 步进电机142.2.1 步进电机的分类142.2.2 步进电机的结构和工作原理162.2.3 步进电机运行基本特点202.2.4 步进电动机的基本参数212.2.5 步进电机的特点222.3 本章小结23第3章 步进电机系统硬件设计方案243.1 V/F集成电路芯片AD654243.2 高性能E2CMOSPLD通用阵列逻辑器件GAL16V8253.3 微控制器253.4 步进电机速度控制电路263.5 可编程逻辑器件的应用273.6 步进电机驱动电路283.7 本章小结29第4章 步进电机系统的软件系统设计304.1 步进电机驱动系统304.2 主程序流程图设计304.3 本章小结31结 论32致 谢33参考文献34附录A36附录B43千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- V -第1章 绪 论1.1 论文研究的目的和意义蠕动泵又称通道泵、胶管泵等，是五十年代产生和发展起来的一种新的泵类。由于被输送流体运动缓慢，又呈脉动的方式向前流动，犹如爬行动物蠕动前行，故称蠕动泵。近些年来，蠕动泵技术发展迅速，应用范围愈来愈广，已大量应角于实验室和工业生产中。在一些工业发达国家中，蠕动泵的生产已有相当规模，如英国WATSON-MARLOW公司专门生产七个系列几十种蠕动泵。其流量范围从15ul/h到7200ul/h，单机通道数由1到50，出口压2kgf/，可造成-625mmHg的负压，畅销世界各国。荷兰的CENCO制造厂和美国COIE - PARMER仪器公司也都有专门生产蠕动泵的工厂。 我国在七十年代中期以后，随着一些工业和科学项目的引进，蠕动泵开始随一些分析仪器进入国内。如金陵石化公司栖霞山化肥厂、安庆石化公司化肥厂等使用的二氧化硅分析仪，山西化肥厂的磷分析仪和过量二氧化碳分析仪等均带有单或多通道蠕动泵。随着国内科研和生产的需要，蠕动泵的研制和应用得到有关部门和单位的重视。从七十年代后期开始，抚顺石油炼制研究所，陕西化工部化肥研究所，江苏电分析仪器厂等都根据自已科研和生产需要先后研制出不同结构和规格的蠕动泵。并应用于仪器分析和实验室工作中。但总的来说，蠕动泵在国内的应用还不广泛，对它的研究和应用有待开发。本文介绍蠕动泵步进电机控制系统进行硬件和软件的设计，单片机控制电路实现对电压的可调，集成电路AD654与可编程逻辑器件动泵步进电机控制电路，能实现蠕动泵的平稳运行，而且能进行无级调速。1.2 国内外蠕动泵发展现状蠕动泵的发展是微流动系统发展水平的重要标志，国内外对蠕动泵进行了大量的研究工作，目前已研制成功的蠕动泵结构设计多种多样，驱动原理也不尽相同，关于蠕动式的方式相应也有一些进展。蠕动式微泵，按其驱动原理可分为压电驱动式、电磁驱动式、气动驱动式、形状记忆合金驱动式、静电驱动式、磁流体驱动式。尽管目前国际上正在研制各种蠕动式驱动方式，但从基本的蠕动概念上来讲都是大同小异的。1. 压电（压电陶瓷）驱动：压电驱动是在振动膜上设置有一压电片，当施加具有系统谐振频率的交变电压时，压电膜片产生谐振。压电膜片就是利用电控的膜片弯曲形变谐振来实现驱动作用的。压电驱动方式具有驱动力大、效率高、响应快、输入/输出为线性等优点，另外，压电驱动多是将压电片直接固定在驱动执行器上，有结构简单的优点。1990年Stanford大学的Smits和Wallmark对压电薄膜驱动的蠕动泵进行了研究1，开创了蠕动式微泵的研究历史，沿泵体管道布置三个压电片，顺次通电，压电片蠕动使得流体从进口流动到出口，其流量为3u1/min，驱动电压为80V，工作频率为15Hz，背压为6kPa，其结构如图1-1所示。图1-1 压电驱动蠕动式微泵原理图南台湾科技大学的Jia-Hao Li和Wai-Hong Kan研制的压电驱动蠕动泵结构及实物如图1-2所示2，其最大流量可达36.8u1/min，最大负压520Pa，驱动电压高达100V，频率为700Hz 。图1-2 压电驱动的蠕动式微泵压电陶瓷材料在外加电压作用下会产生伸缩变形，即所谓的逆压电效应，压电片在交变电场作用下做周期变形，带动硅片作上下震动，导致泵腔容积、液体压强周期变化，利用扩散管和收缩管原理，驱动液体通过进出口扩散管交替排除和吸入，由于扩散管不同方向的流动具有不同的能量变化和阻力大小，因此在一个周期里排出和吸入的液体流量不同，使得微流体泵具有定向趋流的功能。