【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 可以在電機(jī)的允許范圍內(nèi)任意設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度，在數(shù)碼管上顯示出規(guī)定時(shí)間內(nèi)電機(jī)所轉(zhuǎn)的初始速度，時(shí)間每過(guò)一秒，電機(jī)減慢一定速度，直到電機(jī)停止。時(shí)間與速度的減少保持同步，當(dāng)一方為零，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 以使食物停放在固定位置。當(dāng)在 電機(jī)停止工作時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)工作，發(fā)出已設(shè)定音樂(lè)以提醒工作人員斷電或者進(jìn)行下一項(xiàng)操作。 系統(tǒng)總電路設(shè)計(jì) 在各個(gè)電路的設(shè)計(jì)完成之后，就可以進(jìn)行硬件合成，就是將各單元的電路按照總體設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)框圖組合在一起，形成一個(gè)完整的硬件系統(tǒng)原理圖。在進(jìn)硬件合成時(shí)，重點(diǎn)的考慮以下幾點(diǎn)： （ 1）根據(jù)輸入輸出的信號(hào)需要，全面安排微處理器的 I/O 口，查看是否夠用，如果不夠用，應(yīng)擴(kuò)展 I/O 口。 （ 2）檢查信號(hào)邏輯電平是否兼容。電路中可能兼有 TTL 和 MOS 器件，也可能有非標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)電平，若電平不兼容，就要增加電 平轉(zhuǎn)換電路。 （ 3）從提高可靠性出發(fā)，全面檢查電路設(shè)計(jì)。 （ 4）考慮電源系統(tǒng)。相互隔離的電路必須采用各自獨(dú)立的電源和地線，切不可混用。同一部分電路的電源，其電壓種類應(yīng)盡量減少。本系統(tǒng)的電源選擇現(xiàn)成的產(chǎn)品來(lái)提供。 （ 5）合理安排地線系統(tǒng)。 硬件設(shè)計(jì)除了上述的內(nèi)容外，還要進(jìn)行做印制電路板、操作面板的設(shè)計(jì)等工作。在原理圖的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，把系統(tǒng)分為兩個(gè)模塊，一為電源模塊，此模塊給系統(tǒng)提供電源；二為單片機(jī)控制模塊，該模塊有單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路，鍵盤輸入及顯示電路，報(bào)警電路三個(gè)小的部分。如圖 22，圖 23 分別為電源電路與單片機(jī)控制模塊。 圖 22 系統(tǒng)電源電路 天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 圖 23 單片機(jī)控制電路 1122334455667788DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeA3Date:2020530Sheet of File:G:\xu\..\電機(jī)設(shè)置及顯示.~(1).SCHDrawn By:M12 3456 7891011 1213 1415L298U1EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD108051AHU030PC130PC2+10uFC3復(fù)位開(kāi)關(guān)S110KR16MY1VCCVCCD2D4D6D8D1D3D5D7K1 K5 K9 K13K2 K6 K10K14K3 K7 K11K15K4 K8 K12K16RL0RL1RL2RL3RL4Y0Y1Y2Y31 2 3 4 5 6 7 8CON8J13 256 4LM386IC1A10uC410kR11470R12C547uC6SPVCC接單片機(jī)A7B1C2D6B14LT3RB15a13b12c11d10e9f15g147447U?A7B1C2D6B14LT3RB15a13b12c11d10e9f15g147447U?470*7 470*71234CON4J?1234CON4J?abfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpDPY_7SEG_DPabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpDPY_7SEG_DP天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 3 供給系統(tǒng)帶傳動(dòng)的調(diào)速 飼料供給系統(tǒng)當(dāng)中，飼料的傳送是動(dòng)物喂養(yǎng)的關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)的目的是方便與實(shí)用相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化的飼料供給。根據(jù)設(shè)計(jì)思想，我們?cè)O(shè)備的飼料傳送有提供遠(yuǎn)距離，提供量大，定時(shí)，定地點(diǎn)的全自動(dòng)供給。這樣的設(shè)計(jì)要求就對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)提出更高的要求，在設(shè)備中，步進(jìn)電機(jī)是設(shè)備運(yùn)動(dòng)核心，步進(jìn)電機(jī)的變速過(guò)程是飼料傳送的關(guān)鍵，如下詳細(xì)介紹一下系統(tǒng)的調(diào)速過(guò)程。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理與動(dòng)態(tài)特征 步進(jìn)控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成 不管是那一種類型的步進(jìn)電機(jī)，其開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)都是相似的。典型的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，主要由 PC 機(jī)、步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)三部分組成。如圖 31為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖。 