【正文】 間到達(dá) 控制終點(diǎn)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象 。 研究步進(jìn)電機(jī)的加減速控制， 可以提高 步進(jìn)電機(jī)的 響應(yīng)速度、 平穩(wěn)性 和 定位精度 等 性能 ， 從而 決內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 2 定 了步進(jìn)電機(jī)控制 系統(tǒng)的綜合性能。 步進(jìn)電機(jī) 控制 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的原理和控制特點(diǎn)，對步進(jìn)電機(jī) 控制 系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行 分析和 設(shè)計。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 3 第二章 步進(jìn)電機(jī)控 制系統(tǒng)設(shè)計 步進(jìn)電機(jī)的原理 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理是與反應(yīng)式同步電機(jī)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，如圖 所示是一臺反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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。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。如果改變?nèi)鄡?nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 4 繞組的通電順序為 ACBA 顯然 步進(jìn) 電機(jī)將按逆時針 方向 轉(zhuǎn)動。 ，穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子齒 4 對準(zhǔn) B 相磁極軸線的位置，當(dāng) C 相通電時如圖 (c)所示，轉(zhuǎn)子又將逆時針方向轉(zhuǎn)動 30176。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 5 (a) A 相通電 (b) B 相通電 (c) C 相通電 圖 轉(zhuǎn)子為四 極 的三相步進(jìn)電機(jī) 三相雙三拍通電方式 如 果 將 步進(jìn) 電 機(jī) 的 控 制 繞 組 的 通 電 方 式 改 為 ： ABBCCAAB 或ACCBBCCA。例如由 AB 相通電變?yōu)?BC 相通電 時 ， B 相保持繼續(xù)通電狀態(tài)， C 相磁極力圖使轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動，而 B 相磁極卻起阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以 步進(jìn) 電機(jī)工作比較平穩(wěn)，三相單三拍運(yùn)行時，由于沒有這種阻尼用，所以轉(zhuǎn)子到達(dá)新的平衡位置后會產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性能遠(yuǎn)不如雙三拍運(yùn)行方式。 角，即轉(zhuǎn)子又逆時針方向運(yùn)行了一步，相應(yīng)的角度為 15176。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 7 (a) A 相通電 (b) AB 相通電 (c) B 相通電 (d) BC 相通電 圖 三相六拍通電方式 通過分析可知一臺步進(jìn)電機(jī)可以有不同的通電方式， 即 可以有不同的拍數(shù) 。 步距角θ s 可由 式 (11)求得 【 3】 θ s=360176。同時步進(jìn)電機(jī)有正反轉(zhuǎn)的要求，所以環(huán)形脈沖分配器的輸出既有周期性又有可逆性?？刂泼}沖信號的有無就能控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行和停止，脈沖信號的頻率決定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，方向電平控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。 EPROM 存儲器是一種紫外線擦除的可編程只讀存儲器，存儲器的內(nèi)容可內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 9 以由使用者自己編程，且可以用紫外線照射后重新使用。計數(shù)器的計數(shù)長度應(yīng)等于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一個周期的拍數(shù)或拍數(shù)的整數(shù)倍，計數(shù)器的輸出端接 到 EPROM 的地址線上，并且使 EPROM 總是處于讀出的狀態(tài)，這樣計數(shù)器的每個計數(shù)狀態(tài)都對應(yīng)存儲器的一個地址，存儲器的輸出端就對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的一種勵磁狀態(tài)。由可逆循環(huán)計數(shù)器和存儲器兩部分組成，計數(shù)器可以用現(xiàn)有的器件實現(xiàn)，計數(shù)長度可以用簡單的外圍電路實現(xiàn)。驅(qū)動電路輸入非法狀態(tài)可能 會 損壞驅(qū)動電路。實際上，使用 RPROM 設(shè)計 的 環(huán)形脈沖器是一種軟 硬 件結(jié)合的技術(shù)，通過軟件的編程可以實現(xiàn)不同勵磁方式的輸出。 軟件方法 的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省硬件，降低系統(tǒng)的成本，且更改靈活，有利于系統(tǒng)的小型化，其主要的缺點(diǎn)是占用 CPU 時間較多，降低 系統(tǒng)的響應(yīng) 速度 。 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 74LS191 為計數(shù)狀態(tài)，當(dāng)它為低電平時，計數(shù)器停止計數(shù)，把數(shù)據(jù)端的內(nèi)容（ ABCD）裝入計數(shù)器。 