图1-3为爱荷华州立大学的Li Cao和Susan Mantell等人利用压电陶瓷制成的蠕动泵3，最大流量10ul/min，蠕动频率0.5Hz。整个微泵包括三个止流阀、三个泵腔、三个压电驱动器，流动微通道以及输入输出端口，三个压电驱动器分别控制，产生一种蠕动式的动作，完成液体的推进。图1-3 压电陶瓷驱动的微泵机构2. 电磁驱动：电磁驱动是指通过外加磁场和磁体的相互作用产生驱动力，由于磁场可以不依靠媒介而存在，因此电磁驱动可以用在比较大的空间范围，同时，电磁驱动力较大，可以产生较大的振幅。由于电磁驱动力的大小与结构尺寸相关，所以在微小型机械中驱动力也会大幅下降，另外电磁驱动采用的电磁材料加工起来比较困难，电磁驱动的能耗也比较高。图1-4是美国明尼苏达州立大学的Tingrui Pan和Eleanor Kai等人研制出的电磁驱动蠕动泵4，是由一个基本层来结合整个微通道，中间层包含驱动膜，顶层的三个腔内分别装入三个小型永磁棒。一个小型直流电机带动各个轴向上交错分布的三个永磁体，用来吸引及安装了薄膜的磁铁，通过轴的旋转带动磁铁产生一种蠕动式的波动，相邻的磁铁磁性相反，用来避免相邻磁铁同时驱动。通过改变转速来调节流量控制，在转速1700rpm的情况下最大流量为24u1/min。图1-4 电磁驱动蠕动式微泵实物3气动（热气动）微泵：热驱动器一般由加热器、振动膜片和密封的气体或者液体组成，对密封的气体或者液体加热然后冷却，密封腔的压力变化使振动膜片产生变形，为微泵提供驱动动力源。热驱动可以在驱动电压低时获得较大的膜片振幅，但是，由于热冷却慢，驱动频率低，一般为几赫兹，同时能耗也大。日本立命馆大学的Ok Chan JEONG和Satoshi KONISHI等人研制的气动泵如图1-7所示5 整个蠕动式微泵包含三个蠕动式驱动器、一个连接着泵腔的微通道以及出口入口，最大流量为0.48u1/sec，频率0.3 Hz。图1-5 气动式蠕动泵Unger等于2000年提出了一种采用多层软光刻技术制作的气聚二甲基硅氧烷（PDMS）微型蠕动泵，由3个PDMS微阀构成。微阀是三层结构，上层是带有微通道的PDMS层，该通道作为气体制动的控制通道，与外部气源相连接；中层为带有微通道的PDMS薄膜，该通道作为液体通道；下层为玻璃衬底。微泵的结构如图1-6所示，依靠3个阀按顺序的开关，实现对通道中液体的驱动。用该种方法制作的微泵，其优点是加工难度低、制作速度快、易于集成，同时芯片上的微泵体积小，能提高芯片的集成度。图1-6 气动式驱动微泵机构热气动致动微泵是由密封的压力室和作为压力室一部分的可移动膜片构成。室腔内的气体通过电加热膨胀产生压力，从而推动膜片工作，致动器的上升时间由热容量和加热器可获得的功率确定，释放时间取决于与外界的热交换。图1-7是一种热气动驱动的蠕动泵结构，其热气动室分为3段，气动室的下部是可变形的膜片，当气动室中的电加热器加热使其内部气体受热膨胀时，推动膜片下压，3个热气动室轮流交替加热冷却，将流体从进口一段逐步压出。图1-7 热气动蠕动式微泵图1-10是泰国计算机中心的AdisornTuantranont WasineeMamanee等人研制的热气动型微泵实物及原理图6，其流量为0.82u1/min，频率0.033Hz。图1-8 热气动蠕动式微泵4. 形状记忆合金驱动蠕动式微泵：形状记忆合金在受热时发生相变，通过给形状记忆合金加热和冷却可以为驱动器提供动力源。日本香川大学的郭书祥教授提出了一种新型的用于生物医学系统的微泵模型，它利用规则缠绕的形状记忆合金作为伺服驱动系统，具有低电压供电，响应速度快等优点7。如图1-9所示，泵由两个扩散孔作为单向阀、弹性管作为泵腔，外加一个保护性外套组成，靠顺次加热记忆合金使弹性管扭曲挤压输送液体。 图1-9 缠绕式记忆合金驱动的微泵 5. 静电驱动式蠕动泵：在微机电系统中静电驱动的方法被广泛的使用，它具有较高的驱动频率、能耗低、响应时间短等优点，但是它要求的驱动电压比较高，对泵的流量影响比较严重，而且体积冲程小，这是由于静电力只有在较小距离范围内才足够大，另外，微泵中还需要防止电路短路的绝缘膜。Teymoori，Ebrahim设计了一种新型蠕动式静电微机械泵8，用于医学上的药物输送等。图1-10 静电驱动的蠕动式微泵6. 磁流体驱动式蠕动泵：带电粒子在磁场中运动时，可以利用洛伦兹力来控制流体，磁流体（又称磁性液体、铁磁流体或磁液），是由强磁性粒子、基液（也叫媒体）以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状溶液。