【文章內容簡介】 起動頻率(突跳頻率) 一般為0. 1 kHz 到3～4 kHz ,而最高運行頻率則可以達到N 102 kHz ,以超過最高起動頻率的頻率直接起動,會產生堵轉和丟步的現(xiàn)象。較為理想的起動曲線應是按指數(shù)規(guī)律起動。但實際應用時對起動段的處理可采用按直線擬合的方法,即階梯加速法。一般可按2 種情況處理:① 已知突跳頻率則按突跳頻率分段起動,分段數(shù)n = fP、f 0 。② 未知突跳頻率,則按段擬合至給定的起動頻率,每段頻率的遞增量(后稱階梯頻率)Δf = fP8 ,即采用8 段擬合。在運行控制過程中,將起始的速度(頻率) 分為n 分,作為階梯頻率,采用階梯加速法將速度連續(xù)升到所需要的速度,然后鎖定,按預置的曲線運行,如圖1 所示。 在一般的應用中,經過大量實踐和反復驗證,頻率如按直線上升或下降,控制效果就可以滿足常規(guī)的應用要求。用PLC 實現(xiàn)步進電機的加減速控制,實際上就是控制發(fā)脈沖的頻率。加速時,使脈沖頻率增高,減速時則相反。如果使用定時器來控制電機的速度,加減速控制就是不斷改變定時中斷的設定值。速度從v1～ v2 變化,如果是線性增加,則按給定的斜率加P減速。如果是突變,則按階梯加速法處理。在此過程中要處理好2 個問題:① 速度轉換時間應盡量短　為了縮短速度轉換的時間,可以采用建立數(shù)據(jù)表的方法。結合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率,就可以建立一個連續(xù)的數(shù)據(jù)表,并通過轉換程序將其轉換為定時初值表。通過在不同的階段調用相應的定時初值,就可控制電機的運行。定時初值的計算是在定時中斷外實現(xiàn)的,并不占用中斷時間,保證電機的高速運行。② 保證控制速度的精確性　要從一個速度準確達到另外一個速度,就要建立一個校驗機制,以防超過或未達到所需速度。(6) 步進電機的換向控制步進電機換向時,一定要在電機降速停止或降到突跳頻率范圍之內再換向,以免產生較大的沖擊而損壞電機。換向信號一定要在前一個方向的最后一個脈沖結束后以及下一個方向的第1 個脈沖前發(fā)出。對于脈沖的設計主要要求其有一定的脈沖寬度、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換實質包含了降速→換向→加速3 個過程。步進電機有如下特點：①步進電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，因此當它轉一轉后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。②由步進電機與驅動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價，有非?？煽俊Ｍ瑫r，它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。③步進電機的動態(tài)響應快，易于起停、正反轉及變速。④速度可在相當寬的范圍內平滑調節(jié)，低速下仍能保證獲得很大的轉矩，因此一般可以不用減速器而直接驅動負載。⑤步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接用交流電源或直流電源。⑥步進電機自身的噪聲和振動比較大，帶慣性負載的能力強。 總體設計方框圖總體設計方框圖如圖2所示。 狀態(tài)顯示電路電源及時鐘電路 89C51單片機復位電路鍵盤控制電路ULN2803驅動電路步進電機圖2總體設計方框圖(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）。步進電動機又稱為脈沖電機，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，由于在開環(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，每給一個脈沖，步進電機就轉動一個角度（步距角）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，也有人稱步進電動機為數(shù)字/角度轉換器。① 四相步進電機的工作原理該設計采用了20BY0型步進電機，該電機為四相步進電機，采用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，就能使步進電機步進轉動。當某一相繞組通電時，對應的磁極產生磁場，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)：產生不同對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)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即ABBCCDDAAB,四相八拍運行方式即AABBBCCCDDDAA.步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度（轉子齒角運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉子齒角為50齒電機為例。四相運行時步距角為θ=360度/(50＊4)=，八拍運行時步距角為θ=360度/（50＊8）=。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)作用下，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，與驅動電壓及驅動電源等無關。雖然靜態(tài)轉矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子與轉子間的氣隙有關，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 四相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由分散器件組成的環(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。四相步進電機的工作方式為四相單四拍，雙四拍，和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時的時序與波形分別如圖3 a、b、c所示。本設計的電機工作方式為四相單四拍，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四相單四拍時的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律表2所示。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的程度，步進電機跟不上頻率的變化后電機會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈頻率一定要控制在步進電機允許的范圍內。圖3步進電機工作時序波形圖表1四相單四拍脈沖分配表 表2 四相雙四拍脈沖分配表(2)89C51單片機Atmel公司的生產的89C51單片機是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機，它采用CMOS 和高密度非易失性存儲器技術，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS51兼容；片內的Flash ROM允許在系統(tǒng)內改編程序或用常規(guī)的非易失性編程器來編程，內部除CPU外，還包括256字節(jié)RAM，4個8位并行I/O口，5個中斷源，2個中斷優(yōu)先級，2個16位可編程定時計數(shù)器，89C51單片機是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，完全滿足本系統(tǒng)設計需要。(3)ULN2003芯片功能ULN是集成達林頓管IC，內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅動繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達林頓管組成驅動電路。 ULN是集成達林頓管IC,內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,它的輸出端允許通過電流