【正文】 of control circuit, mainly including: cycle pulse distributor, keyboard and display circuit, stepping motor driving circuit, etc. Software part adopts the C language programming, mainly including keyboard and display program, stepping motor speed control program, stop judging program, etc. Key words: Stepping motor control system。因此要求步進(jìn)電機(jī)的速 度 盡可能地快 ， 但如果速度太快，則可能 發(fā) 生失步。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?yàn)?步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié) 單片機(jī)輸出 的脈沖頻率 【 1 】 。 課題的主要研究?jī)?nèi)容 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 通過查閱文獻(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的單拍運(yùn)行、雙拍運(yùn)行、單雙拍運(yùn)行 等 各種運(yùn)行方式進(jìn)行研究，深入了解各種運(yùn)行方式的特點(diǎn)和對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制性能的影響。 程序的調(diào)試及修改 用 Keil 軟件進(jìn)行編程和調(diào)試，并且在 Proteus 環(huán)境下進(jìn)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(gè)齒，齒寬等于定子的極靴寬 【 2】 。同樣道理，當(dāng) A 相斷開，接通 B 相時(shí)，如圖 (b) 所示， B相磁極對(duì)轉(zhuǎn)子的電磁力將使 轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過 60176。上述三相三拍運(yùn)行，表示三種通電狀態(tài)為一個(gè)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(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度 稱 為步距角，通常用θ s 表示， 圖 中 轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的步距角 為 60176。 ，轉(zhuǎn)子齒 3 對(duì)準(zhǔn) 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。 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)，如圖 所示，轉(zhuǎn)子為四極的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 6 (a) AB 相通電 (b) BC 相通電 圖 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)，這時(shí)步進(jìn)電機(jī)的工作情況 如圖 所示 ， 圖 (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)， 步進(jìn) 電機(jī)的狀態(tài)如圖 (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 15176。 如此 類推，可見 步進(jìn) 電機(jī)每走一步，將轉(zhuǎn)過15176。 拍數(shù)不同時(shí)，其對(duì)應(yīng)的步距角 大小也不同，拍數(shù)多則步距角小。 /mKZR (11) 式中 m — 控制繞組 相 數(shù)； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 8 ZR — 轉(zhuǎn)子齒數(shù)； K — 與通電方式有關(guān)的狀態(tài)系數(shù)，當(dāng)通電方式為單拍，即拍數(shù)與相數(shù)相同，K=1；為雙拍時(shí)，即拍數(shù)為相數(shù)的兩倍時(shí)， K=2?？梢哉f環(huán) 形脈沖分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計(jì)數(shù)器， 但 它輸出的不是一般的編碼，而是步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)所要求的特殊編碼 【 4 】 。并行控制時(shí)，控制器直接輸出各相繞組的導(dǎo)通和截止信號(hào)，此時(shí)環(huán)形脈沖分配器在控制器中，由軟件來(lái)代替環(huán)形脈 沖分配器的功能，不管是串行控制還是并行控制必須有環(huán)形 脈沖 分配器這個(gè)環(huán)節(jié)。用 EPROM 可以搭建成各種環(huán)形脈沖分配器。簡(jiǎn)單的說存儲(chǔ)器存入的是一個(gè)環(huán)形 脈沖 分配器的狀態(tài)輸出表，計(jì)數(shù)器每輸入一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器計(jì)一個(gè)數(shù)，這個(gè)數(shù)值就會(huì)選通存儲(chǔ)器的一 個(gè) 地址，存儲(chǔ)器 就 輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，即步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)勵(lì)磁狀態(tài)。對(duì) EPROM 存儲(chǔ)器 的 主要 工作 是編程，存儲(chǔ)狀態(tài)表，所以工作量小。存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的內(nèi)容，除了在選通的地址存儲(chǔ)所需的狀態(tài)表之外，其他沒用的地址都存儲(chǔ)各相截止的信 號(hào)。 由上可見，這種方法適用于控制任意類型的步進(jìn)電機(jī)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 11 圖 環(huán)形脈沖分配器電路 由 EPROM 與可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成的環(huán)形脈沖分配器如圖 所示， 計(jì)數(shù)器選用 74LS191， 74LS191 是四位二進(jìn)制進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘脈沖從 CP 端輸入，計(jì)數(shù)器的輸出 QA~QD 直接接到 EPROM 的 低 四位地址線 A0~A3，這樣可以選通 2716 的十六個(gè)地址（ 00H~0FH）。 