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性，又称磁性液体或铁流体，是一种对磁场敏感可流动的液体磁性材料。韩国松岗大学的Eui-Gyu Kim和WonChul Sim研制的磁流体蠕动泵如图1-11所示9，由聚对二甲苯膜、四个蓄水腔及一个感应器组成。通过外部磁场的变化，磁流体被磁力集中在圆形或多边形的通道中，中间的磁流体液块改变聚对二甲苯膜的形状，推动上层微通道中的液体。褶皱震动膜最大位移240um，电流500mA。图1-11 磁流体驱动式微泵尽管国内外在微泵研究方面取得了很多研究成果，但是到目前为止微泵的驱动电压比较高，而且在同一时间只能输送一种液体，尚不能满足多种液体的定时定量混合输出的要求，同时，对复合型的研究基本空白。本文研究的这两种复合型蠕动式微泵系统均采用形状记忆合金弹簧作为驱动器，其结构设计新颖，可以在较低的电压下工作，并且可以根据流量要求使各微泵单元协调工作，以达到整个微泵系统可以对多种液体按照指定比例混合输出的要求。1.3 本文的主要研究内容1. 了解蠕动泵的工作原理以及蠕动泵的液体输送方式，掌握步进电机的相关控制技术。2. 对蠕动泵与输液量的关系进行分析。集成电路AD654与可编程逻辑器件动泵步进电机控制电路，能实现蠕动泵的平稳运行，而且能进行无级调速。3. 实现步进电机控制蠕动泵的控制电路，演算蠕动泵与步进电机控制的关系。第2章 蠕动泵的驱动系统设计2.1 蠕动泵2.1.1 蠕动泵的工作原理和结构特点 蠕动泵是用挤压弹性软管的方法把管内的气体或液体向前推送；而利用软管弹性恢复时造成的局部真空抽吸后面的气体或液体（如图2-1）10液体脉动地向前流动。a. 充满流体的弹性管道。b. 管道受压，压轮前后流体被封闭。c. 压轮向前运动，推挤流体向前运动，挤压过的管道恢复原形局部真空。d. 由于负压，真空空间被后面的液体填充。只要这种挤压过程连续不断地进行，对流体的抽吸和输送也就不断地形成，从而造成一定的气体或液体流从泵的入口吸入，由泵的出口送出。图2-1 蠕动泵工作原理示意图在弹性软管直径不变的情况下，向前推挤软管的速度一定，则输送流体的量也一定；改变推挤的速度，即可改变管道的流量。在推挤速度一定的情况下，改变软管的口径，亦可改变管道的流量。在同一个泵头上同时挤压多根弹性软管，则可同时输送多个通道的流体。如兰州化工部自动化研究所研制的微量蠕动泵即有十二个通道。在多通道泵上，弹性软管的壁厚是相同的，内径则可以不相同，并由此制成口径不同的一系列泵管，使用时，根据需要编制不同的流量配比关系同时输送多种液体或气体。根据蠕动泵的工作原理，许多国家都制造出规格和大小不同的单通道或多通道蠕动泵。其结构也各具特点。如英国的WATSON-MARLOW 5025/R型蠕动泵（图2-2），1.泵头外壳2.泵管3.压轮 4.中轴5.固定卡图2-2 WATSON-MARLOW5025/R型蠕动泵结构示意图其结构特点为利用两个弹簧来调整两个压轮对管道的压力。图2-3为荷兰CENCO蠕动泵的构造，其特点为压辊较长，压辊和压板之间可以同时嵌入多根泵管，为多通道泵。法国SERFS-AIX公司采用的蠕动泵为偏心轮挤压结构（图2-4），可以在整个圆周上挤压泵管。由以上可以看出，蠕动泵的结构形式尽管多样，但基本的一条是泵管沿着圆周方向被挤压，迫使管内的液体向前流动。1. 电机 2. 左支臂3. 支轴4. 后罩5. 支承板6. 压板 7. 弹性软管 8 .泵轮 9. 轴承座 l0. 右支臂11. 中轴 12. 支架13. 夹板 14. 底座图2-3 SENCO蠕动泵结构示意图1. 泵头外壳2. 泵管3. 轴承 4. 偏心轮 5. 中轴图2-4 SERFS-AIX蠕动泵结构示意图最初发明的蠕动泵，都是通过数个装在转子上的小滚轮不断挤压来保证物流的连续排出。BREDEL公司在数十年的生产实践中，逐渐改进了软管的挤压方式，使每次压放过程都平缓地开始和结束，尽可能地减少突变性。另外，挤压过程中的挤压程度也是决定出口压力和自吸能力的主要因素。如果软管的圆截面在受压后仍有局部的缝隙而造成回流的话，回流的撕扯力会使软管的寿命大大地降低。压脚的压紧程度一般是通过调节其距转子轴心位置来完成的。蠕动泵的转速不应很高，否则的话会降低软管的寿命。选型时，要注意连续运行情况下转速不能超过。只有间断运行时才可能以较高转速运行。