【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(jié)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(zhuǎn)子齒3磁軸與A相磁極軸線重合，當通電狀態(tài)由A轉(zhuǎn)為AB時，(b) 所示，轉(zhuǎn)子齒3磁極離開A相磁極軸線，即轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子為四極的反應(yīng)式步進電機。穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子齒4對準B相磁極軸線的位置， (c)所示，轉(zhuǎn)子又將逆時針方向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。這種現(xiàn)象也可以這樣來理解，A相通電時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置，就是該時的穩(wěn)定平衡位置，即轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在轉(zhuǎn)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(shè)計 步進電機的原理反應(yīng)式步進電機的工作原理是與反應(yīng)式同步電機一樣，也是利用轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動， 所示是一臺反應(yīng)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(shè)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(shè)計。研究步進電機的加減速控制，可以提高步進電機的響應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)速，實質(zhì)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(zhuǎn)子用軟磁材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)子的電磁力將使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)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(fù)到起始狀態(tài)，一拍對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，通常用θs表示，176。轉(zhuǎn)子齒3對準C相磁極軸線的位置，由此可見，每通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的角度為30176。通電方式由AB轉(zhuǎn)為B時，(c) 所示，轉(zhuǎn)子齒4磁極軸線和B相磁極軸線相重合，或轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動電路，控制繞組的導(dǎo)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(zhuǎn)換成并行的驅(qū)動信號，再控制繞組的導(dǎo)通和截止。如果全部用硬件來搭成，結(jié)構(gòu)是相當復(fù)雜的，不能滿足步進電機驅(qū)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(zhuǎn)，如果低電平時計數(shù)器加計數(shù)，步進電機正轉(zhuǎn)，如果高電平時計數(shù)器減計數(shù)，步進電機反轉(zhuǎn)。 含有EPROM 環(huán)形脈沖分配器用EPROM設(shè)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(yīng)速度。當為高電平時做減法計數(shù)，為反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。當步進電機下一相導(dǎo)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(qū)動電路除了對步進電機繞組提供導(dǎo)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(yīng)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?qū)娮瑁p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(qū)動系統(tǒng)的性能，除與步進電機的自身性能有關(guān)外，在很大程度上也取決于驅(qū)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(qū)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(jié)果使應(yīng)該截止的相不能立即截止。由于旋轉(zhuǎn)電動勢基本上與電動機轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電動勢越大，繞組電流越小，從而使電動機輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)該有一個恒速的過程。減速過程結(jié)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(yīng)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(gòu)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(yīng)用。步進電機傳動組件由齒輪傳動，每轉(zhuǎn)一圈搬運站移動55mm，如果步距角為θ，每轉(zhuǎn)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(yīng)用。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)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(qū)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(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換是按正序轉(zhuǎn)換還是反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進電機正反轉(zhuǎn)。 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(shè)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(shè)計中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅(qū)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(fù)位電路設(shè)計MCS51系列單片機采用高電平復(fù)位方式，為保證CPU內(nèi)部各單元電路可靠復(fù)位，RST引腳的復(fù)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(fù)位。松開復(fù)位按鍵后，電容C充電，RST引腳電位下降，使CPU脫離復(fù)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(yīng)用系統(tǒng)種類繁多，應(yīng)用軟件各不相同，但是一個優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)具有下列特點【15】：（1）軟件結(jié)構(gòu)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(shè)計。 步進電機控制系統(tǒng)功能設(shè)計軟件主要功能是單片機根據(jù)設(shè)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(shè)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(zhuǎn)，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(wù)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(shè)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(shè)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(shè)計部分。通過Proteus軟件的仿真，所編寫的程序達到了預(yù)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(yīng)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(zhuǎn)鍵、反轉(zhuǎn)鍵、復(fù)位鍵。 按鍵的功能與相應(yīng)鍵碼的定義鍵號功能鍵碼000EEH110DEH220BEH337EH440EDH550DDH660BDH777DH880EBH990DBH10啟動0BBH11停止7BH12正轉(zhuǎn)0E7H13反轉(zhuǎn)0D7H14復(fù)位0B7H15未定義77H按鍵功能說明：本程序的數(shù)字按鍵用于設(shè)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(zhuǎn)按鍵用于控制步進電機的正反轉(zhuǎn)；復(fù)位按鍵用于當輸入?yún)?shù)有誤時，可通過復(fù)位按鍵重新輸入?yún)?shù)。本系統(tǒng)將步進電機的最高速度設(shè)定為99 r/min，最低轉(zhuǎn)速設(shè)定為25 r/min(啟動速度)。=20個脈沖，設(shè)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速對應(yīng)T0的計數(shù)初值，例如轉(zhuǎn)速為25 r/min時對應(yīng)的T0的計數(shù)初值為Tx=655361500000/25=5536；轉(zhuǎn)速為99 r/min時對應(yīng)的T0計數(shù)初值為Tx=655361500000/99=50384；其它轉(zhuǎn)速對應(yīng)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(guān)資料。編寫應(yīng)用程序。論文雖然完成了系統(tǒng)的設(shè)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(yīng)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