【正文】 半。(a) AB相通電 (b) BC相通電 三相雙三拍運行方式 三相六拍通電方式這是一種將一相通電和兩相通電結合起來的運行方式，其具體通電方式為：AABBBCCCAA 或A–ACCBBBAA，即一相通電和兩相通電間隔輪流進行，六種不同的通電狀態(tài)組成一個循環(huán)， 所示，(a)為A相通電時的情況，轉子齒3磁軸與A相磁極軸線重合，當通電狀態(tài)由A轉為AB時，(b) 所示，轉子齒3磁極離開A相磁極軸線，即轉子逆時針轉過15176。這種通電方式每拍同時有兩相繞組通電，三拍為一循環(huán)，轉子為四極的反應式步進電機。穩(wěn)定在轉子齒4對準B相磁極軸線的位置， (c)所示，轉子又將逆時針方向轉動30176。如果改變?nèi)嗬@組的通電順序為ACBA顯然步進電機將按逆時針方向轉動。這種現(xiàn)象也可以這樣來理解，A相通電時，轉子對定子的相對位置不同，則磁路的磁阻也不同，使A相磁路的磁阻為最少的轉子位置，就是該時的穩(wěn)定平衡位置，即轉子穩(wěn)定在轉子軸線和A相磁極軸線相重合的位置。第二章 步進電機控制系統(tǒng)設計 步進電機的原理反應式步進電機的工作原理是與反應式同步電機一樣，也是利用轉子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應轉矩而轉動， 所示是一臺反應式步進電機的工作原理，定子鐵心為凸極式，共有三相，六個磁極，不帶小齒，磁極上裝有控制繞組，相對的兩個磁極串聯(lián)連接，組成一相控制繞組。步進電機控制系統(tǒng)的軟硬件設計根據(jù)步進電機的原理和控制特點，對步進電機控制系統(tǒng)的軟硬件進行分析和設計。研究步進電機的加減速控制，可以提高步進電機的響應速度、平穩(wěn)性和定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能。為此本文以單片機作為控制核心，實現(xiàn)步進電機的自動加減速控制，使系統(tǒng)以最短的時間到達控制終點，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。根據(jù)步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉矩越小，帶負載的能力越差。對于一個步進電機控制系統(tǒng)而言，總希望它能以最短的時間到達控制終點。因此要求步進電機的速度盡可能地快，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。因為步進電機的轉速正比于控制脈沖的頻率，所以調(diào)節(jié)步進電機的轉速，實質上是調(diào)節(jié)單片機輸出的脈沖頻率【1】。 課題的主要研究內(nèi)容步進電機的工作原理通過查閱文獻對步進電機的單拍運行、雙拍運行、單雙拍運行等各種運行方式進行研究，深入了解各種運行方式的特點和對步進電機控制性能的影響。程序的調(diào)試及修改用Keil軟件進行編程和調(diào)試，并且在Proteus環(huán)境下進行系統(tǒng)仿真。轉子用軟磁材料制成，也是凸極結構，只有兩個齒，齒寬等于定子的極靴寬【2】。同樣道理，當A相斷開，接通B相時， (b) 所示，B相磁極對轉子的電磁力將使轉子順時針轉過60176。上述三相三拍運行，表示三種通電狀態(tài)為一個循環(huán)，即三次通電狀態(tài)改變后，又恢復到起始狀態(tài)，一拍對應轉子轉過的角度稱為步距角，通常用θs表示，176。轉子齒3對準C相磁極軸線的位置，由此可見，每通電一次轉子轉過的角度為30176。 (a) 為AB相同時通電的情況， (b) 為BC相通電的情況，可見轉子每步轉過的角度為30176。通電方式由AB轉為B時，(c) 所示，轉子齒4磁極軸線和B相磁極軸線相重合，或轉子齒3磁極軸線離開A相磁極軸線30176。六拍運行方式與雙三拍相同，由一個通電狀態(tài)轉變?yōu)榱硪煌姞顟B(tài)時，也總有一相繼續(xù)保持通電，同樣具有電磁阻尼作用，工作也比較平穩(wěn)。此外，也可以看到同一種通電方式，對于轉子磁極數(shù)不同的步進電機，也會有不同的步距角。環(huán)形分配器的主要功能是把單片機發(fā)出的脈沖信號按一定的規(guī)律分配給步進電機的驅動電路，控制繞組的導通和截止。串行控制時，控制器輸出脈沖信號和方向電平，環(huán)形脈沖分配器把它轉換成并行的驅動信號，再控制繞組的導通和截止。如果全部用硬件來搭成，結構是相當復雜的，不能滿足步進電機驅動系統(tǒng)的需要，為此提出一種用EPROM搭建的環(huán)形分配器，以滿足不同的要求。前面是一個可逆的循環(huán)計數(shù)器，計數(shù)脈沖的有無控制步進電機的運行與停止，計數(shù)器加減控制端控制步進電機的正反轉，如果低電平時計數(shù)器加計數(shù)，步進電機正轉，如果高電平時計數(shù)器減計數(shù)，步進電機反轉。 含有EPROM 環(huán)形脈沖分配器用EPROM設計環(huán)形脈沖分配器，具有如下的特點：線路簡單?？膳懦欠顟B(tài)。由于勵磁狀態(tài)是按運行拍數(shù)循環(huán)的，所以存儲器輸出的狀態(tài)也必須按拍數(shù)循環(huán)出現(xiàn)，這就要求計數(shù)器是可逆計數(shù)器，同時計數(shù)長度是運行循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用CPU的時間，提高了系統(tǒng)的響應速度。