圖 31 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 PC 機(jī)按照要求發(fā)出相應(yīng)指令，控制器接收指令，并根據(jù)指令向各進(jìn)給電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，各個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器則將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變成直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制和定位控制。同時(shí)上位機(jī)檢測(cè)下位機(jī)的各種狀態(tài)信號(hào)，進(jìn)行診斷和處理。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，必須使用專用的驅(qū)動(dòng)器才能夠正常 工作。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一般由環(huán)形分配器、功率放大器等部分組成。其中環(huán)形分配器根據(jù)運(yùn)行指令按一定的邏輯關(guān)系分配脈沖，通過(guò)功率放大器加到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，使步進(jìn)電機(jī)按一定的方式運(yùn)行，給步進(jìn)電機(jī)各相繞組提供足夠的電流；此外，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在相數(shù)、通電狀態(tài)、電壓、電流上要符合所控制的步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)要求。 天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 步進(jìn)電機(jī)的選用 步進(jìn)電機(jī)在控制系統(tǒng)中是執(zhí)行元件，在計(jì)算機(jī)接口和編程時(shí)是檢測(cè)元件和解算元件。了解步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，特別是其矩頻特性，合理選擇步進(jìn)電機(jī)，是整個(gè)控制系統(tǒng)可靠工作的前提和保證。步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)的選用主要考慮以下幾個(gè)指標(biāo)： (1) 步距角：每給定一個(gè)電脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)該轉(zhuǎn)過(guò)角度的理論值，其計(jì)算公式如下： NZb 0360?? 式中： Z－轉(zhuǎn)子的齒數(shù)； N－轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距的運(yùn)行拍數(shù)。 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 由下式表示： Nzfn 60? (f/min) 式中： f－輸入脈沖的頻率（ Hz）； Z－轉(zhuǎn)子的齒數(shù)； N－轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距的運(yùn)行拍數(shù)。 可見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低，取決于輸入到步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率的高低。電脈沖頻率 f 高，則電機(jī)轉(zhuǎn) 速快，反之，轉(zhuǎn)速慢。因此，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題從根本上說(shuō)就是要控制輸入到步進(jìn)電機(jī)的脈沖。 (2) 最大靜轉(zhuǎn)矩； (3) 響應(yīng)頻率和起動(dòng)頻率 要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出很大的轉(zhuǎn)矩，還是要求較高的定位精度和較快的反應(yīng)速度，這是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)需要首先考慮的問(wèn)題。步距角越小，分辨率越高；電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的速度越快，整個(gè)系統(tǒng)的效率就越高。在選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須著重考慮步距角、響應(yīng)頻率和起動(dòng)頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用將在很大程度上影響整個(gè)控制系統(tǒng)的分辨率和速度。 天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 三相反應(yīng)式步進(jìn)電 機(jī)的工作原理圖如下圖 ，其定子上有六個(gè)極，每個(gè)極上裝有控制繞組，每相對(duì)的兩極組成一相。轉(zhuǎn)子上有四個(gè)均勻分布的齒，其上沒(méi)有繞組，當(dāng) A 相控制繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)力的作用下與定子齒對(duì)齊，即轉(zhuǎn)子齒 3 和定子齒 A、 A39。對(duì)齊，如圖 32（ a）所示。若切斷 A 相，同時(shí)接通 B 相，在磁場(chǎng)力作用下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 30 度，轉(zhuǎn)子齒 4 和定子齒 B、 B39。對(duì)齊，如圖 32（ b）所示，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。如再使 B 相斷電，同時(shí) C 相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過(guò) 30 度，使轉(zhuǎn)子齒 3 和定子齒 C、 C39。對(duì)齊，如 圖 32（ c）所示。如此循環(huán)往復(fù)，并按 A→ B→ C→ A 順序通電，步進(jìn)電機(jī)按一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的 圖 32 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理 轉(zhuǎn)速取決于控制繞組接通和斷開(kāi)的變化頻率。 實(shí)際的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心和定子磁極上均有小齒，齒距相等。定子和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)要有一定比例的配合，即要求在某一相的一對(duì)極下，定子和轉(zhuǎn)子的齒一一對(duì)齊，而此時(shí)在其它兩相的磁極下，定子和轉(zhuǎn)子的齒要分別錯(cuò)開(kāi)一定的角度。