步进电机控制技术在教学演播系统中的应用.docx

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步进电机控制技术在教学演播系统中的应用

步进电机控制技术在教学演播系统中的应用

摘要

人类社会进入自动化时代的今天，步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。

传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。

当传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统要求的时候，一系列新的具备控制功能的电动机系统便诞生了。

其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类，便是步进电动机。

本文从实际工作出发，描述教学演播拍摄工作对电机的需求，步进电机的原理和特点，针对实际需求提出了的通过细分驱动与平滑启停的改善电机的工作性能，使步进电机更好地为教学演播系统服务。

本文还给出了两相步进电机的驱动电路原理图，给出了实现步进电机的细分驱动与平滑启停的程序代码，结合几位作者作出的步进电机驱动器实物和计算机端控制程序，大家可以直观看到电机转动的演示。

通过使用该技术之前和之后拍摄的视频画面，可以明显看出，电机转动控制技术大大提高了运动镜头拍摄视频的稳定性，减小了转动噪音。

关键字：

步进电机教学演播系统细分驱动PWM平滑启停

目录

一教学演播系统简介-1-

二电机技术在教学演播系统中的应用-1-

三步进电机特点（优点，缺点）-2-

四步进电机的脉冲驱动原理-3-

4.1结构：

-3-

4.2四相电机旋转：

-4-

4.3二相电机旋转：

-5-

4.4特点：

-5-

五步进电机的细分驱动和平滑启停技术原理-7-

六步进电机细分驱动的实现--电路描述-8-

6.1概述步进电机细分驱动的实现--电路描述-8-

6.2为了实现方便，我们选用了STC12C5404作为单片机芯片。

该芯

片具有如下特点：

-9-

6.3由于12C5404采用1T的机器周期，速度非常快。

另外，该芯片

具有4个PWM模块，被广泛应用于包括电机驱动的各种场合。

-10-

6.3.1PWM技术-10-

6.3.2PWM技术中脉冲宽度调节优点-10-

6.3.3PWM技术控制方法-11-

七步进电机细分驱动的实现--单片机控制程序-13-

八计算机端控制程序与通信协议设计-19-

九致谢-19-

十附录-19-

十一参考文献-19-

一教学演播系统简介

教学演播室系统是利用现代信息技术，电子控制技术，光学控制技术,发展高素质教育的一种教育方式。

随着通信技术和信息处理技术的成熟，教学演播室显著地增强了教与学两方面的交互能力，快速地，有效地提高教学水平，并可将优质的教学资源大面积的推广出去。

教学演播系统的主要功能是：

进行教学或其他学校活动场合的现场拍摄、录制和直播。

该系统采用多种先进设备来保证教学活动的有效进行。

当前学校主要现状是电教老师人数少，工作量大，而学校对优质教学视频资源的需求又十分强烈。

所以，对一套好的教学演播系统的要求是：

以少量的人力，完成高质量教学影片的拍摄制作。

二电机技术在教学演播系统中的应用

一部好的教学影片，要求场景周到，切换及时准确，构图和镜头运用恰当。

使用教学演播系统拍摄制作教学影片，很大一部分工作是影片的拍摄。

而影片的拍摄工作主要集中在镜头的运用上。

而镜头的运用，用专业的术语来说，就是摄像机的P/T/Z操作。

所谓P/T/Z操作，就是摄像机的水平（Pan）垂直（Tilt）转动和变焦（Zoom）操作，而摄像机的P/T操作，从硬件设备上说，就需要使用云台带动摄像机做相应动作，而云台的执行部件就是电机。

电机是一种把电能转换成机械能的器件，电机的种类很多，目前常用的直流电机、无刷电机、步进电机、伺服电机、VCM音圈电机等。

作为视频拍摄的专业应用，云台对控制电机有自己特殊的要求：

转动速度要够快，转动要平稳，电机的启动和停止要稳定，噪音要小，电机转动的角度和速度要可控，电机位置要有回馈。

综合成本，控制，应用要求，步进电机比较适合云台应用。

三步进电机特点（优点，缺点）

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的单步误差和累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

作为一种广泛使用的执行部件，步进电机具有以下特点：

1、可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。

2、位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度的组成闭环控制系统。

3、无刷，电动机本体部件少，可靠性高。

4、易于起动，停止，正反转及速度响应性好。

5、停止时可有自锁能力。

6、步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，通常可以在超低转速下高转距稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。

7、速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。

8、步进电动机带惯性负载能力较差。

9、由于存在失步和共振，步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。

10、需要专用的控制器控制，不能直接使用普通的交直流电源驱动。

结合演播系统对云台控制电机的要求，步进电机的开环控制、精度高、速度调节范围宽等优点适合演播系统应用。

但是，脉冲信号驱动和共振的特点，会带来转动噪音大，启动和停止抖动剧烈的问题。

这些问题的存在，又制约了步进电机在教学演播系统中的应用。

四步进电机的脉冲驱动原理

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。

步进电机必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，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。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机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。