當為高電平時做減法計數(shù)，為反轉狀態(tài)。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動力矩又可以提高控制精度。當步進電機下一相導通時，斷電相繞組中的衰減電流對步進電機起制動作用。如果T斷電，繞組中磁場能量將極力保持原有電流的方向。所以驅動電路除了對步進電機繞組提供導通回路外，還必須提供一個繞組斷電時的續(xù)流回路，其作用是既要保證電流的泄放的速度，同時又要抑制電感電勢，保護晶體管不受感應電動勢峰值的沖擊。當一相繞組斷電時，存儲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)電阻和二極管正向導通電阻，衰減時間常數(shù)為L/R。當步進電機截止時，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 負載曲線由以上分析可知續(xù)流電路的特點如下：(1) 斷電相的磁場能量總是消耗在回路的電阻上，其中包括電動機繞組自身的電阻。步進電機驅動系統(tǒng)的性能，除與步進電機的自身性能有關外，在很大程度上也取決于驅動器的優(yōu)劣。對于功率較大的步進電機，由于繞組所需要的電流較大、電壓高、反電動勢也大，因此需要用大功率的的晶體管驅動。(3) 繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結果使應該截止的相不能立即截止。由于旋轉電動勢基本上與電動機轉速成正比，轉速越高，電動勢越大，繞組電流越小，從而使電動機輸出轉矩也隨著轉速升高而下降。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。反之當A為0時經(jīng)反相后，使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導通，從而使達林頓管截止，A相繞組不通電，控制B、C、D相亦然。此外一般步進電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。由此可見，一個靜止的步進電機不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。當快要到達終點時，又使其慢慢減速，在低于響應頻率fs的速率下運行，直到走完所規(guī)定的步數(shù)后就停止運行。對于中等或比較長的運行距離，步進電機加速后應該有一個恒速的過程。減速過程結束時的速度一般等于或略低于起動速度，再經(jīng)數(shù)步低速運行后停止。由于步進電機的速度正比于脈沖頻率，控制步進電機的速度實際上就是控制脈沖頻率。在運行的過程中用查表的方式查出所需的定時初值，從而減小占用CPU的時間，提高系統(tǒng)的響應速度。例如，在三相步進電機中，啟動或停止時，用三相六拍，改用三相三拍的的分配方式，在快到達終點時，再次采用三相六拍的控制方式，以達到減速的目的。這種控制方法的優(yōu)點是，由于延時的長短不受限制，使步進電機的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機的實時處理能力。這種方法的優(yōu)點是減少占用CPU的時間，提高控制系統(tǒng)的效率和實時處理能力。，它由搬運站、供料站、加工站、裝配站和分揀站構成，每一個工作站都可自成一個獨立的系統(tǒng)。因此步進電機的運動控制在自動生產(chǎn)線中得到了廣泛的應用。步進電機傳動組件由齒輪傳動，每轉一圈搬運站移動55mm，如果步距角為θ，每轉一圈需要走的步數(shù)N=360176。的步進電機，從供料站到加工站的距離為470mm，需要總的脈沖個數(shù)為1709個【11】。最后根據(jù)步進電機的優(yōu)點，介紹步進電機在自動生產(chǎn)線中的應用。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應時間要比直接用硬件的長，而且占用CPU時間。（5）單片機外接電路較多時，必須考慮其驅動能力。 系統(tǒng)硬件框圖 主要元件的選擇 單片機的選擇隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計算機有了飛速的發(fā)展。（2） 內(nèi)部集成了4K字節(jié)的在線可編程FlashROM，可滿足大部分系統(tǒng)擴展的需求，編程方更快捷。因此，AT89C51系列單片機以其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設計中得到了廣泛的應用，由于其內(nèi)部功能完善，可以大大減少擴展系統(tǒng)外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在本控制系統(tǒng)的設計中，選用了AT89C51單片機作為中央控制單元。它有讀方式、未選中方式、編程方式、程序檢驗方式、【13】。用74LS164的clk端作為環(huán)形脈沖分配器的CP脈沖信號輸入端，加減計數(shù)控制端作為正反轉控制信號輸入端。同時，環(huán)形脈沖分配器還必須接收控制器發(fā)出的方向電平信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉換是按正序轉換還是反序轉換，于是就決定了步進電機正反轉。 