【正文】 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】。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】。具體地說(shuō)，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)。 變速控制的方法改變控制方式的變速控制最簡(jiǎn)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)。本系統(tǒng)采用定時(shí)器中斷來(lái)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。但實(shí)際上步進(jìn)電機(jī)升速時(shí)由于反電動(dòng)勢(shì)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】。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。 點(diǎn)—位控制的加減速過(guò)程對(duì)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(guò)程沒(méi)有實(shí)際意義，只需要按起動(dòng)頻率運(yùn)行即可。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。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。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。 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。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。(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(shì)，這些電動(dòng)勢(shì)的大小和方向?qū)?duì)繞組電流產(chǎn)生很大的影響。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。對(duì)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(jiǎn)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）。 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。Rs的最大值取決于集—射極間的擊穿電壓Ucer。當(dāng)繞組斷電時(shí)，繞組電勢(shì)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。這個(gè)電感電動(dòng)勢(shì)必須控制在晶體管安全運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。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。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(duì)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。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。74LS191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(hào)，當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)做加法計(jì)數(shù)，為正轉(zhuǎn)狀態(tài)。對(duì)于不同的步進(jìn)電機(jī)及不同的勵(lì)磁方式，只需改變存儲(chǔ)的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。因此即使有非法的地址輸入，輸出端輸出的都是截止的信號(hào)，可以保護(hù)驅(qū)動(dòng)器不受損壞。一種線路可以實(shí)現(xiàn)多種勵(lì)磁狀態(tài)方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲(chǔ)不同的狀態(tài)表，除軟件工作之外，硬件無(wú)需改動(dòng)。如果計(jì)數(shù)器做加計(jì)數(shù)，則存儲(chǔ)器按地址遞增的方向依次讀取狀態(tài)表的內(nèi)容，相反，計(jì)數(shù)器做減計(jì)數(shù)，則存儲(chǔ)器按地址遞減方向依次取出狀態(tài)表的內(nèi)容，從而控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。其基本思想是：首先確定步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，再以二進(jìn)制碼的形式存入EPROM存儲(chǔ)器中，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址的內(nèi)容，那么存儲(chǔ)器輸出的就是各相繞組的勵(lì)磁狀態(tài)， 所示，它由兩部分組成。步進(jìn)電機(jī)按類型、相數(shù)來(lái)劃分種類繁多，不同種類、不同相數(shù)、不同分配方式都必須有不同的環(huán)形脈沖分配器，因此所需要的環(huán)形脈沖分配器的類型是很多的。在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，控制器與驅(qū)動(dòng)器之間連接方式可分為串行控制和并行控制。 環(huán)形脈沖分配器要使步進(jìn)電機(jī)正常工作，必須按照該種步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表所規(guī)定的狀態(tài)和次序依次對(duì)各相繞組進(jìn)行通電和斷電控制。通電相數(shù)不同也會(huì)帶來(lái)不同的工作性能。恰好為三相單拍或雙三拍通電方式的一半。(a) AB相通電 (b) BC相通電 三相雙三拍運(yùn)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(lái)的運(yùn)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(jìn)行，六種不同的通電狀態(tài)組成一個(gè)循環(huán)， 所示，(a)為A相通電時(shí)的情況，轉(zhuǎn)子齒3磁軸與A相磁極軸線重合，當(dāng)通電狀態(tài)由A轉(zhuǎn)為AB時(shí)，(b) 所示，轉(zhuǎn)子齒3磁極離開A相磁極軸線，即轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15176。這種通電方式每拍同時(shí)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(jìn)電機(jī)。穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子齒4對(duì)準(zhǔn)B相磁極軸線的位置， (c)所示，轉(zhuǎn)子又將逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)30176。如果改變?nèi)嗬@組的通電順序?yàn)锳CBA顯然步進(jìn)電機(jī)將按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。這種現(xiàn)象也可以這樣來(lái)理解，A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子對(duì)定子的相對(duì)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(shí)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(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(dòng)， 所示是一臺(tái)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(gè)磁極，不帶小齒，磁極上裝有控制繞組，相對(duì)的兩個(gè)磁極串聯(lián)連接，組成一相控制繞組。