中心議題：

• 步進電機的速度特性
• 步進電機控製係統結構
• 步進電機控製數學模型

解決方案：

• 細分驅動電源
  ，提高步進精度和定位精度
• 采用8253定時器產生脈衝方波

步進電機區別於其他控製用途電機的最大特點是，它可接受數字控製信號（電脈衝信號）並轉化成與之相對應的角位移或直線位移
，因而本身就是一個完成數字模擬轉化的執行元件。
　　
而(er)且(qie)它(ta)能(neng)進(jin)行(xing)開(kai)環(huan)位(wei)置(zhi)控(kong)製(zhi)，輸(shu)入(ru)一(yi)個(ge)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)就(jiu)得(de)到(dao)一(yi)個(ge)規(gui)定(ding)的(de)位(wei)置(zhi)增(zeng)量(liang)。這(zhe)樣(yang)的(de)增(zeng)量(liang)位(wei)置(zhi)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)直(zhi)流(liu)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)相(xiang)比(bi)，其(qi)成(cheng)本(ben)明(ming)顯(xian)降(jiang)低(di)，幾(ji)乎(hu)不(bu)必(bi)進(jin)行(xing)係(xi)統(tong)調(tiao)整(zheng)。因(yin)此(ci)
，步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)數(shu)控(kong)機(ji)床(chuang)、機器人
、遙控、航天等領域
，特別是微型計算機和微電子技術的發展，使步進電機獲得更為廣泛的應用。
　　
步進電機的速度特性
　　
步進電機的轉速取決於脈衝頻率、轉(zhuan)子(zi)齒(chi)數(shu)和(he)拍(pai)數(shu)。其(qi)角(jiao)速(su)度(du)與(yu)脈(mai)衝(chong)頻(pin)率(lv)成(cheng)正(zheng)比(bi)
，而(er)且(qie)在(zai)時(shi)間(jian)上(shang)與(yu)脈(mai)衝(chong)同(tong)步(bu)。因(yin)而(er)在(zai)轉(zhuan)子(zi)齒(chi)數(shu)和(he)運(yun)行(xing)拍(pai)數(shu)一(yi)定(ding)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，隻(zhi)要(yao)控(kong)製(zhi)脈(mai)衝(chong)頻(pin)率(lv)即(ji)可(ke)獲(huo)得(de)所(suo)需(xu)速(su)度(du)。由(you)於(yu)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)是(shi)借(jie)助(zhu)它(ta)的(de)同(tong)步(bu)轉(zhuan)矩(ju)而(er)啟(qi)動(dong)的(de)
，為(wei)了(le)不(bu)發(fa)生(sheng)失(shi)步(bu)
，啟(qi)動(dong)頻(pin)率(lv)是(shi)不(bu)高(gao)的(de)。特(te)別(bie)是(shi)隨(sui)著(zhe)功(gong)率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)
，轉(zhuan)子(zi)直(zhi)徑(jing)增(zeng)大(da)，慣(guan)量(liang)增(zeng)大(da)，啟(qi)動(dong)頻(pin)率(lv)和(he)最(zui)高(gao)運(yun)行(xing)頻(pin)率(lv)可(ke)能(neng)相(xiang)差(cha)10倍之多。
　　
weilechongfenfahuidianjidekuaisuxingneng，tongchangshidianjizaidiyuqidongpinlvxiaqidong，ranhouzhubuzengjiamaichongpinlvzhidaosuoxiwangdesudu，suoxuanzedebianhuasulvyaobaozhengdianjibufashengshibu，bingjinliangsuoduanqidongjiasushijian。weilebaozhengdianjidedingweijingdu，zaitingzhiyiqianbixushidianjicongzuigaosuduzhubujianxiaomaichonglvjiangdaonenggoutingzhidesudu（等於或稍大於啟動速度）。因此
，步進電機拖動負載高速移動一定距離並精確定位時，一般來說都應包括“啟動－加速－高速運行（勻速）－減速－停止”五個階段
，速度特性通常為梯形，如果移動的距離很短則為三角形速度特性
，如圖１所示。


圖1步進電機的速度曲線
　　
步進電機控製係統結構
　　
PC機在適當的時刻通過對硬件控製電路上的8253計數器0賦初值，設置好加減速過程的頻率變化（即速度
、加速度變化）