因此泵的驱动都是采用电机配减速齿轮箱的型式， 有时用户要求运行当中流量变化也可用无级调速或变频调速的方式。软管在挤压过程中会因容积的缩放不断产生热量，泵的腔体内也因此设计了半腔冷却剂，同时起到润滑其表面的作用。但润滑剂中不含油类等降低其使用寿命的物质。由于它是属于容积式泵类，在性能曲线上与离心泵的性能曲线完全不同图，一般都忽略其效率因素。2.1.2 蠕动泵的应用蠕动泵的工作原理和结构同其它泵类有较大差别，它有着其它泵类难以具备的优点:1. 流体通过泵时不被泵的通道污染；2. 泵本身不被流体污染；3. 工作平稳，无噪音；4. 具有自身注水功能；5. 在同一泵头上易于实现具有一定配比关系的多通道输液；6. 流量精度高，易于实现微量和超微量输液；蠕动泵的应用范围愈来愈广，特别适合于在一些特殊的应用条件下工作。1. 在理化实验室中，它可用作微量和超微量抽液、加液和滴液。使用多通道蠕动泵可以进行多种溶液按比例的合成和输送。对于腐蚀性液体的输送尤为优越。2. 在流动注射分析中，蠕动泵（特别是多通道泵）用于传输被分析样品（气体或液体），整个分析过程自成一体，连续不断地进行。这对于自动分析仪表和工业在线分析仪表是十分重要的。如英国CHEMLAB仪器有限公司的连续流动分析系统SYSTEM4，挪威NORSK公司的工业磷分析仪和过量二氧化碳分析仪，江苏电分析仪器厂的AFIA-01型流动注射分析仪均使用几个或几十个通道的蠕动泵联接整个分析过程。3. 在医疗卫生工作中，蠕动泵作为医疗器械，用作抽液、输液、进食等。亦可作药剂配制及其它临床分析应用。 4. 在环境保护工作中，可用于大气和水质的采样和分析。5. 在化工行业中，可用于化工原料和产品（特别是某些腐蚀性介质）的输送。6. 在食品工业和制药工业中，可用于各种流体食品和药品的输送和配制。其特别之处是定量准确，不污染食品和药品。2.1.3 蠕动泵性能特点1. 泵启动时无需灌泵，自吸能力强，吸程近8m，结构简单且紧凑， 操作维护方便，检修容易。2. 振动小、噪音低、重量轻、运行平稳，不需要制作或浇筑牢固的基础。3. 与相同能力的容积类型的泵比较，其动力消耗小，效率高。4. 泵的轴功率随料排出压力的升高而增大，泵的效率也随之提高。5. 输送介质依靠2根橡胶管，无叶轮、无容室等结构。6. 若将其反向旋转，泵的进出口能倒换使用，且采用承插式连接箍抱紧固，安装拆换迅速。7. 流量和压力不能在直管上采用调节阀来调节，常用旁路调节、转速调节及分向输送等方法，一般采用变频调速或其它变速等先进的节能。2.2 步进电机2.2.1 步进电机的分类现在，在市场上所出现的步进电机有很多种类，依照性能及使用目的等有各自不同的区分使用。举个例子，各自不同的区分使用有精密位置决定控制的混合型，或者是低价格想用简易控制系构成的PM型，由于电机的磁气构造分类， 因此就性能上来说就会有影响，其它的有依步进电机的外观形状来分类，也有由驱动相数来分类，和驱动回路分类等。以步进电机的转子的材料可以分为三大类11。1 PM型步进电机：永久磁铁型2 VR型步进电机：可变磁阻型3 HB型混合型步进电机：复合型1. PM型 PM型步进电机的原理构造如图2-5所示，转子是永久磁铁所构成，更进一步的往这个周围配置了复数个的固定子。转子磁铁为N、S一对，而它的固定子线圈由4个构成，这些因为和步进角有直接关系，所以如需要较微细的步进角时，转子磁铁的极数和发生驱动力的固定子线圈的数不能不对应的增加，还有在图2-5的构造步进角为90。图2-5 PM型步进电机的原理图（2相单极）而且，PM型的特征是因为在转子是永久磁铁构成的，所以就算在无激磁（固定子的任何线圈不通电时）也需在一定程度上保持了转矩的发生，因而，依照利用这种的性质效果，可以构成省能积形的系统。这种的步进电机，它的步进角种类很多，钐钴系磁铁的转子是用在45或者90上，而且这些也可以用氟莱铁（ferrite）磁铁作为多极的充磁，有3.75、11.25、15、18、22.5等丰富的种类，但是从这些数字上看7.5（转48步进）是最为普及化的。2. VR型 VR型步进电机的构造，如图2-6所示，转子是利用转子的突极吸引所发生的转力，因而VR型在无激磁的时候，并不发生保持转矩。图2-6 VR型步进电机的原理图（2相单极）主要的用途适用在比较大的转矩上的工作机械，或者特殊使用的小型起动机的上卷机械上。其它也有用在出力为1W以下的超小型电机上，总之，VR型的数量是非常少的，在步进 电机的全部生产量上只有9%程度而已。