两相步进电机的应用最为广泛，也是本文所选用的步进电机。

下面以二、四相感应子式步进电机为例子讲述步进电机的工作原理。

4.1结构：

电机定子有四个励磁绕阻，转子均匀分布着很多小齿，并加有永磁体使转子轴向分布若干对N-S齿极，且N、S齿极互相错开1/2τ（τ为相邻两转子齿轴线间的距离，即齿距）。

定转子齿几何轴线依次向左错开：

0、1/4τ、2/4τ、3/4τ。

以下为四相电机定、转子展开后的工作原理图（见图1）。

4.2四相电机旋转：

以四相单四拍即A—B—C—D—A通电方式，转子不受外力为例。

第一拍：

当A相通正向电流（如图示电流方向），B、C、D相不通电时，有工作原理图可看出，定子A极产生S极磁场，由于磁场作用，转子N1齿将与定子A极轴线与相对齐，而N2齿与B极，N3齿与C极，N4齿与D极，N5齿与A极的轴线以次向右错开1/4τ,2/4τ,3/4τ,1τ。

（如图1）

第二拍：

当B相通正向电流，A、C、D相不通电时，N2齿将于B极轴线相对齐，此时转子向右转过1/4τ，而N3齿与C极，N4齿与D极，N5齿与A极轴线以次向右错开1/4τ,2/4τ,3/4τ。

同理，第三拍C相通正向电流，转子又向右转过1/4τ。

第四拍D相通正向电流，D与N4相对齐，转子再次向右转过1/4τ,N5齿与A极轴线向右错开1/4τ。

当再到A相通正向电流时，N5齿与A极轴线相对齐，至此转子转过一个齿距τ，如果不断地按A-B-C-D-A…通电，电机就按每步（每脉冲）1/4τ向右连续旋转。

如按A-D-C-B-A……通电，电机则反转。

如果通的不是正向电流而是反向电流，定子产生的不是S极而是N极，每相通电时对应的S齿与其轴线向对齐，旋转的方向不变。

4.3二相电机旋转：

不难发现：

当A通正向电流时N1齿与A极轴线相对齐，S3齿与C极轴线向对齐，与C相通反相电流的效果一样。

A相通反向电流和C相通正向电流的效果一样。

同样B相和D相的关系与A和C的关系一样。

在A相通正向电流时同时在C相通反向电流，在C相通正向电流时同时在A相通反相电流，在通B、D相电流时也一样。

这样的通电方式显然比四相单四拍通电时励磁绕组的利用率高，电机产生的力矩大。

用A表示A相通正相电流，

表示A相通反向电流，B表示B相通正向电流，

表示B相通反向电流。

四相单四拍A—B—C—D—A通电方式就可以用A—B—

—

—A单四拍的通电方式。

这种只有A，B二种励磁绕组通电方式称二相驱动，这样的电机称二相电机。

4.4特点：

感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。

因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。

感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。

一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。

（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。

例如：

四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=A,D=B.一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致（二相电机的绕组见图2），小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，更可以作二相电机绕组串联或并联使用,灵活地改变电机的性能。

二相运行时，A，B相电流波形如下：

图32相4拍运行时AB相电流波形图

五步进电机的细分驱动和平滑启停技术原理

如上所述，电机在2相4拍运行时，由于采用脉冲驱动，每拍电机转动1.8度，这就造成电机转动时抖动很大，同时噪声也很大。

为了提高电机转动平滑性，减少噪音，从技术上采用2点措施：

一是把本来脉冲驱动的驱动电流分成更多步，从而减小抖动，减小噪音；二是采用平滑启停的技术，根据启停的速度曲线，在启动和停止的时候人为添加加减速处理，从而使启动和停止更加平滑。

下面分别描述一下这两种技术。

细分驱动技术就是用正余弦函数波形代替驱动脉冲，使电机转动更加平滑。

如图4。

在单片机技术中，IO口的输出只能是高电平和低电平。

为了产生正弦波，我们采用PWM（Pulse-WidthModulation）技术，模拟产生正弦波。

图42相步进电机平滑电流驱动的A、B相电流波形

由于步进电机的工作特性，如果直接采用一定频率的驱动信号来驱动电机，电机的转速是恒定的。

在启动和停止的时候没有任何缓冲，这就造成电机的启停瞬间抖动比较大。

为了减少启停的抖动，业界常常采用变速启停技术。

在启动时以比较慢的速度启动，逐渐加快速度，直到正常转速；停止时让速度逐渐减小，直到完全停止。

如果把速度V看成时间t的函数，函数V（t）的图像就是升速或降速曲线。

以升速曲线为例，有S型升速曲线，有梯型升速曲线，有指数型升速曲线。

根据电机的负载和使用场合不同，可以选用不同的升降曲线。

为简单起见，我们没有做过多的试验，就选用了如下的指数型升速曲线。

同样为简单起见，我们选用升