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的原理和控制特點(diǎn)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。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，從而決定了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能。為此本文以單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)加減速控制，使系統(tǒng)以最短的時(shí)間到達(dá)控制終點(diǎn)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。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。對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)而言，總希望它能以最短的時(shí)間到達(dá)控制終點(diǎn)。軟件部分采用C語(yǔ)言編程，主要包括鍵盤顯示程序、步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速程序、停止判斷程序等。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)摘 要步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，它能按照控制脈沖的要求，迅速起動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。硬件是以AT89C51單片機(jī)為核心的控制電路，主要包括：環(huán)形脈沖分配器、鍵盤顯示電路、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路等。 Singlechip Compute49目 錄摘 要 IAbstract II目 錄 I第一章 引言 1 課題提出的背景和研究意義 1 課題的主要研究?jī)?nèi)容 2 本章小結(jié) 2第二章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 步進(jìn)電機(jī)的原理 3 三相單三拍通電方式 3 三相雙三拍通電方式 5 三相六拍通電方式 6 環(huán)形脈沖分配器 8 續(xù)流電路 12 二極管續(xù)流 13 二極管—電阻續(xù)流 14 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 15 步進(jìn)電機(jī)的變速控制 17 變速控制的方法 20 步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)生產(chǎn)線中的應(yīng)用 20 本章小結(jié) 22第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 23 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 23 控制系統(tǒng)組成 24 主要元件的選擇 24 單片機(jī)的選擇 24 EPROM的選擇 25 可逆計(jì)數(shù)器的選擇 27 控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計(jì) 28 環(huán)形脈沖分配器設(shè)計(jì) 28 顯示電路設(shè)計(jì) 29 外部復(fù)位電路設(shè)計(jì) 30 控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì) 31 本章小結(jié) 32第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 32 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 32 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 33 主程序設(shè)計(jì) 34 主程序工作過(guò)程 34 主程序工作流程圖 35 定時(shí)器T0中斷程序流程圖 35 Proteus仿真 38 顯示程序設(shè)計(jì) 40 鍵盤程序設(shè)計(jì) 41 調(diào)速程序設(shè)計(jì) 42 20BY步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 42 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系 42 本章小結(jié) 44第五章 結(jié)束語(yǔ) 44參考文獻(xiàn) 45第一章 引言 課題提出的背景和研究意義由于步進(jìn)電機(jī)不需要位置傳感器或速度傳感器就可以實(shí)現(xiàn)定位，即使在開環(huán)狀態(tài)下它的控制效果也是令人非常滿意的，這有利于裝置或設(shè)備的小型化和低成本，因此步進(jìn)電機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。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。從高速運(yùn)行到停止也應(yīng)該有一個(gè)減速的過(guò)程，防止步進(jìn)電機(jī)因?yàn)橄到y(tǒng)慣性的原因，而發(fā)生沖過(guò)終點(diǎn)的現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，失步或者過(guò)沖都會(huì)直接影響其控制精度。步進(jìn)電機(jī)的續(xù)流電路根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的控制特點(diǎn)，分析續(xù)流電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制性能的影響，并設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的續(xù)流電路。其次介紹了課題研究的目的和意義，最后介紹了課題的主要研究?jī)?nèi)容。 (a) 所示，而B相和C相不通電時(shí)，A相的兩個(gè)磁極被勵(lì)磁，一個(gè)呈N極另一個(gè)呈S極，由于磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心的電磁吸力，使轉(zhuǎn)子軸線對(duì)準(zhǔn)A相磁極的軸線。如此按ABCA的順序使三相繞組輪流通電，則轉(zhuǎn)子依順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)。 (a)所示，轉(zhuǎn)子齒3對(duì)準(zhǔn)A相磁極軸線重合， (b)所示，轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)30176。 (a) A相通電 (b) B相通電 (c) C相通電 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)锽C相通電時(shí)，B相保持繼續(xù)通電狀態(tài)，C相磁極力圖使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而B相磁極卻起阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，由于沒(méi)有這種阻尼用，所以轉(zhuǎn)子到達(dá)新的平衡位置后會(huì)產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性能遠(yuǎn)不如雙三拍運(yùn)行方式。如此類推，可見步進(jìn)電機(jī)每走一步，將轉(zhuǎn)過(guò)15176。拍數(shù)不同時(shí)，其對(duì)應(yīng)的步