，以yi防fang止zhi失shi步bu。例li如ru
，在zai點dian位wei控kong製zhi中zhong設she置zhi好hao速su度du曲qu線xian圖tu，在zai起qi動dong和he升sheng速su時shi，使shi步bu進jin電dian機ji產chan生sheng足zu夠gou的de轉zhuan矩ju驅qu動dong負fu載zai，跟gen上shang規gui定ding的de速su度du和he加jia速su度du；在減速時
，下降特性使負載不產生過衝

，停止在規定的位置。硬件控製電路板上的8253chanshengmaichongfangbozuoweizhongduanxinhaoyuan，qidongxifenqudongdianluzhongdeguhuachengxuyichanshengyidingpinlvdemaichong，jinggonglvfangdahouqudongbujindianjiyundong。bujindianjiyundongfangxiangdegaibianjiqidonghetingzhijunyoujisuanjikongzhiyingjiankongzhidianlushixian。


圖2步進電機控製係統
　　
軟件和硬件結合起來一起進行控製，具有電路簡單、控kong製zhi方fang便bian等deng優you點dian。在zai這zhe種zhong控kong製zhi中zhong
，微wei機ji軟ruan件jian占zhan用yong的de存cun儲chu單dan元yuan少shao
，程cheng序xu開kai發fa不bu受shou定ding時shi限xian製zhi。隻zhi要yao外wai部bu中zhong斷duan允yun許xu，微wei機ji就jiu能neng在zai電dian機ji的de每mei一yi步bu之zhi間jian自zi由you地di執zhi行xing其qi他ta任ren務wu，以yi實shi現xian多duo台tai步bu進jin電dian機ji的de運yun動dong控kong製zhi。
　　
定時器初值的確定
　　
步進電機的實時控製運用PC機
，脈衝方波的產生采用8253定時器，其計數器0工作於方式0以產生脈衝方波，計數器1工作於方式1起記數作用，8253計數器0的鍾頻由2MHz晶振提供。設計算機賦給8253計數器0的初值為D1，則產生的脈衝方波頻率為f1=f0/D1，周期為T1=1/f1=D1/f0，D1=f0T1=f0/f1。其中，f1為啟動頻率，f0為晶振頻率。
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步進電機升降速數學模型
　　
為使步進電機在運行中不出現失步現象，一般要求其最高運行頻率應小於（或等於）步進響應頻率fs。在該頻率下，步進電機可以任意啟動、停止或反轉而不發生失步現象。步進電機升降速有兩種驅動方式
，即三角形與梯形驅動方式（見圖1），而(er)三(san)角(jiao)形(xing)驅(qu)動(dong)方(fang)式(shi)是(shi)梯(ti)形(xing)驅(qu)動(dong)的(de)特(te)例(li)，因(yin)而(er)我(wo)們(men)隻(zhi)要(yao)研(yan)究(jiu)梯(ti)形(xing)方(fang)式(shi)。電(dian)機(ji)的(de)加(jia)速(su)和(he)減(jian)速(su)是(shi)通(tong)過(guo)計(ji)算(suan)機(ji)不(bu)斷(duan)地(di)修(xiu)改(gai)定(ding)時(shi)器(qi)初(chu)值(zhi)來(lai)實(shi)現(xian)的(de)。

在電機加速階段，從啟動瞬時開始
，每產生一個脈衝，定時器初值減小某一定值，則相應的脈衝周期減小
，即脈衝頻率增加
；在(zai)減(jian)速(su)階(jie)段(duan)，定(ding)時(shi)器(qi)初(chu)值(zhi)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)，則(ze)相(xiang)應(ying)的(de)脈(mai)衝(chong)周(zhou)期(qi)增(zeng)大(da)，脈(mai)衝(chong)頻(pin)率(lv)減(jian)小(xiao)，對(dui)應(ying)梯(ti)形(xing)脈(mai)衝(chong)頻(pin)率(lv)特(te)性(xing)的(de)減(jian)速(su)階(jie)段(duan)。該(gai)設(she)計(ji)的(de)關(guan)鍵(jian)是(shi)確(que)定(ding)脈(mai)衝(chong)定(ding)時(shi)tn
，脈衝時間間隔即脈衝周期Tn和脈衝頻率fn。假設從啟動瞬時開始計算脈衝數
，加速階段的脈衝數為n，並設啟動瞬時為計時起點
，定時器初值為D1，定時器初值的減量為△。從加速階段的物理過程可知，第一個脈衝周期，即啟動時的脈衝周期T1=D1/f0，t1=0。由於定時器初值的修改，第2個脈衝周期T2=(D1-△)/f0=T1-△/f0，脈衝定時t2=T1，則第n個脈衝的周期為：
　　Tn=T1-(n-1)△/f0（1）
　　
脈衝定時為：
   (2)
脈衝頻率為：
　　1/fn=Tn=T1-(n-1)△/f0（3）
　　
上式分別顯示了脈衝數n與脈衝頻率fn和時間tn的關係。令△/f0=δ，即加速階段相鄰兩脈衝周期的減量，則上述公式簡化為：
　　tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)δ/2(4)
　　1/fn=T1-(n-1)δ (5)
　　
聯立（4）、（5）

