【文章內(nèi)容簡介】 相六拍工作方式的控制字 通電狀態(tài) 控制字 畢業(yè)論文 12 A 0 0 1 01H AB 0 1 1 03H B 0 1 0 02H BC 1 1 0 06H C 1 0 0 04H CA 1 0 1 05H 注： 0 代表使繞組斷電， 1 代表使繞組通電 在程序中，只要依次將這 10 個控制字送到 P1 口，步進(jìn)電機(jī)就會轉(zhuǎn)動一個齒距角，每送一個控制字，就完成一拍，步進(jìn)電 機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角。 軟件法在電動機(jī)運(yùn)行過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的 CPU時間，可能使單片機(jī)無法同時進(jìn)行其他工作（如監(jiān)測等），所以，人們更喜歡用硬件法。 通過硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配 所謂硬件法實(shí)際上就是使用脈沖分配器 8713，來進(jìn)行通電換相控制。 8713 是屬于單極性控制，用于控制三相和四相步進(jìn)電機(jī)，我們選擇的是三相六拍工作方式。 8713 可以選擇單時鐘輸入或雙時鐘輸入，具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)位、工作方式和輸入脈沖狀態(tài)監(jiān)視等功能，所有輸入端內(nèi)部都設(shè)有斯密特整形電路，提高抗干擾能力，使用 4~18V 直流電源，輸出電流為 20mA。本例選用單時鐘輸入方式， 8713 的 3 腳為步進(jìn)脈沖輸入端， 4 腳為轉(zhuǎn)向控制端，這兩個引腳的輸入均由單片機(jī)提供和控制，選用對三相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行六拍方式控制，所以 6 腳接高電平， 7 腳接地。 如下圖所示： 圖 89C51單片機(jī)系列 和 8713脈沖分配器 的接口圖 畢業(yè)論文 13 由于采用了脈沖分配器，單片機(jī)只需提供步進(jìn)脈沖，進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)向控制，脈沖分配的工作交給 8713 來自動完成，因此， CPU 的負(fù)擔(dān)減輕許多。 步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口電路 由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電流較大，所以微 型機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都需要專門的接口及驅(qū)動電路。驅(qū)動器可用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動器。 總之，只要按一定的順序改變 8713 脈沖分配器的 13 腳 ～ 15 腳 三位通電的狀況，即可控制步進(jìn)電機(jī)依選定的方向步進(jìn)。由于步 進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時功率較大，可在微型機(jī)與驅(qū)動器之間增加一級光電隔離器（一是抗干擾，二是電隔離。） 以防強(qiáng)功率的干擾信號反串進(jìn)主控系統(tǒng)。 電路圖如下所示： X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U18 0 C5 1D034D133D232D331D430D529D628D727RD5WR36A09A18RE S E T35CS6P A 04P A 13P A 22P A 31P A 440P A 539P A 638P A 737P B 018P B 119P B 220P B 321P B 422P B 523P B 624P B 725P C 014P C 115P C 216P C 317P C 413P C 512P C 611P C 710U28 2 5 5 AP A CK A G E = DI L 4 0P O RT DH L = 2 0 nX1CR Y S T A LC11 0 u FR11 0 kC23 0 p FC33 0 p F1B11C162B22C153B33C144B44C135B55C126B66C117B77C10CO M9U3ULN20 0 3 A+ 8 8 . 8斷開 正轉(zhuǎn)閉合 反轉(zhuǎn)R21 0 kSW 圖 單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口電路圖 1. 圖中 K K K K4按鈕分別控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速。 2. 因為我們討論的是三 相六拍的工作方式，所以 和 接高電平。 3. 步進(jìn)脈沖。 4. 的轉(zhuǎn)向。 