【正文】 LS191第五腳為加減法輸入控制端，該輸入端作為方向輸入的控制信號，當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)做加法計(jì)數(shù)，為正轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)為高電平時(shí)做減法計(jì)數(shù)，為反轉(zhuǎn)狀態(tài)。74LS191數(shù)據(jù)輸入端A、B、C、D各管腳接地，11腳是置數(shù)端，當(dāng)它為高電平時(shí)74LS191為計(jì)數(shù)狀態(tài)，當(dāng)它為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，把數(shù)據(jù)端的內(nèi)容（ABCD）裝入計(jì)數(shù)器。2716的管腳OE和CE分別為輸出允許和片選端，使它接地讓它一直處于選通狀態(tài)。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。因此本文選擇步進(jìn)電機(jī)八拍的工作方式。EPROM 。地址內(nèi)容D C B A勵(lì)磁狀態(tài)00H01H0001A01H03H0011AB02H02H0010B03H06H0110BC04H04H0100C05H0CH1100CD06H08H1000D07H09H1001DA08H01H0001A 續(xù)流電路步進(jìn)電機(jī)的控制性能，與各相繞組導(dǎo)通和截止時(shí)電流的增加和衰減速度有關(guān)，對于加速度大、或者運(yùn)行速度高的步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)換速度增加時(shí)，由于繞組電感的作用，電流經(jīng)常不能立即升到額定值，同樣在繞組斷電時(shí)，電流也不能立即衰減到零。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)下一相導(dǎo)通時(shí)，斷電相繞組中的衰減電流對步進(jìn)電機(jī)起制動(dòng)作用。L為繞組電感，R為串聯(lián)回路的總電阻，E為反電動(dòng)勢。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為鎖定狀態(tài)時(shí)，忽略T管的壓降，則繞組的電流為U/R。如果T斷電，繞組中磁場能量將極力保持原有電流的方向。晶體管上的管壓降將隨Ldi/dt正比的增加，這個(gè)峰值電壓的大小可能會(huì)超過一個(gè)晶體管的最大耐壓U，造成晶體管損壞。常用的步進(jìn)電機(jī)可以很容易產(chǎn)生數(shù)值比步進(jìn)電機(jī)外加電壓大的峰值電感電動(dòng)勢。這個(gè)電感電動(dòng)勢必須控制在晶體管安全運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。所以驅(qū)動(dòng)電路除了對步進(jìn)電機(jī)繞組提供導(dǎo)通回路外，還必須提供一個(gè)繞組斷電時(shí)的續(xù)流回路，其作用是既要保證電流的泄放的速度，同時(shí)又要抑制電感電勢，保護(hù)晶體管不受感應(yīng)電動(dòng)勢峰值的沖擊。 一相勵(lì)磁電路 二極管續(xù)流抑制電勢的最簡單的形式是用二極管跨接步進(jìn)電機(jī)繞組的兩端。在繞組導(dǎo)通期間，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)繞組斷電時(shí)，繞組電勢極性反向，二極管處于正向?qū)ǖ臓顟B(tài)，為電流提供一個(gè)續(xù)流回路，二極管把功放管的集射極電壓鉗位到電源電壓+U。當(dāng)一相繞組斷電時(shí)，存儲(chǔ)在繞組中的能量必須消耗在電路的電阻R中，該電阻包括繞組電阻，串聯(lián)電阻和二極管正向?qū)娮?，衰減時(shí)間常數(shù)為L/R。在低速時(shí)，斷電相電流衰減緩慢是允許的，但高速時(shí)，就會(huì)影響步進(jìn)電機(jī)的控制性能。 二極管泄放電路 負(fù)載曲線 二極管—電阻續(xù)流要求高速或變速運(yùn)行時(shí)，斷電繞組的能量必須盡快消耗，這可以通過增加一個(gè)與二極管串聯(lián)的電阻Rs，以減少泄放回路的時(shí)間常數(shù)，此時(shí)斷電回路的時(shí)間常數(shù)為L/(R+Rs)。Rs的最大值取決于集—射極間的擊穿電壓Ucer。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)截止時(shí)，若通過二極管的初始電流為額定電流In，即In=U/R則晶體管集—射極間的壓降為Uce=U+RsIn=U（1+Rs/R）這樣為使UceUcer則 RsR(Ucer/U－1) 二極管—電阻續(xù)流回路 負(fù)載曲線由以上分析可知續(xù)流電路的特點(diǎn)如下：(1) 斷電相的磁場能量總是消耗在回路的電阻上，其中包括電動(dòng)機(jī)繞組自身的電阻。(2) 續(xù)流串聯(lián)電阻的大小因需要保護(hù)功放管的安全而受到限制。(3) 衰減時(shí)間常數(shù)大，在步進(jìn)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩，影響系統(tǒng)的特性。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交、直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備—步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，除與步進(jìn)電機(jī)的自身性能有關(guān)外，在很大程度上也取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該既要保證繞組有足夠的電壓電流，同時(shí)又要保證驅(qū)動(dòng)級功率器件的安全運(yùn)行，另外還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗和較低的成本。驅(qū)動(dòng)級的功率放大器件有中功率晶體管、大功率的晶體管、達(dá)林頓管、可控硅以及各種功率模塊。