環(huán)形脈沖分配器電路這種方法適用于控制任意類型的步進電機。 顯示電路設計單片機與顯示電路的接法一般有如下兩種方法：（1）串行接法：設計中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅動，其中74LS164帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約I/O口資源，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。 數(shù)碼管顯示電路 外部復位電路設計MCS51系列單片機采用高電平復位方式，為保證CPU內(nèi)部各單元電路可靠復位，RST引腳的復位脈沖高電平維持時間必須大于2個機器周期（即24個振蕩周期）。二極管VD的作用在于：掉電后給電容C提供放電回路，保證再次上電時RST引腳為高電平，使CPU可靠復位。松開復位按鍵后，電容C充電，RST引腳電位下降，使CPU脫離復位狀態(tài)。在系統(tǒng)工作的過程中，數(shù)碼管顯示步進電機需要運行的步數(shù)，并通過LED指示步進電機的工作運行狀態(tài)。應用系統(tǒng)種類繁多，應用軟件各不相同，但是一個優(yōu)秀的應用系統(tǒng)應具有下列特點【15】：（1）軟件結構清楚、簡潔、流程合理。（4）運行狀態(tài)實現(xiàn)標志化管理。（6）實現(xiàn)全面軟件抗干擾設計。 步進電機控制系統(tǒng)功能設計軟件主要功能是單片機根據(jù)設定的步數(shù)，實現(xiàn)步進電機的自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最快的速度走完所設定的步數(shù)，并通過數(shù)碼管和LED顯示步進電機的運行參數(shù)。當步數(shù)為0時，步進電機停止運行。步進電機的初始化狀態(tài)為停止、正轉，數(shù)碼管顯示步數(shù)為0。（3）系統(tǒng)啟動。（5）調(diào)速。 主程序工作流程圖。 主程序流程圖 T0中斷服務程序流程圖 Proteus仿真由于Proteus軟件本身優(yōu)良的仿真特性，所設計的程序能用于Proteus中，完成仿真過程的同時，即基本驗證所設計程序的準確性，從而完成系統(tǒng)開發(fā)中的控制程序的設計部分。通過Proteus軟件的仿真，所編寫的程序達到了預期的效果，仿真實現(xiàn)了程序的調(diào)試過程。另外，74LS164自帶鎖存，起到節(jié)約I/O口資源的作用。這樣在執(zhí)行寫SBUF寄存器操作后，通過查詢TI標志來確定發(fā)送過程是否完成，當發(fā)送完成后需要將TI清零，以便輸出新的串行數(shù)據(jù)【17】。此模塊的功能是判斷是否有鍵按下，沒有按鍵按下則去執(zhí)行其他程序，有鍵按下則延時去抖動，返回鍵值，送鍵值給按鍵處理函數(shù)，再根據(jù)鍵值執(zhí)行相應的功能，系統(tǒng)有15個按鍵，分別數(shù)字鍵、啟動鍵、停止鍵、正轉鍵、反轉鍵、復位鍵。 按鍵的功能與相應鍵碼的定義鍵號功能鍵碼000EEH110DEH220BEH337EH440EDH550DDH660BDH777DH880EBH990DBH10啟動0BBH11停止7BH12正轉0E7H13反轉0D7H14復位0B7H15未定義77H按鍵功能說明：本程序的數(shù)字按鍵用于設定步進電機的運行步數(shù)；啟動停止按鍵用于控制步進電機的啟動與停止；正反轉按鍵用于控制步進電機的正反轉；復位按鍵用于當輸入?yún)?shù)有誤時，可通過復位按鍵重新輸入?yún)?shù)。本系統(tǒng)將步進電機的最高速度設定為99 r/min，最低轉速設定為25 r/min(啟動速度)。=20個脈沖，設轉速為N，則每分鐘需要的脈沖個數(shù)為20N個脈沖，每個脈沖的周期為 (單步時間)【18】： T=1/20N（min）=60/20N（s）=601000000/20N（us）=3000000/N（us）定時器T0的定時時間為：T1=T/2T0的計數(shù)初值：Tx=65536foscT1/12 =6553612T1/12 =65536T/2 =655361500000/N由上式可以算出每個轉速對應T0的計數(shù)初值，例如轉速為25 r/min時對應的T0的計數(shù)初值為Tx=655361500000/25=5536；轉速為99 r/min時對應的T0計數(shù)初值為Tx=655361500000/99=50384；其它轉速對應T0的計數(shù)初值如附錄B所示。完整的程序如附錄A所示。查閱相關資料。編寫應用程序。論文雖然完成了系統(tǒng)的設計，但由于開發(fā)經(jīng)驗不足，系統(tǒng)一定存在不妥之處，尤其是步進電機的應用方面有待進一步的研究和探討。晶振為12M*****************/unsigned int code speed[]={ 5536,7844,9980,11965,13812,15536,17149,18861,20081,21418,22679, //2535 r/min23869,24995,26062,27074,28036,28951,29822,30652,31445,32203, //3645 r/min32927,33621,34286,34924,35536,36124,36