2716 的管腳 OE 和 CE 分別為輸出允許和片選端，使它接地讓它一直處于選通狀態(tài) 。 EPROM 的存儲(chǔ)內(nèi)容如表 所示。 L 為繞組電感， R 為 串聯(lián)回路的總電阻， E 為反電動(dòng)勢(shì)。常用的步進(jìn)電機(jī)可以很容易產(chǎn)生數(shù)值內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 13 比 步進(jìn)電機(jī)外加電壓 大 的峰值電感電動(dòng)勢(shì)。在繞組導(dǎo)通期間，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 14 圖 二極管泄放電路 圖 負(fù)載曲線 二極管 — 電阻續(xù)流 要求高速或變速運(yùn)行時(shí)，斷電繞組的能量必須盡快消耗，這可以通過增加一個(gè)與二極管串聯(lián)的電阻 Rs，以減少泄放回路的時(shí)間常數(shù)，此時(shí)斷電回路的時(shí)間常數(shù)為 L/(R+Rs)。 (3) 衰減時(shí)間常數(shù)大，在步進(jìn)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩，影響系統(tǒng)的特性。 驅(qū)動(dòng)級(jí)的功率放大器件有中功率晶體管、大功率的晶體管、達(dá)林頓管 、可內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 16 控硅以及各種功率模塊。 (2) 電動(dòng)機(jī)的各相繞組是繞在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組導(dǎo)通和截止過程中都會(huì)產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，而截止時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)將對(duì)驅(qū)動(dòng)級(jí)器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。這些電動(dòng)勢(shì)與外加 電源 共同作用于功率器件，當(dāng)其疊加結(jié)果使電動(dòng)機(jī)繞組兩端電壓大大超過電源電壓時(shí)， 會(huì) 使驅(qū)動(dòng)級(jí)的工作條件更為惡化。本系統(tǒng) 為了抗干擾，或避免一旦驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)而燒毀器件，因而在驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)之間 增加 一級(jí) 光耦 隔離器。總之，只要按一定的順序改變 A、 B、 C、 D 通電的順序，就 可控制步進(jìn)電機(jī)按一定的方向 步進(jìn) 【 5】 。所謂的最高 空載 啟動(dòng)頻率是指 步進(jìn) 電機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)不失步地進(jìn)入同步 狀態(tài) （即 步進(jìn) 電機(jī)每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度和控制頻率相對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)）的最大控制頻率。一般來(lái)說，升頻的時(shí)間約為 ~1s 之間。這樣步進(jìn)電機(jī)便可以以最快的速度走完所規(guī)定的步數(shù)，而又不 發(fā)生 失步 的現(xiàn)象 。系統(tǒng)在工作過程中，都 要求加減速的時(shí)間盡量短，而恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。 升速的規(guī)律一般有兩種，一是按直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。 用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制， 即控制 CP 脈沖的時(shí)間間隔。 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制技術(shù)是步進(jìn)電機(jī)控制中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響 步進(jìn) 電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性、升降速的快慢、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。 均勻地改變脈沖時(shí)間間隔的變速控制 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)。 采用定時(shí)器的變速控制 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，可以采用單片機(jī)內(nèi)部 的定時(shí)器來(lái)提供 CP 脈沖。 為了提高單片機(jī)的實(shí)時(shí)處理能力，系統(tǒng)采用中斷的方法進(jìn)行調(diào)速。搬運(yùn)站的功能是向各個(gè)工作單元輸送工件，每完成一道工序就把工件送給下一個(gè)工作站，等加工站完成后再將工件送到裝配站和分揀站整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線的加工過程就完成。 為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，需要步進(jìn)電機(jī)的速度盡可能的快，但為了防止步進(jìn)電機(jī) 在啟動(dòng)過程中 發(fā)生失步，需要按一定的規(guī)律對(duì)步進(jìn)電機(jī) 的速度 進(jìn)行控制，也就是 對(duì)步進(jìn)電機(jī) 的脈沖頻率進(jìn)行控制。 /θ，那每一步走過的距離為 L=55/N。各站點(diǎn)之間的距離如表 所示。最后根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，介紹步進(jìn)電機(jī) 在自動(dòng)生產(chǎn)線中的 應(yīng)用 。 