【正文】 著微電子技術(shù)、大功率電力電子器件及驅(qū)動技術(shù)的進(jìn)步，目前發(fā)達(dá)國家的驅(qū)動器已進(jìn)入恒相電流與細(xì)分技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)階段，使步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行振蕩很小、高速運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩維持不變。采用AT89C52單片機(jī)內(nèi)部的定時器改變CP脈沖的頻率從而實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)調(diào)速與正反轉(zhuǎn)的功能，并使用EDA軟件Proteus對設(shè)計進(jìn)行了仿真。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；調(diào)速系統(tǒng)；ProteusAbstract：Stepper motor is the open—loop control device changing the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement．The speed of stepper motor is controlled by turning the CP pulse frequency by the internal timer of AT89C52 single chip microputer。內(nèi)容與要求內(nèi)容：用單片機(jī)設(shè)計一步進(jìn)電機(jī)控制儀要求：編程語言為匯編語言控制硬件電路基于單片機(jī)的三個輸入輸出口控制器功能包括：開關(guān)四個，分別為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止以及一固定的運(yùn)轉(zhuǎn)由單片機(jī)輸出脈沖對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行啟動、制動、相位。定子結(jié)構(gòu)包括定子磁極，繞組線圈和絕緣材料組成。轉(zhuǎn)子由環(huán)形永磁體及兩段鐵心組成，環(huán)形永磁體在轉(zhuǎn)子的中部，軸向充磁，使轉(zhuǎn)子一端極化為南磁極，另一端極化為北磁極。圖31 混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)2混合式步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理圖32為三相混合式步進(jìn)電機(jī)的簡化模型，定予為三相六極，三相繞組分別繞在相對的兩個磁極上，繞組通電時這兩個磁極的極性是相同的，它的每段轉(zhuǎn)子鐵心上有八個小齒。C’極下的情況分別與G，B，C極下的情況相同。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，a段轉(zhuǎn)子鐵心對應(yīng)的A相極下氣隙磁導(dǎo)減小，b段轉(zhuǎn)子鐵心對應(yīng)的A相極下氣隙磁導(dǎo)增大，使得A相主磁路上的總磁導(dǎo)基本不變，其它相通電時也一樣，所以沒有轉(zhuǎn)矩。從轉(zhuǎn)子a端到定子的a端，軸向到定子的b端、轉(zhuǎn)子的b端，經(jīng)磁體閉合。當(dāng)外加力矩使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置時，例如轉(zhuǎn)子向逆時針方向轉(zhuǎn)了一個小的角度A0，則兩段定轉(zhuǎn)子齒的相對位景及作用轉(zhuǎn)矩的方向，如圖33(a)、(b)所示，由于沿圓周方向電機(jī)結(jié)構(gòu)的對稱性，圖中只畫出了通電相一個極下的情況。上述電機(jī)任意二個相鄰定子磁極軸線間的夾角為360／6=60，每一個轉(zhuǎn)子齒距所對應(yīng)的空間角度為360／8=45’。／45。此時C相磁極沿CB’A方向分別超前a，b段轉(zhuǎn)子齒1／1／3齒距；A相磁極沿CB’A方向分別超前a’b段轉(zhuǎn)子齒一I／0，1／3齒距。同理，如果按專c一口專寸口斗的順序輪流通電，轉(zhuǎn)子沿AB’C方向以較慢的速度斷續(xù)轉(zhuǎn)動。電角度；rTB、TC分別是A、B、C繞組通反向電流時的轉(zhuǎn)矩。若三相繞組同時通電，例如當(dāng)A、C繞組中通正向電流，B繞組中通反相電流時，合成轉(zhuǎn)矩TABC為單相通電時的2倍。對步進(jìn)電機(jī)加一系列連續(xù)不斷的脈沖時，它可以連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子的平均轉(zhuǎn)速正比于脈沖的頻率，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度等于步距角與脈沖數(shù)量的乘積。除了三相單六拍運(yùn)行方式外，三相混合式步進(jìn)電機(jī)還可以在不同的通電方式下運(yùn)行，有4種基本邏輯通電方式瑚?：(1)3拍通電方式：有22相通電和33相通電兩種運(yùn)行方式。常用的二種典型通電方式為：2—2相6拍通電方式和2—3相12拍通電方式。電機(jī)定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角0叫做失調(diào)角，用電角度表示。在步進(jìn)電機(jī)某一相控制繞組通電時，如果該相磁極下的定子齒與異極性的轉(zhuǎn)子齒對齊，那么失調(diào)角0=0，靜轉(zhuǎn)矩T=O，如圖35(a)所示：如果定子齒與異極性轉(zhuǎn)子齒未對齊，即00(出現(xiàn)切向磁力，其作用是使轉(zhuǎn)子齒與定子齒盡量對齊，即使失調(diào)角日減小，故為負(fù)值，如圖35(b)所示。步進(jìn)電機(jī)在靜轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然有一個穩(wěn)定平衡位置。