还有，步进角的种类有15、7.5、也有1.8，但是在数量上以1.5步进为最普及化。3. HB混合型 混合型步进电机，是由固定子磁（齿）极以及和它对向的转子磁极所构成的，更近一步的它的转子有这多数的齿车状，在这些上是由转轴和在同方向被磁化的永久磁铁所组合而成，还有在构造上比前面的PM型以及VR型更复杂，基本上是可以考虑由VR型和PM型一体化的构造。 hybrid type型有混合型的意思存在，这个刚好是VR型和PM型两者组合的情况，所以就有如此的称呼。一般上混合型，因具有高精度、高转矩、微小步进角和数个优异的特征，所以刚开始在OA关系，其它的分类上也大幅的被使用，特别是在生产量上大半是使用在盘片记忆关系的磁头转送上。还有，在步进角上有0.9、1.8，其它的3.6也有，比起其它的电机而言，具有极细的步进角。图2-7为混合型步进电机的构造图，在此，在固定子上侧有8个激磁线圈部，更近一步的在磁极的先端上有复数的小齿（齿车状突极），这些是对于转子侧的齿车状磁极，还有步进电机的驱动机械装置。图2-7 混合型步进电机的构造图（2相单极）2.2.2 步进电机的结构和工作原理1. 反应式步进电机 反应式步进电机的典型结构。设一台四相的电机，定子铁心由硅钢片叠成，定子上由 8 个磁极（大齿），每个磁极上又分有许多小齿。四相反应式步进电机共有 4 套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子是由叠片铁心构成的，沿四周也有许多小齿，转子上没有绕组。反应式步进电机的工作原理：利用凹极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。下面以一个简单的三相反应式步进电机为例12。图 2-8 所示为一台三相反应式步进电动机的工作原理因。它的定子上有六个极，每极上都装有控制绕组，每个相对两极组成一相。转子只有四个齿，上面没有绕组。输入A相控制绕组通电时，因磁通要沿着磁阻最小的路径闭合，将使转子齿1、3和定子极 A、A对齐。如图 2-8 所示。A相断电、B相控制绕组通电时，转子将在空间转过30。即步距角。使转子齿2、4与定子极B、B对齐，如图 2-24 所示。如再使B相断电。C相控制绕组通电，转子又在空间转过，使转子齿 1、3 和定子极C、C对齐，如图 2-8 示。如此循环往复，并按顺序通电，电动机便按一定的方向转动。电动机的转速取决于控制绕组与电源接通或断开的变化频率。若按A-B-C-A A-C-B-A的顺序通电，则电机反向转动。控制绕组与电源的接通或断开，通常是由电源逻辑线路来控制的。图2-8 三相单三拍运行定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。“单”是指每次只有一相控制绕如通电；“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。三相步进电机除单三拍通电方式外，还经常工作在三相六拍、三相双六拍通电方式 。三相六拍运行的通电循序为：A-AB-B-BC-C-CA-A或是A-AC-C-CB-B-BA-A。也就是说，先A相控制绕组通电；以后A、B相控制绕组通电，转子按逆时针方向转过15；然后断开A相控制绕组，由B相控制绕组单独通电，再使B、C相控制绕组同时通电，依次进行。在这种通电方式时，定子三相控制绕组需经历过六次切换通电状态才能完成一个循环，故称为“六拍”，并在通电时，有时是单个控制绕组通电，有时又为两个控制绕组同时通电，因此称为“单、双六拍”。图 2-9 表示了按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形。1 A相通电 2 A、B相通电 3 B相通电 4 B、C通电图2-9 三相六拍运行由此可见，三相六拍运行时转子每步转过的角度比三相三拍（不论是单三拍还是双三拍）运行时要小一半，因此一台步进电机采用不同的供电方式，就可以控制电机运行时的步距角。在实际使用中，还经常采用三相双三拍的运行方式，就是按AB-BC- CA-AB方式供电，与单三拍运行方式时一样，每个循环绕组通电换接三次，总共有3种通电状态。除了转子每次定位与单三拍有所不同，双三拍供电转子每步转过的角度也是 30。