【文章內(nèi)容簡介】 移動時電動機運行頻率校核 工作臺最快工進速度 ?????????? = 40????/??，脈沖當量 S= /脈沖 ，電動機對應的運行頻率 f???????? = ??????????60?? = 8000????。 。由步進電機技術參數(shù)最大空載運行頻率為 20KHz，所以肯定符合要求。 ③負載起動頻率的計算 在步進電機矩頻特性未知的情況下，用起動頻率估算公式 ???? = 1/2????，其中，????為空載起動頻率，因此， ???? = 1000???? 說明：要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于 1000Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低。 選型 零件 明細表如下 ： 總體設計三維圖 如下 ： 控制部分設計 總體 設 計方框圖 分析 元器件介紹 （ 1） 步進電機 步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。 步進電機分三種：永磁式（ PM），反應式（ VR）和混合式 (HB)，步進電機又稱為脈沖電機，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉和制動的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉換為相應的角位移或直線位移，由于開環(huán)下就能實現(xiàn)精確定位的特點，使其在工業(yè)控制領域獲得了廣泛應用。步進電機的運轉是由電脈沖信號控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每個一個脈沖，步進電機就轉動一個角度（不距角）或前進、倒退一步。步進電機旋轉的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進電機為數(shù)字 /角度轉換器。 ① 五相 步進電機的工作原理 該設 計采用五相步進電機，單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機轉動。當某一相繞組通電時，對應的磁極產(chǎn)生磁場，并與轉子形成磁路，這時，如果定子和轉子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，則轉子將轉動一定的角度，使轉子與定子的齒相互對齊，由此可見，錯齒是促使電機旋轉的原因。 ② 步進電機的靜態(tài)指標及術語 相數(shù)：產(chǎn)生不同隊 N、 S 磁場的激磁線圈對數(shù)，常用 m 表示。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖用 n 表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以五相 電機為例，有四相四拍運行方式即 AB→ BC→ CD→ DA→ AB， 四相八拍運行方式即 A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA→ A。 步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用 表示。 = 360176。（轉子齒角運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉子齒角為 50 齒角電機為例。四相運行時步距角為θ =360 度 /（ 50*4） = 度，八拍運行時步距角為θ =360 度 /（ 50*8） = 度。 定位轉矩：電機在不通電的狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。 靜轉矩：電機在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機不做旋轉運動時，電機轉軸的鎖定 力矩。此力矩是衡量電機體積的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關。雖然 靜態(tài)轉矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子和轉子間的氣隙有關。但過分采用 減小氣隙，增加勵磁匝數(shù)來提高靜轉矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱 及機械噪音。 ③ 步進電機的單片機控制 步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作。在步進電機的單片機控制中，控制信號由單片機產(chǎn)生，其基本控制作用如下： 控制換相順序 步進電機的通電換向順序嚴格按照 步進電機的工作方式進行。通常我們把通電換向這一過程稱為脈沖分配，例如，三相步進電機的單三拍工作方式，其各相通電的順序為 ABC，通電脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制 A、 B、 C相的通電和斷電。 控制步進電動機的轉向 通過前面介紹的步進電動機的原理，我們知道，如果按照給定的工作方式正序通電換相，步進電動機就正轉；如果按反序通電換相，則電動機就反轉 。例如，四相步進電機工作在單四拍方式，通電換相的正序是 ABCD，電動機就正轉；如果按照反序 ADCB，電動機就反轉。 控制步進電動機的速度 如果給步進電機一 個脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，就再轉一步。兩個脈沖間隔的時間越短，步進電機就轉動的越快。因此，脈沖的頻率決定了步進電動機的轉速。調(diào)整單片機發(fā)送脈沖的頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。 ④ 五 相 十拍 步進電機的脈沖分配規(guī)律 目前，對步進電機的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設計利用單片機進行控制，主要是利用軟件進行環(huán)形脈沖分配。電機工作方式為 五相十 拍，根據(jù)步進電機的工作的時序和波形圖，總結出其工作方式為 五相十 拍 時的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進電機跟不上頻率的變化后電機會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進電機允許的范圍內(nèi)。 五相十拍工作方式通電順序為： ABABCBCBCD CDCDEDEDEAEAEAB，共有 10 個通電狀態(tài)。 用軟件實現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖 如果 P1 口輸出的控制信號中， 0 代表使繞組通電， 1代表使繞組斷電，則可用10個控制字來對應這 10 個通電狀態(tài)。這 10個控制字如下表所示： 通電狀態(tài) (E) (D) (C) (B) (A) 控制字 AB 1 1 1 0 0 FCH ABC 1 1 0 0 0 F8H BC 1 1 0 0 1 F9H BCD 1 0 0 0 1 F1H CD 1 0 0 1 1 F3H CDE 0 0 0 1 1 E3H DE 0 0 1 1 1 E7H DEA 0 0 1 1 0 E6H EA 0 1 1 1 0 EEH EAB 0 1 1 0 0 ECH 在程序中 只要依次將這 10個控制字送到 P1口，步進電機就會轉動一個齒距角。每送一個控制字，就完成一拍，步進電機就會轉動一個步距角。程序就是根據(jù)這個原理設計的。 （ 2） 89C51 單片機 89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器， 89C2051 是它的一種精簡版本。 89C 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 方案 論證 系統(tǒng)由 8 個按鈕作為輸入， 接到 P0口上， 分別控制 X方向， Z 方向的啟動與停止，反轉，直線插補，圓弧插補功能。 系統(tǒng)的輸出線與步進電機的繞組數(shù)有關。這里 選步進電機，該電機共有 五 相繞組，工作電壓為 +5V，步 進電機的 五 相繞組用 P1 口的 ~ 和 ~ 控制，由于 P P2口驅(qū)動能力不夠，因而用一片 ULN2803 增加驅(qū)動能力。 控制系統(tǒng)流程圖為， 硬件設計 本設計的硬件電路只要包括控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路 三 大部分?？刂齐娐分灰砷_關和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應的工作需要進行操作。 最小系統(tǒng)只要是為了使單片機正常工作。 驅(qū)動電路主要是對單片機輸出的脈沖進行功率放大，從而驅(qū)動電機轉動。 （ 1） 控制電路 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設置了 X方向啟動， X方向停止， X方向反轉， Z方向啟動， Z方向停止， Z 方向反轉，直線插補，圓弧插補等 8 個按鈕，電路圖如圖所示， （ 2） 最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)或者稱為最小應用系統(tǒng)，素質(zhì)用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)，對 51 系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應該包括：單片機、復位電路、晶振電路。 復位電路：復位電路采用手動復位，所謂手動復位，是指通過接通一按鈕開關，使單片機進入復位狀態(tài)，晶振電路用 30PF 的電容和一 12M 晶體振蕩器組成為整個電路提供時鐘頻率。如圖示： 晶振電路： 8051 單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。 在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷 晶振器，就構成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖 5 示。其電容值一般在 5~30pf,晶振頻率的典型值為 12MHz,采用 6MHz 的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路實用較多。如下圖示： (3) 驅(qū)動電路 ULN2803 包含 8個 NPN 達林頓管 ， 輸出擊穿電壓 為 50(V)， 輸出電流 為 500(mA)。