因此本文 選擇步進(jìn)電機(jī)八拍的工作方式。 如圖 所示 為一相勵磁時的 等效 電路。晶體管上的管壓降將隨 Ldi/dt 正比的增加，這個峰值電壓的大小可能會超過一個晶體管的最大耐壓 U，造成晶體管損壞。 圖 一相勵磁電路 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，如 圖 所示。在低速時，斷電相電流衰減緩慢是允許的 ，但高速時，就會影響步進(jìn)電機(jī)的控制性能 。 (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。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路應(yīng)該既要保證繞組有足夠的電壓電流，同時又要保證驅(qū)動 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。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路與一般 電氣 設(shè)備驅(qū)動的不同 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。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。 (5) 電動機(jī)繞組中有電感電動勢、互感電動勢、旋轉(zhuǎn)電動勢。驅(qū)動器可以用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動器。反之當(dāng) 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(dá)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。當(dāng)快要 到達(dá) 終點(diǎn)時，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 。對于中等或比較長的運(yùn)行距離，步進(jìn)電機(jī)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 19 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(yùn)行后停止。 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)的速度實際上就是控制脈沖頻率。在運(yùn)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(jìn)電機(jī)中，啟動或停止時，用三相六拍，大約在 秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到達(dá)終點(diǎn)時，再次采用三相六拍的控制方式，以達(dá)到減速的目的 。 這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是，由于延時的長短不受限制，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)的實時處理能力 。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)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 。 自動生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)如圖 所示，它由搬運(yùn)站、供料站、加工站、裝配站和分揀站構(gòu)成，每一個工作站都可自成一個獨(dú)立的系統(tǒng)。因此步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制在自動生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用。 圖 自動 生產(chǎn) 線結(jié)構(gòu)示意圖 步進(jìn)電機(jī)傳動組件由齒輪傳動，每轉(zhuǎn)一圈搬運(yùn)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(jìn)電機(jī)，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】 。 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)計步進(jìn)電機(jī) 的 驅(qū)動電路和環(huán)形脈沖分配器 ；為了使 控制系統(tǒng)快 以最短時間到達(dá) 控制終點(diǎn) ， 并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性設(shè)計步進(jìn)電機(jī)的變速控制的方法。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。 （ 4）可靠性及抗干擾性設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。 控制系統(tǒng)組成 控制 系統(tǒng) 硬件電路 主 要由鍵盤顯示電路、工作狀態(tài)顯示電路、環(huán)形脈沖分內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 24 配器、 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動電路、 51 單片機(jī) 、 電源 及復(fù)位六 部分組成。而 ATMEL公司的 AT89C51 系列單片機(jī)是當(dāng)今具有較高性能的單片微型計算機(jī) 系列產(chǎn)品之一，特別適用于要求實時處理、實時控制的各類自動控制系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變 頻 調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)等。 （ 5） 內(nèi)部具有 256 個字節(jié)的 RAM 和 3 個 16 位定時器，可以存 放系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)和滿足定時或計數(shù)功能擴(kuò)展的需要。 