石是不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。當(dāng)空載時步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)如圖27所示，通電順序?yàn)锳—B——C—A。同理，當(dāng)C相通電時，又由b轉(zhuǎn)到c．點(diǎn)，然后停在曲線C的穩(wěn)定平衡點(diǎn)c處。轉(zhuǎn)子停止不動。圖3—8 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)運(yùn)行如果負(fù)載較大，轉(zhuǎn)子未轉(zhuǎn)到曲線A，B的交點(diǎn)就有T=TL，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，當(dāng)A相斷電B相通電，轉(zhuǎn)到曲線B后TTL，電機(jī)不能作步進(jìn)運(yùn)動。在改變各相通電狀態(tài)的瞬間，只要失調(diào)角在動態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)。啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為起動矩頻特性，又稱牽入特性。進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域越容易，起動頻率就越高。另外，隨著頻率的提高，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的反電勢增加，使繞組電流減小，也使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩下降。脈沖輸入越多，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度就越多；輸入脈沖的頻率越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越快。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進(jìn)電機(jī)作為一種高可控性的特種電機(jī)，利用其沒有誤差積累(精度為100％)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。大量的元件庫支持大型設(shè)計，而且在仿真中還可以觀察各元件的狀態(tài)。系統(tǒng)軟件編寫遵循模塊化設(shè)計的原則，代碼具有良好的易維護(hù)性和可移植性。圖42 系統(tǒng)電路圖 驅(qū)動電路的設(shè)計步進(jìn)電機(jī)不能直接采用直流或者普通交流來供電，必須采用專門的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制器，其驅(qū)動控制器一般包括脈沖發(fā)生與分配單元、功率驅(qū)動單元，閉環(huán)控制電路中還將加入反饋和保護(hù)單元。脈沖分配器的主要功能是把來源于控制環(huán)節(jié)的時鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的各相輸入端，控制勵磁繞組的導(dǎo)通或者截止。一相激勵方式是指每一時刻四相中只有一相接通，步進(jìn)電機(jī)以此方式工作時，溫升較高，電源功率功耗小，但是當(dāng)速度較高時容易產(chǎn)生失步；二相激勵方式是指每一個時刻四相中有兩相導(dǎo)通，然后按四相的順序循環(huán)；一至二相激勵方式使步進(jìn)電機(jī)工作在半步狀態(tài)，與整步工作狀態(tài)相比較，半步狀態(tài)振動較小，且控制更準(zhǔn)確。 顯示電路及控制按鍵(1)本設(shè)計的顯示部分采用RTl602字符顯示模塊，與采用數(shù)碼管相比，硬件連接和軟件調(diào)試上都有優(yōu)勢。通常按鍵所用的開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，因此機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時均會有一系列的抖動。軟件消抖的方法是指，檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個10 ms左右(具體時間可以調(diào)整)的延時程序產(chǎn)生延時，等電壓穩(wěn)定后再讀取按鍵的狀態(tài)，從而消除抖動。在循環(huán)過程中，若產(chǎn)生中斷，則程序就轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。圖43 主程序流程圖5Proteus仿真結(jié)果和硬件電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 Proteus仿真結(jié)果當(dāng)連接好仿真圖和載入AT89C52的執(zhí)行文件后，單擊Proteus的仿真啟動按鈕則開始對本系統(tǒng)的仿真。(3)每按一次K3／速度加后，電機(jī)的速度將提高一個級別，當(dāng)連續(xù)按下7次后，電機(jī)將以6級速度30 r／mint轉(zhuǎn)，直到9級最高速120 r／min。再次按下K1／啟動停止鍵，步進(jìn)電機(jī)將以暫停前的速度繼續(xù)運(yùn)行。 結(jié)果分析(1)由于仿真是基于軟件實(shí)現(xiàn)的，所以與在硬件實(shí)物上運(yùn)行的真實(shí)系統(tǒng)比較，仿真系統(tǒng)在實(shí)時性上有所降低，尤其本系統(tǒng)采用中斷方式控制轉(zhuǎn)速，計時器功能與實(shí)際相比，存在一定延時和誤差，故造成仿真中電機(jī)的轉(zhuǎn)速與硬件實(shí)物的轉(zhuǎn)速有較大的誤差。而在硬件實(shí)物中，本設(shè)計電機(jī)控制的精度良好，沒有出現(xiàn)失步或抖動。最后通過Proteus進(jìn)行仿真，取得了良好的結(jié)果，與硬件實(shí)物結(jié)果基本一致。在這次課程設(shè)計中，通過用單片機(jī)控