畢業(yè)論文 14 第 五 章 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制 步進(jìn)電機(jī)的速度控制 步進(jìn)電機(jī)的速度控制是通過單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)，對于軟脈沖分配方式，可以采用調(diào)整兩個控制字之間的時間間隔來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，對于硬脈沖分配方式，可以控制步進(jìn)脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的速度的方法可有兩種： 1. 軟件延時法 ： 改變延時的時間長度就可以改變輸出脈沖的頻率，但這種方法 CPU 長時間等待，占 用大量的機(jī)時，因此沒有實(shí)踐價值。 2. 定時器中斷法 ： 在中 斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖輸出操作，調(diào)整定時器的定時常數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這種方法占有的 CPU 時間較少，在各種單片機(jī)中都能實(shí)現(xiàn)，是一種比較實(shí)用理想的調(diào)速方法。 定時器法利用定時器進(jìn)行工作，為了產(chǎn)生步進(jìn)脈沖，要根據(jù)給定的脈沖頻率和單片機(jī)的機(jī)器周期來計算定時常數(shù)，這個定時器決定了定時時間，當(dāng)定時時間到而使定時器產(chǎn)生溢出時發(fā)生中斷，在中斷子程序中進(jìn)行改變 的電平狀態(tài)的操作，這樣就可以得到一個給定頻率的方波輸出，改變定時常數(shù)，就可以改變方波的頻率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào) 速。 步進(jìn)電機(jī)的位置控制 步進(jìn)電機(jī)的位置控制，指的是控制步進(jìn)電機(jī)帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個位置精確地運(yùn)行到另一個位置，步進(jìn)電機(jī)的位置控制是步進(jìn)電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，它可以不用借助位置傳感器而只需要簡單的開環(huán)控制就能達(dá)到足夠的位置精度，因此應(yīng)用很廣。步進(jìn)電機(jī)的位置控制需要兩個參數(shù)： 1. 第一個參數(shù) ： 步進(jìn)電機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù) （我們稱為絕對位置），絕對位置時有極限的，其極限時執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的范圍，超越了這個極限就應(yīng)報警。 2. 第二個參數(shù) ： 從當(dāng)前位置移動到目標(biāo)位置的距離 我們可以用折算的方式將這個距離折算 成步進(jìn)電 機(jī)的步數(shù)，這個參數(shù)是外界通過鍵盤或可調(diào)電位器旋鈕輸入的，所以折算的工作應(yīng)該在鍵盤程序或 A/D 轉(zhuǎn)換程序中完成。 畢業(yè)論文 15 對步進(jìn)電機(jī)位置控制的一般作法是：步進(jìn)電機(jī)每走一步，步數(shù)減 1，如果沒有失步存在，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置時，步數(shù)正好減到 0，因此，用步數(shù)等于 0 來判斷是否移動到目標(biāo)位，作為步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行的信號。 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制 步距角和轉(zhuǎn)速大小不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，也不受各種環(huán)境條件諸如溫度、壓力、振動、沖擊等影響，而僅僅與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低可以大范圍地調(diào)節(jié)電機(jī)的 轉(zhuǎn)速，并能實(shí)現(xiàn)快速起動、制動、正反轉(zhuǎn)、加減速，而且有自鎖的能力，不需要機(jī)械制動裝置，不經(jīng)減速器也可獲得低速運(yùn)行。它每轉(zhuǎn)過一周的步數(shù)是固定的，只要不丟步，角位移誤差不存在長期積累的情況，主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運(yùn)行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn) 移動的時，要經(jīng)歷升速，恒速，減速過程，如果啟動時一次將速度升到給定速度，由于啟動頻率超過極限啟動頻率，步進(jìn)電機(jī)就有失步現(xiàn)象，因此會造成不能正常啟動，如果到終點(diǎn)時突然停下來，由于慣性作用 ，步進(jìn)電機(jī)會發(fā)生過沖現(xiàn) 象，會造成位置精度降低。如果升速非常緩慢的升降速，步進(jìn)電機(jī)雖然不會發(fā)生失步和過沖現(xiàn)象，但影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率，所以，對步進(jìn)電機(jī)的加減速要有嚴(yán)格的要求，那就是保證在不失步和過沖的前提下，用最快的速度（或最短的時間） 移動到有可能指定位置。