對于小功率的步進(jìn)電機(jī)，可用中小功率晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，晶體管具有放大倍數(shù)大、線路簡單等優(yōu)點(diǎn)，用于驅(qū)動(dòng)小功率的步進(jìn)電機(jī)（繞組電流在數(shù)百毫安）。對于功率較大的步進(jìn)電機(jī)，由于繞組所需要的電流較大、電壓高、反電動(dòng)勢也大，因此需要用大功率的的晶體管驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與一般電氣設(shè)備驅(qū)動(dòng)的不同點(diǎn)主要有：(1) 各相繞組都是工作在開關(guān)狀態(tài)，多數(shù)電動(dòng)機(jī)的繞組都是連續(xù)的交流或者直流，而步進(jìn)電機(jī)的各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是離散的。(2) 電動(dòng)機(jī)的各相繞組是繞在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組通電時(shí)電流上升率受到限制，因而影響電動(dòng)機(jī)繞組電流的大小。(3) 繞組斷電時(shí)，電感中磁場的儲(chǔ)能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過程中都會(huì)產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢，而截止時(shí)的反電動(dòng)勢將對驅(qū)動(dòng)級器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。(4) 電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢，這些電動(dòng)勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢基本上與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電動(dòng)勢越大，繞組電流越小，從而使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。(5) 電動(dòng)機(jī)繞組中有電感電動(dòng)勢、互感電動(dòng)勢、旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢。這些電動(dòng)勢與外加電源共同作用于功率器件，當(dāng)其疊加結(jié)果使電動(dòng)機(jī)繞組兩端電壓大大超過電源電壓時(shí)，會(huì)使驅(qū)動(dòng)級的工作條件更為惡化。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電流比較大，所以單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都需要專門的接口電路及驅(qū)動(dòng)電路。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程的接口芯片，如8258155等。驅(qū)動(dòng)器可以用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動(dòng)器。本系統(tǒng)為了抗干擾，或避免一旦驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號進(jìn)入單片機(jī)而燒毀器件，因而在驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)之間增加一級光耦隔離器。 驅(qū)動(dòng)電路電路工作原理：當(dāng)A輸出為1時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，因而光敏三極光截止，從而使達(dá)林頓管導(dǎo)通，A相繞組通電。反之當(dāng)A為0時(shí)經(jīng)反相后，使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，從而使達(dá)林頓管截止，A相繞組不通電，控制B、C、D相亦然。總之，只要按一定的順序改變A、B、C、D通電的順序，就可控制步進(jìn)電機(jī)按一定的方向步進(jìn)【5】。 步進(jìn)電機(jī)的變速控制對于大多數(shù)的任務(wù)而言，總希望控制系統(tǒng)能盡快地到達(dá)控制終點(diǎn)。因此要求步進(jìn)電機(jī)的速度盡可能快一些，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。此外一般步進(jìn)電機(jī)對空載最高啟動(dòng)頻率都是有所限制的。所謂的最高空載啟動(dòng)頻率是指步進(jìn)電機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)不失步地進(jìn)入同步狀態(tài)（即步進(jìn)電機(jī)每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度和控制頻率相對應(yīng)的工作狀態(tài)）的最大控制頻率。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，它的啟動(dòng)頻率要低于最高空載啟動(dòng)頻率。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性可知，啟動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，帶負(fù)載的能力越差；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作頻率又遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。由此可見，一個(gè)靜止的步進(jìn)電機(jī)不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動(dòng)的瞬間采取加速的措施。一般來說，~1s之間。