但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時(shí)間要比直接用硬件的長(zhǎng)，而且占用 CPU 時(shí)間。 （ 5）單片機(jī)外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。系統(tǒng)硬件框圖如圖 所示 。 其主要特點(diǎn)有： （ 1） CPU 內(nèi)核完全和 MCS51 系列兼容，具有 MCS51 系列單片機(jī)的一切功能。 （ 6） 具有 6 個(gè)中斷源，完全可以滿足一般設(shè)計(jì)的中斷系統(tǒng)擴(kuò)展需要。 Intel 2716 是 2K 8 的 EPROM 存儲(chǔ)器 。 計(jì)數(shù)器選用 74LS191，這是一種單時(shí)鐘 4 位二進(jìn)制 可逆計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘脈沖從 CP 端輸入， 加 /減脈沖由同一端輸入，加 /減控制線的高低電平控制加減計(jì)數(shù) 。 表 74LS191 功能表 輸入 工作模式 置數(shù) 使能 加減 時(shí)鐘 H L L H L H L X X X H H X X 加計(jì)數(shù) 減計(jì)數(shù) 預(yù)置 保持 控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計(jì) 環(huán)形脈沖分配器 設(shè)計(jì) 環(huán)形 脈沖 分配器 是 用來(lái)接收單片機(jī)的 CP 脈沖，并根據(jù)步進(jìn)電機(jī) 的勵(lì)磁 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的狀態(tài)順序輸出各相繞組 的 導(dǎo)通或截止信號(hào)。接 收來(lái)自控制器 的 CP 脈沖和方向電平是環(huán)形 脈沖 分配器的最基本功能。 圖 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(jìn)電機(jī)。 顯示電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)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(jì)中要顯示 4 位數(shù)字，用 74LS164 作為顯示驅(qū)動(dòng)，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(shí)容易控制。 圖 數(shù)碼管顯示電路 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 30 外部復(fù)位電路 設(shè)計(jì) MCS51 系列單片機(jī)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(shí)間必須大于 2 個(gè)機(jī) 器周期 （即 24個(gè)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(shí) 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(jìn)電機(jī)需要運(yùn)行的步數(shù) ， 并通過 LED 指示 步進(jìn)電機(jī) 的 工作運(yùn)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(gè)優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)具有下列特點(diǎn) 【 15】 ： （ 1）軟件結(jié)構(gòu)清楚、簡(jiǎn)潔、流程合理。 （ 4）運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)標(biāo)志化管理。 （ 6）實(shí)現(xiàn)全面軟件抗干擾設(shè)計(jì)。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 軟件主要 功能是單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的步 數(shù)， 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng) 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 顯示內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 33 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)步數(shù)為 0 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)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(dòng)。 （ 5）調(diào)速。 主程序工作流程圖 主程序工作流程圖如圖 所示。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 35 初 始 化開 始鍵 盤 掃 描 程 序有 按 鍵 按 下 ？ 按 鍵 處 理 程 序讀 入 開 關(guān) 狀 態(tài)是 否 復(fù) 位 ？是 否 啟 動(dòng) ？啟 動(dòng) 定 時(shí) 器 T 0NYYNNYT 0 停 止 計(jì) 數(shù)正 轉(zhuǎn) ？P 0 . 1 = 0 P 0 . 1 = 1NY 圖 主程序流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 36 由 s p e e d f l a g 求 定時(shí) 初 值重 裝 定 時(shí) 初 值步 數(shù) 減 1 程 序步 數(shù) 顯 示 程 序步 數(shù) 為 0 ?步 數(shù) 大 于 1 0 0 ?s p e e d f l a g 加1 r / m i ns p e e d f l a g 大 于9 9 r / m i n ?s p e e d f l a g 為計(jì) 算 值中 斷 返 回T 0 停 止計(jì) 數(shù)s p e e d f l a g 減 1 r / m i ns p e e d f l a g 小 于2 5 r / m i n ?s p e e d f l a g 為計(jì) 算 值s p e e d f l a g = 2 5 r / m i nT 0 中 斷 服 務(wù) 程 序s p e e d f l a g = 9 9 r / m i nYNYNNY YN一 個(gè) 周 期 ？NY 圖 T0 中斷服務(wù)程序 流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 37 Proteu