以上讨论的是一台最简单的三相步进电机的工作原理，但是这种步进电机每步所转过的角度即步距角是比较大（或30 ），它常常满足不了系统精度的要求，所以现在大多的转子齿数很多，定子磁极上带有小齿的反应式结构，其步距角可以作得很小。下面进一步说明这种电机的工作原理。设步进电机为四相单四拍运行，即通电方式为A-B-C-D-A当图中的A 相控制绕组通电时，产生了沿AA极轴线方向的磁通，由于磁通力图通过磁阻最小的路径，因而使转子受到反应转矩的作用而转动，直到转子齿轴线和定子磁极A和A上的齿轴线对齐为止。因为转子共有50个齿，每个齿距角，定子一个极距所占的齿数为50/（24）=6.25，不是整数，因此A、A极下的定、转子齿轴线对齐时，相邻两对磁极B、B和 D、D极下的齿和转子齿必然错开1/4齿距角，即1.8，这时，各相磁极的定子齿与转子齿相对位置如图 2-10 所示。如果断开A相而接通B相，这时磁通沿B、B极轴线方向，同样在反应转矩的作用下，转子按顺时针方向转过1.8，使转子齿轴线和定子磁极B和B下的齿轴线对齐。这时，A、A和C、C极下的齿与转子齿又错开1.8。以此类推，控制绕组按顺序循环通电时，转子就按A-B-C-D-A顺时针方向一步一步连续地转动起来，每换接一次绕组，转子转过1/4齿距角。显然，如果要使步进电机反转，那么只要改变通电顺序，即按A-D-C-B-A顺序循环通电时，则转子便按反时针方向一步一步地转动起来，步距角同样为1/4齿距角，即1.8 。如果运行的方式改为四相八拍，其通电方式为A-AB-B-BC-C-CD-D- DA-A即单相通电和两相通电相间时，与上面三相步进电机原理完全一样，当A相通电转到A、B两相同时通电时，定、转子齿的相对位置由图 2.10 所示的位置变为图 2-11 那样的位置（只画出A、B两个极下的齿），转子按顺时针方向只转过1/8齿距角，即0.9，A极和B极下的齿轴线与转子齿轴线都还错开1/8齿距角。转子受到两个极的作用力矩大小相等，但方向相反，故仍处于平衡。当B相一相通电时，转子齿轴线与B极下齿轴线相重合，转子按顺时针方向又转过1/8齿距角。这样继续下去，每换接一次绕组，转子就转过1/8齿距角。可见四相八拍运行时的步距角比四相四拍运行时也小一半。图2-10 A相通电时定、转子齿的相对位置图2-11 A、B两相通电时定、转子齿的相对位置当步进电机运行方式为四相双四拍，即AB-BC-CD-DA-AB方式通电时，步距角与四相单四拍运行时一样为1/4齿距角，即1.8 。2. 永磁式步进电机 永磁式步进电机是转子上安装了永久磁钢的步进电机，它的工作原理是转子上的永磁体建立的磁场，与定子绕组电流建立的磁场相互作用而产生电磁转矩。3. 混合式步进电机 混合式步进电机既有反应式步进电机的高分辨率，每转步数比较多的特点；又有永磁式步进电机的高效率，绕组电感比较小的特点。从结构上看，它通常有多相绕组，它的定转子上开有很多齿槽，类似反应式步进电机。转子上有永久磁铁产生单向的轴向磁场，这与永磁式步进电机相似。如图 2-12，每相绕组绕在8个定子磁极中的4个极上，如：绕组A绕在 1、3、5、7 磁极上，则绕组B绕在 2、4、6、8 磁极上；而且每个相邻的磁极以相反方向绕，这样就使得相邻两个磁极的磁场径向相反。在绕组通电以后，定子和转子上分别形成对应的S极或N极，通过磁场产生的作用力驱使转子转动，实现电机运行。如按照特定的时序激磁，如：A- B-A，电机按一定的方向连续旋转。改变激磁时序，如：A-B- A，电机将沿相反方向旋转。图2-12 混合式电机垂直轴剖面图2.2.3 步进电机运行基本特点根据上述工作原理可以归纳步进电机运行基本特点如下：步进电机工作时每相绕组不是恒定通电，而是由专门驱动电路供给，通过环形分配器按一定规律轮流通电。环形分配器输出的各路脉冲电压信号，经过各自的放大器放大后送入步进电机的各相绕组，使步进电动机转动13-15。如图2-13表示三相步进电机控制方框图。 图2-13 三相步进电机控制方框图步进电机的这种轮流通电方式称为”分配方式”。每循环一次所包含的通电状态数称为”拍数”。而控制电脉冲频率f是每相脉冲电压（或电流）频率fm的N倍，即 (2-14)每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号表示。转子相邻两齿间的夹角，即齿距角为 (2-15)为转子齿数，所以转子每步转过的空间角度，即步距角为 (2-16)其中N为运行拍数，N = km （k =1，2）。为了提高工作精度，就要求步距角很小。