【正文】 8+5V234567891R3RE S P A C K 81 2 3 4 5 6 7 81 啟動(dòng) 1 加速 1 停止 2 啟動(dòng) 2 反轉(zhuǎn) 2 加速 2 停止1 反轉(zhuǎn)D1 D2R44 7 0R54 7 0D3 D4R64 7 0R74 7 0D5 D6R84 7 0R94 7 0D7D8R 1 04 7 0R 1 14 7 0+ 5 V常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 章 緒論 引言 單片機(jī)是現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的新興領(lǐng)域，以單片機(jī)為代表的嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代電子系統(tǒng)時(shí)代的到來。采用嵌入式系統(tǒng)集成器件，將電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從單純的硬件設(shè)計(jì)變?yōu)橹悄芑挠病④浖O(shè)計(jì)，從而使現(xiàn)代電子系統(tǒng)軟硬結(jié)合，具有智能化、系統(tǒng)功能，具有柔韌性及激勵(lì) 運(yùn)行 響應(yīng)等特點(diǎn)。目前，單片機(jī)的價(jià)格己很低廉，這使得單片機(jī)的應(yīng)用更為廣泛，因此就有可能比較普遍地應(yīng)用微機(jī)來控制各類電機(jī)完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機(jī)的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機(jī)的性能更符合使用要求，還可以制造出各種便于控制的新型電機(jī)，使電機(jī)出現(xiàn)新的面貌。 比較簡單的電機(jī)微機(jī)控制，例如在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻讓小型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)或反轉(zhuǎn)之類，只要用微機(jī)控制繼電器或電子開關(guān)元件使電路開通或關(guān)斷就可以了。在各種機(jī)床設(shè)備及生產(chǎn)流水線中，現(xiàn)在已普遍采用帶微機(jī)的可編程控制器，按一定的規(guī)律控制各類電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作。至于復(fù)雜的控制，則要用微機(jī)控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等等，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。通過微機(jī)控制，可使電機(jī)的性能有很大的提高。例如傳統(tǒng)的直流電機(jī)和交流電機(jī) 各有優(yōu)缺點(diǎn)，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能很好，但帶有機(jī)械換向器。有機(jī)械磨損及換向火花等問題，交流電動(dòng)機(jī)，不論是異步電動(dòng)機(jī)還是同步電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)都比直流電動(dòng)機(jī)簡單，工作也比直流電機(jī)可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，它們的速度不能方便而又經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)。交流電機(jī)采用正弦脈寬調(diào)制方式進(jìn)行變頻調(diào)速是比較理想的，但若要用普通的模擬電路或數(shù)電路完成這一任務(wù)，電路相當(dāng)復(fù)雜，用微機(jī)控制就簡單多了。若要進(jìn)一步提高調(diào)速精度及動(dòng)態(tài)性能，可采用矢量控制方案，它的調(diào)速性能將與直流電動(dòng)機(jī)相當(dāng)。但矢量控制比較復(fù)雜，用傳統(tǒng)的模擬電路或數(shù)電路很難做到，而 應(yīng)用微機(jī)控制則能方便地實(shí)現(xiàn)。 步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展 步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)或階躍電機(jī)，國外一般稱為 Stepmotor 或 Stepping motor， Pulse motor， Stepper servo， Stepper 等等 。 目前，隨著電子技術(shù)拉制技術(shù)以及電動(dòng)機(jī)本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)電機(jī)分類間的界面越來越模糊 。 這是機(jī)電一體化元件組件的必然趨勢(shì) 。 就傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)來說，可以簡單地定義為，根據(jù)輸入的脈沖信號(hào)，每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度（或長度），若不改變勵(lì)磁狀態(tài)則保持一定位里而靜止的電動(dòng)機(jī) 。 從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)是一種 受電脈沖常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 信號(hào)控制的無刷式直流電機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電機(jī) 。 步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于基本的電磁鐵作用，其原始模型起源于1830 年至 1860 年間 。 1870 年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氮弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中 。 這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電機(jī)。此后，在電話自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電機(jī)。不久又在缺乏交流電源的船泊和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用 。 20 世紀(jì) 60 年代后期，在步進(jìn)電機(jī)本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推進(jìn)了步進(jìn)電機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用 。 在近 30 年間，步進(jìn)電機(jī)迅速地發(fā)展并成熟起來，從發(fā)展趨向來講，步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)能與直流電機(jī)、異步電機(jī)，以及同步電機(jī)并列，從而成為電機(jī)的一種基本類型。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)一般可分為永磁式步進(jìn)電機(jī) (PM Step Motor)，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) (VR Step Motor)和混合式步進(jìn)電機(jī) (Hybrid Step Motor )三種 。 