，並簡化fn與tn的關係，得出加速階段的數學模型為：

      (6)
其中，是常數，其值與定時器初值及定時器變化量有關，A=-δ,B=(2T1+δ)2,C=8δ。
　　
加速階段脈衝頻率的變化為：

    (7)
從（6）

、（7）式(shi)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，在(zai)加(jia)速(su)階(jie)段(duan)，脈(mai)衝(chong)頻(pin)率(lv)不(bu)斷(duan)升(sheng)高(gao)
，且(qie)加(jia)速(su)度(du)以(yi)二(er)次(ci)函(han)數(shu)增(zeng)加(jia)。這(zhe)種(zhong)加(jia)速(su)方(fang)法(fa)對(dui)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)十(shi)分(fen)有(you)利(li)
，因(yin)為(wei)啟(qi)動(dong)時(shi)，加(jia)速(su)度(du)平(ping)緩(huan)

，一(yi)旦(dan)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)速(su)度(du)，加(jia)速(su)度(du)增(zeng)加(jia)很(hen)快(kuai)。這(zhe)樣(yang)一(yi)方(fang)麵(mian)使(shi)加(jia)速(su)度(du)平(ping)穩(wen)過(guo)渡(du)

，有(you)利(li)於(yu)提(ti)高(gao)機(ji)器(qi)的(de)定(ding)位(wei)精(jing)度(du)，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)可(ke)以(yi)縮(suo)短(duan)加(jia)速(su)過(guo)程(cheng)
，提(ti)高(gao)快(kuai)速(su)性(xing)能(neng)。
　　
對於減速階段
，按照與上述類似的分析方法，可以得出脈衝頻率特性的表達方式為：

  (8)
   (9)

其中，A=-δ,B=(2T1-δ)2,C=8δ，T1為減速開始時脈衝周期，δ為減速階段相鄰兩個脈衝周期的增量。由於T1>>δ，則B=4T12

，由（8）
、（9）式shi可ke以yi看kan出chu，脈mai衝chong頻pin率lv在zai減jian速su階jie段duan不bu斷duan下xia降jiang，且qie加jia速su度du為wei負fu，絕jue對dui值zhi以yi二er次ci函han數shu減jian小xiao。這zhe種zhong減jian速su性xing能neng對dui步bu進jin電dian機ji同tong樣yang有you利li，它ta使shi步bu進jin電dian機ji在zai減jian速su時shi能neng夠gou平ping穩wen地di停ting止zhi而er沒mei有you衝chong擊ji，提ti高gao了le機ji器qi的de定ding位wei精jing度du。
　　
綜上所述
，可以得出本設計的脈衝頻率特性（見圖3）。


圖3脈衝頻率特性

該方法已經成功的應用於本人設計的智能運動控製單元，通過開發Windows環境下的控製軟件，利用VC++設計良好的控製接口界麵
，方便地實現了運動方式、速度
、加減速的選擇和位置控製，具有一定程度的智能。該控製單元減少了PC機ji被bei占zhan用yong時shi間jian，以yi便bian於yu在zai電dian機ji運yun行xing的de同tong時shi去qu完wan成cheng別bie的de工gong作zuo，從cong而er實shi現xian了le三san台tai步bu進jin電dian機ji的de加jia減jian速su和he速su度du及ji位wei置zhi控kong製zhi。並bing且qie利li用yong了le細xi分fen驅qu動dong電dian源yuan
，提ti高gao了le步bu進jin精jing度du和he定ding位wei精jing度du。