要减小步距角可以增加拍数N或增加转子齿数。相数增加相当于拍数增加，但相数越多，电源及电机的结构也越复杂；增加转子齿数，步距角也可减小。反应式步进电机可以按特定指令进行角度控制，也可以进行速度控制。角度控制时，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比，其步数和脉冲数一致。速度控制时，送入步进电机的是连续脉冲，各相绕组不断的轮流通电，步进电机连续运转，它的转速与脉冲频率成正比。每分钟转子所转过的圆周数，即转速为 (2-17)f为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。可见，反应式步进电机转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。步进电机具有自锁能力。控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。综上所述，由于步进电机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件变化的影响，只与控制脉冲同步，同时它又能按照控制要求，实现起动、停止、反转或改变转速。因此，步进电机被广泛地应用于各种数字控制系统中。2.2.4 步进电动机的基本参数步进电机的基本参数有：1. 步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。2. 保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。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，输出功率也速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机的最重要的参数之一。3. 最大静转矩：步进电机在规定的通电相序下，距角特性上的转矩最大值。绕组电流越大，最大静转矩也就越大。按最大静转矩的值可以把步进电机分为伺服步进电机和功率步进电机。4. 步距角：每输入一个电脉冲信号时电机转子转过的角度。5. 起动频率和起动矩频特性：指步进电机能够不失步起动的最高脉冲频率。在一定的负载惯性下，启动频率随负载转矩变化的特性称为起动矩频特性。6. 运行频率和运行矩频特性：步进电机启动后，控制脉冲频率连续上升而维持不失步的最高频率。在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性。7. 额定电流：电机不动时每一相绕组容许通过的电流定为额定电流。8. 额定电压：指驱动电源各相主回路的直流电压。一般它不等于加在绕组两端的电压。9. 矩角特性矩角特性是指在不改变各相绕组的通电状态的条件下，即一相或几相绕组同时通以直流电时，步进电机的电磁转矩与失调角的关系，如图 2-18 所示。图2-18 步进电机的距角特性2.2.5 步进电机的特点1. 一般步进电机的精度为步进角的3%5%，且不累积；2. 步进电机外表允许的最高温度；3. 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在130C以上，有的甚至高达200C以上，所以步进电机外表温度80C-90C完全正常。4. 步进电机的力矩会随转速的升高而下降；5. 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。6. 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。介绍步进电机的一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。7. 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。2.3 本章小结本章主要介绍了蠕动泵和步进电机的种类、结构和工作原理以及应用，为下文实现步进电机的控制提供了坚实的理论基础。第3章 步进电机系统硬件设计方案3.1 V/F集成电路芯片AD654 AD654 16-18是一种将电压信号转换为频率输出（V/F）的集成电路芯片，具有较低的功耗，静态时只需要2mA 的电流。电路结构和引脚功能如图 3-1 所示。