永磁式步進(jìn)電機(jī)類似于永磁轉(zhuǎn)子的同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，但定子一般為集中式繞組 。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)靠變磁阻原理運(yùn)行，沒有永磁體 。 混合式步進(jìn)電機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動(dòng)用的交流同步電機(jī)而設(shè)計(jì)的，后來發(fā)現(xiàn) 如果各相繞組通以直流脈沖，這種電機(jī)也能步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。它的轉(zhuǎn)子嵌有軸向充磁磁鋼，主要依靠定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于它特殊的結(jié)構(gòu)，它的步距角遠(yuǎn)小于永磁式步進(jìn)電機(jī)，也可看成是一種極對(duì)數(shù)很多的永磁式轉(zhuǎn)子同步電機(jī)。 我國步進(jìn)電機(jī)的研究及制造始于本世紀(jì) 50 年代后期 。 從 50 年代后期到 60年代后期，主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主 。 70 年代初期，步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究有所突破 。 除反映在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長足進(jìn)步外，對(duì)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究發(fā)展到一個(gè)較高 水平 。 70 年代中期至 80 年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電機(jī)不斷被開發(fā)。自 80 年代中期以來，由于對(duì)步進(jìn)電機(jī)精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品廣泛利用 。 自本世紀(jì)中葉，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用滲進(jìn)到數(shù)控制的各個(gè)領(lǐng)域，尤其在（數(shù)控）機(jī)械中廣泛利用其開環(huán)拉制的特點(diǎn) 。 近十幾年來，步進(jìn)電機(jī)在 FA 機(jī)器 (Factory Automation)和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等領(lǐng)域作為控制用電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)而廣泛使用。 研究的內(nèi)容 本論文研究的是反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，以 MCS51 系列單片機(jī)8951 為核心控制 器，采用分頻和頻率選擇控制電機(jī)速度，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制方式，選用 8713 脈沖分配器，它可以驅(qū)動(dòng)三相、四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是基于單片機(jī)的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括控制部分硬件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)部分硬件設(shè)計(jì)、電源供電部分的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 章 總體方案論證與設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)原理及控制技術(shù) 由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設(shè)備 —— 步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖 21 所示： 圖 21 步進(jìn)電機(jī) 運(yùn)行過程中頻率變化曲線 控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號(hào)，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)輸入端，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的目的，步進(jìn)電機(jī)的基本控制包括轉(zhuǎn)向控 制和速度控制兩個(gè)方面。從結(jié)構(gòu)上看，步進(jìn)電機(jī)分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍 3 種，其基本原理如下： 1． 換相順序的控制 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進(jìn)電機(jī)在單三拍的工作方式下，其各相通電順序?yàn)?A→B→C→A ，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A、 B、 C 相的通斷。三相雙三拍的通電順序?yàn)?AB→BC→CA→AB ，三相六拍的通電順序?yàn)?A→AB→B→BC→C→CA→A 。 2．步進(jìn)電機(jī)的換向控制 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式為三相六拍，即 A→AB→B→BC→C →CA→A 。如果按反序通電換相，即常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) A→AC→C→CB→B→BA→A ，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。 3．步進(jìn)電機(jī)的速度控制 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。 4．步進(jìn)電機(jī)的起?？刂? 步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，減小振動(dòng)，可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波，可以減小步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，跳過電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)， 為了防止因慣性而使電機(jī)軸產(chǎn)生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 5．步進(jìn)電機(jī)的加減速控制 在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果信號(hào)變化太快，步進(jìn)電機(jī)由于慣性跟不上電信號(hào)的變化，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。所有步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須有加速過程，在停止時(shí)波形有減速過程。