為滿足加減速要求，步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行通常按照加減速曲線進(jìn)行。 圖 是加減速運(yùn)行曲線。加減速運(yùn)行曲線沒有 一個固定的模式，一般根據(jù)經(jīng)驗和實(shí)驗得到的。最簡單的是勻加速和勻減速曲線，如 下 圖所示 ： 圖 加減速曲線圖 其加減速曲線都是直線，因此容易編程實(shí)現(xiàn)。按直線加速時，加速 度是不變的，因此要求轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該是不變的。但是，由于步進(jìn)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩玉轉(zhuǎn)速時非曲線關(guān)系，因而加速度玉頻率也應(yīng)該是非曲線關(guān)系。因此，實(shí)際上當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，轉(zhuǎn)矩下降，所以，按直線加速時， 有可能造成因轉(zhuǎn)矩不足而產(chǎn)生失步的現(xiàn)象。 畢業(yè)論文 16 采用指數(shù)加、減速曲線或 S 形（分段指數(shù)曲線）加、減速曲線是最好的選擇。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行可以根據(jù)距離的長短分如下 3 種情況處理 ： 1. 短距離 由于距離較短，來不及升到最高速，因此，在這種情況下，步進(jìn)電機(jī)以潔凈啟動頻率運(yùn)行，運(yùn)行過程沒有加、減速。 2. 中、短距離 在這樣的距離里，步進(jìn)電機(jī)只有加、 減速過程，而沒有恒速過程。 3. 中、長距離 在 這樣的距離里，步進(jìn) 電機(jī)不經(jīng)有加、減速過程，而且還有恒速過程。 由于距離較長，要盡量縮短用時，保證快速反應(yīng)性。因此，在加速時，盡量用接近啟動頻率啟動，在恒速時，盡量工作在最高速。 單片機(jī)在用定時器法調(diào)速時，用改變定時常數(shù)的方法來改變輸入步進(jìn)脈沖頻率，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的，對于 MCS51 系列單片機(jī)，其定時器屬于加 1 定時器。因此，在步進(jìn)電機(jī)加速時，定時常數(shù)應(yīng)增加；減速時，定時常數(shù)應(yīng)減小。如果采用非線性加、減速曲線，要用 離散法將加減速曲線離散化，將離散所得的轉(zhuǎn)速序列所對 應(yīng)的定時常數(shù)序列，做成表格存儲在程序存儲器重。在程序運(yùn)行中，使用查表得 方式重裝定時常數(shù)，這樣做比用計算機(jī)節(jié)省時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速 第 六 章 步進(jìn)電機(jī)的 程序設(shè)計 程序 框圖 根據(jù)設(shè)計任務(wù)，可畫出控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，加減速控制 ，工作方式為雙時鐘 ， 程序框圖 如下 ： 畢業(yè)論文 17 圖 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖 是 否 是 否 否 反轉(zhuǎn) 改變 狀態(tài) =0？ 正轉(zhuǎn)加速步數(shù)減 1 極步數(shù)減 1 級步數(shù) =0？ 加速 1 級計算級步數(shù) 加速步數(shù) =0？ 指針指向恒速 減速步數(shù)減 1 級步數(shù)減 1 復(fù)位 級步數(shù) =0？ 減速一級計算級步數(shù) 減速步數(shù) =0？ 是 畢業(yè)論文 18 匯編程序 本程序的資源分配如下： R0——中間寄存器； R1——儲存速度級數(shù)； R2——儲存級數(shù)步數(shù)； R3——加減速狀態(tài)指針，加速時指向 35H，恒速時指向 37H，減速時指向3AH。 32H~34H——存放絕對參數(shù)（假設(shè)用 3 個字節(jié)），低位在前； 35H、 36H——存放加速總步數(shù)（假設(shè) 2 個字節(jié)），低位在前； 37H~39H——存放恒速總步數(shù)（假設(shè) 3 個字節(jié)），低位在前； 3AH、 3BH——存放減速總步數(shù)（假設(shè) 2 個字節(jié)），低位在前； ——正轉(zhuǎn)脈沖輸入 ； ——反轉(zhuǎn)脈沖輸入 ； ——正轉(zhuǎn)按鈕 K1； ——反轉(zhuǎn)按鈕 K2； ——加速按鈕 K3； ——減速按鈕 K4； 定時常數(shù)序列放在以 ABC 為起始地址的 ROM 中。初始 R3=35H,R R2都有初始值。 程序如下： ORG 0000H JNB ZZ。 JNB FZ。 ZZ:INC R0 CJNE R0,06H ZZ1。 MOV R0,00H。 ZZ1:MOV A,R0。 MOV DPTR,ABC。 MOVC A,@A+DPTR。 MOV P0 A。 FZ: DEC R0。