【文章內(nèi)容簡介】 起動(dòng)頻率(突跳頻率) 一般為0. 1 kHz 到3～4 kHz ,而最高運(yùn)行頻率則可以達(dá)到N 102 kHz ,以超過最高起動(dòng)頻率的頻率直接起動(dòng),會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步的現(xiàn)象。較為理想的起動(dòng)曲線應(yīng)是按指數(shù)規(guī)律起動(dòng)。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)對起動(dòng)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(dòng),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(dòng)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(yùn)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(yù)置的曲線運(yùn)行,如圖1 所示。 在一般的應(yīng)用中,經(jīng)過大量實(shí)踐和反復(fù)驗(yàn)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(yīng)用要求。用PLC 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加減速控制,實(shí)際上就是控制發(fā)脈沖的頻率。加速時(shí),使脈沖頻率增高,減速時(shí)則相反。如果使用定時(shí)器來控制電機(jī)的速度,加減速控制就是不斷改變定時(shí)中斷的設(shè)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(gè)問題:① 速度轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)盡量短　為了縮短速度轉(zhuǎn)換的時(shí)間,可以采用建立數(shù)據(jù)表的方法。結(jié)合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率,就可以建立一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)表,并通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時(shí)初值表。通過在不同的階段調(diào)用相應(yīng)的定時(shí)初值,就可控制電機(jī)的運(yùn)行。定時(shí)初值的計(jì)算是在定時(shí)中斷外實(shí)現(xiàn)的,并不占用中斷時(shí)間,保證電機(jī)的高速運(yùn)行。② 保證控制速度的精確性　要從一個(gè)速度準(zhǔn)確達(dá)到另外一個(gè)速度,就要建立一個(gè)校驗(yàn)機(jī)制,以防超過或未達(dá)到所需速度。(6) 步進(jìn)電機(jī)的換向控制步進(jìn)電機(jī)換向時(shí),一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)再換向,以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第1 個(gè)脈沖前發(fā)出。對于脈沖的設(shè)計(jì)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(shí)質(zhì)包含了降速→換向→加速3 個(gè)過程。步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn)：①步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。②由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價(jià)，有非?？煽?。同時(shí)，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(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。④速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得很大的轉(zhuǎn)矩，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。⑤步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接用交流電源或直流電源。⑥步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)比較大，帶慣性負(fù)載的能力強(qiáng)。 總體設(shè)計(jì)方框圖總體設(shè)計(jì)方框圖如圖2所示。 狀態(tài)顯示電路電源及時(shí)鐘電路 89C51單片機(jī)復(fù)位電路鍵盤控制電路ULN2803驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)圖2總體設(shè)計(jì)方框圖(1)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，由于在開環(huán)下就能實(shí)現(xiàn)精確定位的特點(diǎn)，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)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(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（步距角）或前進(jìn)/倒退一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。① 四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理該設(shè)計(jì)采用了20BY0型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)，對應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí)，如果定子和轉(zhuǎn)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(diǎn)，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對齊，由此可見，錯(cuò)齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。② 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語相數(shù)：產(chǎn)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(gè)磁場周期性變化所需脈沖用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ABBCCDDAAB,四相八拍運(yùn)行方式即AABBBCCCDDDAA.步距角：對應(yīng)一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒角運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒角為50齒電機(jī)為例。四相運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/(50＊4)=，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50＊8）=。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電的狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）。靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)作用下，電機(jī)不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。雖然靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過分采用減小氣隙，增加勵(lì)磁匝數(shù)來提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。③ 四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律目前，對步進(jìn)電機(jī)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(shè)計(jì)利用單片機(jī)進(jìn)行控制，主要是利用軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配。四相步進(jìn)電機(jī)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(shí)的時(shí)序與波形分別如圖3 a、b、c所示。本設(shè)計(jì)的電機(jī)工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的時(shí)序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時(shí)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(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高到一定的程度，步進(jìn)電機(jī)跟不上頻率的變化后電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈頻率一定要控制在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi)。圖3步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)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(jī)Atmel公司的生產(chǎn)的89C51單片機(jī)是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機(jī)，它采用CMOS 和高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS51兼容；片內(nèi)的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編程器來編程，內(nèi)部除CPU外，還包括256字節(jié)RAM，4個(gè)8位并行I/O口，5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，89C51單片機(jī)是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。(3)ULN2003芯片功能ULN是集成達(dá)林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢的二極管，可用來驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動(dòng)電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路。 ULN是集成達(dá)林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢的二極管,它的輸出端允許通過電流