系統(tǒng)運(yùn)行起來之后，如果到達(dá)終點(diǎn)時(shí)立即停止，可能會(huì)因系統(tǒng)慣性的原因，發(fā)生沖過終點(diǎn)的現(xiàn)象，使點(diǎn)位控制發(fā)生偏差，所以從高速運(yùn)行到停止也應(yīng)該有減速的措施【6】。為此，提出一種變速控制的程序，該程序的基本思想是，在啟動(dòng)時(shí)，以低于響應(yīng)頻率fs的速度運(yùn)行；然后開始慢慢加速，加速到一定頻率fe后就以此速率恒速運(yùn)行。當(dāng)快要到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，又使其慢慢減速，在低于響應(yīng)頻率fs的速率下運(yùn)行，直到走完所規(guī)定的步數(shù)后就停止運(yùn)行。這樣步進(jìn)電機(jī)便可以以最快的速度走完所規(guī)定的步數(shù)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。因此在點(diǎn)位控制過程中，運(yùn)行速度需要有一個(gè)加速—恒速—減速—低恒速—停止的過程。 點(diǎn)—位控制的加減速過程對于一個(gè)非常短的距離，如在數(shù)步范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的加減速過程沒有實(shí)際意義，只需要按起動(dòng)頻率運(yùn)行即可。對于中等或比較長的運(yùn)行距離，步進(jìn)電機(jī)加速后應(yīng)該有一個(gè)恒速的過程。系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速的時(shí)間盡量短，而恒速時(shí)間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)到終點(diǎn)的時(shí)間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短而恒速時(shí)速度最高。加速時(shí)的起始速度應(yīng)該等于或略小于系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率，而不是從零開始。減速過程結(jié)束時(shí)的速度一般等于或略低于起動(dòng)速度，再經(jīng)數(shù)步低速運(yùn)行后停止。升速的規(guī)律一般有兩種，一是按直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時(shí)加速度為恒定，因此要求步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。但實(shí)際上步進(jìn)電機(jī)升速時(shí)由于反電動(dòng)勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減小，因此輸出的轉(zhuǎn)矩會(huì)有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速時(shí)，加速度是逐漸下降的，接近步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律【7】。由于步進(jìn)電機(jī)的速度正比于脈沖頻率，控制步進(jìn)電機(jī)的速度實(shí)際上就是控制脈沖頻率。用單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，即控制CP脈沖的時(shí)間間隔。升速時(shí)使脈沖逐漸加密，減速時(shí)使脈沖逐漸變疏。本系統(tǒng)采用定時(shí)器中斷來控制步進(jìn)電機(jī)的加減速，實(shí)際上是不斷改變定時(shí)器的定時(shí)初值的大小。在運(yùn)行的過程中用查表的方式查出所需的定時(shí)初值，從而減小占用CPU的時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。步進(jìn)電機(jī)的加減速控制技術(shù)是步進(jìn)電機(jī)控制中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性、升降速的快慢、定位精度等性能，從而決定了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能。采用步進(jìn)電機(jī)的加減速控制可以有效地克服步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)過程中出現(xiàn)失步的問題，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度【8】。 變速控制的方法改變控制方式的變速控制最簡單的變速控制可以利用改變步進(jìn)電機(jī)的控制方式實(shí)現(xiàn)。例如，在三相步進(jìn)電機(jī)中，啟動(dòng)或停止時(shí)，用三相六拍，改用三相三拍的的分配方式，在快到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，再次采用三相六拍的控制方式，以達(dá)到減速的目的。均勻地改變脈沖時(shí)間間隔的變速控制步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時(shí)時(shí)間間隔；在減速時(shí)，可以均勻地增加延時(shí)時(shí)間間隔。具體地說，就是均勻地增加或減少延時(shí)程序中延時(shí)時(shí)間常數(shù)。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是，由于延時(shí)的長短不受限制，使步進(jìn)電機(jī)的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機(jī)的實(shí)時(shí)處理能力。采用定時(shí)器的變速控制在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，可以采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來提供CP脈沖。其方法是將定時(shí)器初始化后，每隔一定的時(shí)間向CPU申請一次中斷，CPU響應(yīng)中斷后便發(fā)出一個(gè)脈沖。此時(shí)只要均勻地改變定時(shí)器時(shí)間常數(shù)，即可達(dá)到均勻加減速的目的【9】。