它的内部包含一个输入放大器、一个精确的振荡器系统和一个具有较大输出电流的电压输出口。1. 可变频率输出口 2. 逻辑公共端 3. RC 振荡器的电阻接入端4. 电压输入端5. 电源负端 6 ，7. RC 振荡器的电容输入端8. 电源正端图3-1 AD654 集成电路结构图AD654能较好地适应各种供电系统，电源从5V到36V，或者5 18V 都可以，便于在各种系统中应用。由于输入放大器的低温度漂移（一般在4V/）和高达250M 的输入阻抗，所以它能够接收热电偶或者应变仪之类直接传送过来的小信号。与其他大多数V/F变换器不同，AD654提供的是方波输出，能够驱动11个TTL负载或光电耦合器等负载。只需要简单的外围RC电路就能实现宽范围的频率输出（最高可达500kHz），线性度误差在250kHz时只有0.03%，温度系数为50mg/L/ 。3.2 高性能E2CMOSPLD通用阵列逻辑器件GAL16V8图3-2 GAL16v8 如图3-2所示L16V8以最大3.5ns的传输延迟时间，结合高性能的CMOS工艺与电可擦（）悬浮栅工艺可为PLD市场提供最高速度的性能。高速擦写时间（100ns）允许快速和有效的重复编程。依靠输出逻辑宏单元（OLMC）允许用户来构建，这种通用的结构提供了最大的设计灵活性。作为GAL16V8的许多可能结构形式中最重要的一个子集，PAL结构被列在宏单元描述部分的表里面。GAL16V8借助于全部功能、熔丝图、参数的兼容性能够仿真任何一种PAL结构。3.3 微控制器微控制器是智能节点的核心，本设计采用MCU51微内核的处理器。51系列是Intel公司1980年推出的MCS-51系列高档8位单片机。至今20多年来，51系列单片机经久不衰，并且得到极其广泛的应用。近些年来，世界上很多大半导体公司都省产过以8051为内核的单片机，如ATMEL、PHLIPS、SST公司的AT89/P89/ST89系列，越来越多的得到广泛的应用。51系列单片机有多种型号的产品，如普通型80C51、80C31、87C51、89C51，增强型80C32、80C52、87C51、89C52等。它们的结构基本相同，其主要差别反应在存储器的配置上。80C31片内没有程序存储器，80C51内部设有4KB的掩膜ROM程序存储器。87C51是将80C51 片内的ROM换成EPROM，89C51则换成4KB的闪速E2PROM。本设计采用了ATMEL公司生产的AT89C51为智能节点的为控制器。89C51片内有4KBde Flash ROM（程序存储器，只读），128字节的数据存储器，用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。89C51有4个与外部交换信息的8位并行接口，即P0P3。它们都是准双向端口，每个端口有8条I/O线，均可输入/输出。如图3-3所示图3-3单片机系统接口图 3.4 步进电机速度控制电路控制电路如图 3-4 所示。电阻与电位器串联后与电容组成AD654的RC振荡系统。其1脚是集电极开路，外接上拉电阻。AD654输出脉冲的频率f 可按下面的公式计算： (3-5) 其中，为AD654的4脚输入电压。从式（3-5）可以看出，改变AD654 输出脉冲频率的办法有三种，一是改变4 脚的外部输入电压，二是改变电位器的阻值，三是改变电容的电容量。因此输出固定脉冲时，需要事先设定好这三个参数；输出线性变化脉冲时，只需要连续改变其中一个参数或者多个参数。图3-4控制电路图在图 3-4 所示控制电路中，根据实际需要的转速范围，事先调整好电位器和电容的参数，使AD654的输出脉冲频率与输入电压VIN成正比。为了接收上位计算机发出的电流信号（020mA），在电路中设置了电阻，这样就能够在AD654的4脚得到连续变化的输入电压，实现步进脉冲的连续输出，进行无级调速。如果上位计算机发来的是电压信号，则不需要设置电阻；如果是手动调节，可通过外接一个调节电位器来改变AD654的输入电压，实现速度调节。3.5 可编程逻辑器件的应用蠕动泵控制电路中使用的是一台额定电压为24V、额定电流为4A的三相反应式步进电机。这种步进电机的工作方式有三种，即单三拍、双三拍和六拍。步进电机在六拍工作方式时，具有较好的平滑性，能产生较大的旋转力矩，比其他两种工作方式有更好的高频性能。因此控制电路中步进电机采用六拍工作方式。步进电机工作方式通过可编程逻辑器件实现，如图 3-4 所示。电路中的是一种低