EPROM 是以浮柵型 MOS 管作存儲單元，它里面存儲的內(nèi)容可以通過紫外線光的照射而被擦除，而且又可再用電流脈沖對其重新編程 寫入程序或數(shù)據(jù)，而且還可多次進(jìn)行擦除和重寫，故稱為可擦除可編程 ROM，因而 EPROM 得到了廣泛的應(yīng)用。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 26 圖 2716 管腳 排列 2716 管腳定義如下： A0— A10：地址線， 11 位 (對應(yīng) 2K 存儲單元 )地址信號 輸入 引腳 ； O7— O0： 8 位雙向 數(shù)據(jù)線，編程時作數(shù)據(jù)輸入線，讀出時作數(shù)據(jù)輸出線； CE ：片選允許輸入 端 ， 低電平有效； OE ： 數(shù)據(jù)輸出 允許 控制信號引腳 ，低電平有效； Vpp： +25V 電源，用于專用裝置上進(jìn)行寫操作 ； 表 2716 工作方式 引腳 方式 CE /PGN OE Vpp O7 — O0 讀出 低 低 +5V 程序讀出 未選中 高 X +5V 高阻 編程 正脈沖 高 +25V 程序?qū)懭? 程序校驗 低 低 +25V 程序讀出 編程禁止 低 高 +25V 高阻 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 27 可逆計數(shù)器的選擇 由于環(huán)形脈沖分配器不但需要 接收 脈沖信號 CP，還需要接收方向電平，因此所選的計數(shù)器需要是一個可逆的計數(shù)器。 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(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。 環(huán)形脈沖分配器 電路如圖 所示。 為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，本文采用硬件設(shè)計 環(huán)形 脈沖分配器。 數(shù)碼管顯示 電路 是 通過串行口方式 0 擴(kuò)展單片機(jī)的輸出口， 在“串入并出”芯片 74LS164 的配合下，單片機(jī) RXD 引腳接 74LS164 串行數(shù)據(jù)輸入端， TXD引腳接 74LS164 移位脈沖輸入端 CLK，電路 如圖 所示 【 14 】 。在電容充電過程中， RST 引腳的電位逐漸下降，當(dāng) RST 引腳的電位小于某一特定值后， CPU 就會脫離復(fù)位狀態(tài)，只要 電容 C 的容量足夠大，就能保證 RST引腳高電平時間大于 24 個振蕩周期，使 CPU 可靠復(fù)位。 手動復(fù)位： 當(dāng)按下手動復(fù)位按鈕時，電容 C 通過 R2 放電，當(dāng)電容 C 放電內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 31 結(jié)束后， RST 引腳電位由 R R1 分壓比決定，由于 R2R1，因此 RST 引腳為高電平， CPU 進(jìn)入復(fù)位狀態(tài) 。 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，可以提高步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 32 第 四 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件系統(tǒng)設(shè)計原則 系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計的，應(yīng)可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。 （ 3）程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)規(guī)格合理，既能節(jié)約內(nèi)存容量，又操作方便。 規(guī)范化的程序便于交流、借鑒，也為今后的軟件模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化打下基礎(chǔ)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括主程序 ，定時器 T0 啟動 程序， 調(diào)速程序，鍵盤顯示程序， 停止判斷 程序。當(dāng)輸入的步數(shù)大于 100 時，步進(jìn)電機(jī)從最低速度 25 r/min 開始加速運(yùn)行，當(dāng)加速到 99 r/min 時步數(shù)仍大于 100 時，步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定的最大速度 99 r/min 恒速運(yùn)行，當(dāng)步數(shù)小于 100 時，步進(jìn)電機(jī)開始減速，減速到 25 r/min 時，步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速 25 r/min 走完所規(guī)定的步數(shù)。系統(tǒng)初始化包 括定時器 T0 初始化，步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 34 的初始化。按鍵功能包括數(shù)字按鍵，啟動按鍵，停止按鍵，正轉(zhuǎn)按鍵，反轉(zhuǎn)按鍵 、復(fù)位按鍵 等功能按鍵 。 T0 的中斷服務(wù)程序 主要 用于 根據(jù)步數(shù) ， 產(chǎn)生一個頻率可 以 改變的脈沖信號，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī) 的 加減速過程。 判斷是否已經(jīng)走完所設(shè)定的步數(shù)，若步數(shù)為 0，則單片機(jī)停止產(chǎn)生脈沖信號， 讓 步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動 ，即 T0 停止計數(shù) 。 T0 中斷程序 的 主要功能是能根據(jù)設(shè)定的步數(shù)產(chǎn)生一個頻率可調(diào)的脈沖信號， 從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 并將調(diào)速范圍控制在 25～ 99 r/min。在圖中簡單的反映出了整個控制系統(tǒng)的主程序 工作 流程。根據(jù)輸入的步數(shù)判斷是否需要進(jìn)行調(diào)速，使控制系統(tǒng)以最短的時間走完所規(guī)定的 步數(shù)。單片機(jī)讀取開關(guān)狀態(tài) 標(biāo)志 ，判斷是否啟動系統(tǒng)。 （ 2）鍵盤掃描及