這樣，如果步進(jìn)電機(jī)的三相繞組按一定的方式通電，那么它就以一定的步矩角進(jìn)行走步。 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性 機(jī)械負(fù)載位置的 變化往往需要步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)子必須產(chǎn)生足夠大的力矩，以克服摩擦和加速總慣量，電機(jī)無(wú)能力產(chǎn)生足夠大的力矩時(shí)可能引起電機(jī)的失速，造成轉(zhuǎn)子步進(jìn)與相勵(lì)磁之間失去同步，從而產(chǎn)生不正確的負(fù)載定位。因此步進(jìn)電機(jī)加速、減速、恒速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載的最高速度等特性至關(guān)重要。 矩 頻特性一般用啟動(dòng)矩 頻特性和運(yùn)行矩 頻特性來(lái)表示。它們之間關(guān)系的典型曲線如圖 33 所示。啟動(dòng)矩 頻特性是牽入轉(zhuǎn)矩與頻率之間的關(guān)系曲線，運(yùn)天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 行矩 頻特性曲線是失步轉(zhuǎn)矩與頻率之間的關(guān)系曲線。下圖 33 是啟動(dòng)矩頻特性及運(yùn)行矩頻圖 象，當(dāng)工作在Ⅰ區(qū)范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)可以停止和再啟動(dòng)，或者反向轉(zhuǎn)動(dòng)，而不會(huì)失步。步進(jìn)電機(jī)在Ⅰ區(qū)的工作速度上所產(chǎn)生的最大力矩坐標(biāo)位于啟動(dòng)矩 頻特性曲線上，啟動(dòng)矩 頻特性曲線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為最大運(yùn)行力矩，與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為最大啟動(dòng)頻率。Ⅱ區(qū)為單向工作區(qū)，在此區(qū)電機(jī)不能直接啟動(dòng)，若電機(jī)不停止、啟動(dòng)和換向，在此區(qū)域內(nèi)工作，電機(jī)不會(huì)失步。為了在Ⅱ區(qū)內(nèi)工作，電機(jī)必須首先在Ⅰ區(qū)內(nèi)工作，然后利用控制加速度斜坡，轉(zhuǎn)變到Ⅱ區(qū)。若達(dá)到不失步停止時(shí)，也要在限制加速度的條件下，由Ⅱ區(qū)轉(zhuǎn)移到Ⅰ區(qū)，在減速時(shí)慣性反作用力矩為負(fù)，對(duì)電機(jī)有利。Ⅲ區(qū) 為失步區(qū)域，在任何情況下都是不允許的。 圖 33 啟動(dòng)矩頻特性及運(yùn)行矩頻 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制與調(diào)速 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由步進(jìn)控制器、功率放大器和步進(jìn)電機(jī)組成，如圖 34 所示。 圖 34 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成 步進(jìn)控制器包括緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正反轉(zhuǎn)控制門等。其作用是把輸入脈沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和正反向控制。功天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 率放大器的作用是將步進(jìn)控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。在這種控制中，由 于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜，成本高，限制了它的應(yīng)用。 隨著微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電順序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。這不僅簡(jiǎn)化了線路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。圖 35控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 圖 35 微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 步進(jìn)電機(jī)的速度控制 步進(jìn)電機(jī)可以方便的進(jìn)行速度的控制?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或者換相的周期。確定時(shí)鐘脈沖的周期有兩種方法：一種是軟件延時(shí)，通過(guò) 編程加適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)句來(lái)控制時(shí)間的長(zhǎng)短，調(diào)用延時(shí)的子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)速度的控制；另一種方法是用定時(shí)器，可利用單片機(jī)的某個(gè)定時(shí)器，加載適當(dāng)?shù)某踔?，?jīng)過(guò)一段時(shí)間，定時(shí)器溢出，產(chǎn)生中斷信號(hào)，暫停主程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行定時(shí)器中斷服務(wù)程序，于是產(chǎn)生硬件延時(shí)效果。若將步進(jìn)電機(jī)換相的子程序放在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中，則定時(shí)器每中斷一次，電機(jī)就換相一次，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度控制。 由于步進(jìn)電機(jī)失步的原因，需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行升降速的定位控制，運(yùn)行速度都需要一個(gè)加速 — 恒速 — 減速 — 低恒速 — 停止的過(guò)程，如圖 36 所示。 圖 36 步進(jìn)電機(jī)直線規(guī)律升降速曲線 天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 各種系統(tǒng)在工作的過(guò)程中，都要求升降速過(guò)程時(shí)間盡量的短，恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。特別是在要求快速響