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī)整個(gè)降速過程頻率變化規(guī)律是整個(gè)加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。選定的曲線比較符合步進(jìn)電機(jī)升降過程的運(yùn)行規(guī)律，能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響 應(yīng)性好，縮短了升降速的時(shí)間，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。在一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負(fù)載的情況來選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱為“啟動(dòng)頻率”，于此類似“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然關(guān)斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。電機(jī)的啟動(dòng)頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速控制。加速過程有突然施加的脈沖啟動(dòng)頻率 f0。步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率（突跳頻率）一般為 到 3~4KHz，而最高運(yùn)行頻率則可以達(dá)到N*102KHz，以超過最高 啟動(dòng)頻率的頻率直接啟動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。 在一般的應(yīng)用中，經(jīng)過大量實(shí)踐和反復(fù)驗(yàn)證，頻率如按直線上升或下降，控制效果就可以滿足常規(guī)的應(yīng)用要求。用 PLC 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加 P 減速控制，實(shí)踐上就是控制發(fā)脈沖的頻率。加速時(shí)，使脈沖頻率增高，減速則相反。如果使用定時(shí)器來控制電機(jī)的速度，加減速控制就是不斷改變定時(shí)中斷的設(shè)定值。速度從v1~v2 變化，如果是線性增加，則按給定的斜率加 P 減速；如果是突變，則按階梯加速處理。在此過程中要處理好兩個(gè)問題： (1)速度轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)盡量短。為了縮短速度轉(zhuǎn)換的時(shí)間，可以采用建立數(shù) 據(jù)表的方法。結(jié)合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率，就可以建立一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)表，并通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時(shí)初始表。通過在不同的階段調(diào)用相應(yīng)的定時(shí)初值，就可控制電機(jī)的運(yùn)行。定時(shí)初值的計(jì)算是在定時(shí)中斷外實(shí)現(xiàn)的，并不占用中斷時(shí)間，保證電機(jī)的高速運(yùn)行。 (2)保證控制速度的精確性。要從一個(gè)速度準(zhǔn)確達(dá)到另一個(gè)速度，就要建立一個(gè)校驗(yàn)機(jī)制，以防超過或未達(dá)到所需速度。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6．步進(jìn)電機(jī)的換向控制 步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)，一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)在換向，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最 后一個(gè)脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè)脈沖前發(fā)出。對(duì)于脈沖的設(shè)計(jì)主要要求其有一定的脈沖寬度、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換實(shí)質(zhì)包含了降速→換向→加速 3 個(gè)過程。 步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn)： (1)步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。 (2)由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價(jià)，也非常可靠。同時(shí)，它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 (3)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。 (4)速 度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得很大的轉(zhuǎn)矩，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 (5)步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接用交流電源或直流電源。 (6)步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)比較大，帶慣性負(fù)載的能力強(qiáng)。 方案論證 從該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求可知，該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向，速度應(yīng)該有增減 變化，通常用加減按鈕控制速度，這樣只要 2 根口線，再加上一根方向線盒一根啟動(dòng)信號(hào)線共需要 4 根輸入線。系統(tǒng)的輸出線與步進(jìn)電機(jī)的繞組數(shù)有關(guān)。這里選進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)共有四相繞組，工作電壓為 +5V，可以 個(gè)單片機(jī)共用一個(gè)電源。步進(jìn)電機(jī)的四相繞組用 P1 口的 ~ 控制，由于 P1 口驅(qū)動(dòng)能力不夠，因而用一片 2803 增加驅(qū)動(dòng)能力。用 P0 口控制第一數(shù)碼管用于顯示正反轉(zhuǎn)，用 P2 口控制第二個(gè)數(shù)碼管用于顯示轉(zhuǎn)速等級(jí)。數(shù)碼管采用共陽的。 總體硬件組成框圖 總體硬件組成框圖如圖 22 所示。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 22 總體硬件組成框圖 元器件介紹 1．步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片 機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。 步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（ PM），反應(yīng)式（ VR）和混合式 (HB)，步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動(dòng)，反轉(zhuǎn)和制動(dòng)的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，由于開環(huán)下就能實(shí)