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是減少占用CPU的時(shí)間，提高控制系統(tǒng)的效率和實(shí)時(shí)處理能力。為了提高單片機(jī)的實(shí)時(shí)處理能力，系統(tǒng)采用中斷的方法進(jìn)行調(diào)速。 步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)生產(chǎn)線中的應(yīng)用由于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響比較小，方向和轉(zhuǎn)角控制簡單，并且步進(jìn)電機(jī)能直接接受數(shù)字量的控制，非常適合采用微機(jī)進(jìn)行控制。此外，步進(jìn)電機(jī)不需要位置傳感器或速度傳感器可以在開環(huán)狀態(tài)下定位或同步運(yùn)行，有利于裝置或設(shè)備的小型化和低成本，因而在軟盤驅(qū)動(dòng)器、掃描儀、打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得了到廣泛的應(yīng)用【10】。，它由搬運(yùn)站、供料站、加工站、裝配站和分揀站構(gòu)成，每一個(gè)工作站都可自成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。搬運(yùn)站的功能是向各個(gè)工作單元輸送工件，每完成一道工序就把工件送給下一個(gè)工作站，等加工站完成后再將工件送到裝配站和分揀站整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線的加工過程就完成。搬運(yùn)站的整體運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有定位精確和快速的特點(diǎn)。該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有行程長、多定位點(diǎn)的特點(diǎn)，是一個(gè)典型的一維位置控制系統(tǒng)。因此步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制在自動(dòng)生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，需要步進(jìn)電機(jī)的速度盡可能的快，但為了防止步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)過程中發(fā)生失步，需要按一定的規(guī)律對步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行控制，也就是對步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率進(jìn)行控制。當(dāng)停車時(shí)，由較高的頻率突然降為零頻率，使步進(jìn)電機(jī)立即停止，可能會(huì)由于系統(tǒng)慣性的原因，轉(zhuǎn)子會(huì)沖過終點(diǎn)，結(jié)果使停車不準(zhǔn)確，因此停車也必須有一個(gè)降頻的過程。整個(gè)加減速的控制，如本文所述的步進(jìn)電機(jī)加減速控制。步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)組件由齒輪傳動(dòng)，每轉(zhuǎn)一圈搬運(yùn)站移動(dòng)55mm，如果步距角為θ，每轉(zhuǎn)一圈需要走的步數(shù)N=360176。/θ，那每一步走過的距離為L=55/N。由此可以算出每個(gè)站點(diǎn)之間的需要走的步數(shù)，即需要總的脈沖個(gè)數(shù)。176。的步進(jìn)電機(jī)，從供料站到加工站的距離為470mm，需要總的脈沖個(gè)數(shù)為1709個(gè)【11】。序號站點(diǎn)距離1供料站—加工站470mm2加工站—裝配站286mm3裝配站—分揀站235mm4分揀站—返回工作原點(diǎn)925mm選用的步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，定位精度就越高。步進(jìn)電機(jī)需要走的步數(shù)可以根據(jù)不同距離預(yù)先計(jì)算好，然后在單片機(jī)程序里設(shè)定好，也可以通過上位機(jī)進(jìn)行控制。 本章小結(jié)本章首先分析了步進(jìn)電機(jī)的原理，并總結(jié)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)；其次根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的控制特點(diǎn)，設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和環(huán)形脈沖分配器；為了使控制系統(tǒng)快以最短時(shí)間到達(dá)控制終點(diǎn)，并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的變速控制的方法。最后根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，介紹步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)生產(chǎn)線中的應(yīng)用。第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)的擴(kuò)展和模塊設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則【12】：（1）盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計(jì)的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。（2）硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時(shí)間要比直接用硬件的長，而且占用CPU時(shí)間。所以選擇軟件方案時(shí)，要考慮到這些因素。（3）整個(gè)系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