【文章內(nèi)容簡介】 電動機(jī)動態(tài)運(yùn)行 在分析步進(jìn)電動機(jī)動態(tài)運(yùn)行時，不僅要知道某一相控制繞組通電時的矩角特性，而且 要知道整個運(yùn)行過程中各相控制繞組通電狀態(tài)下的矩角特性，即所謂矩角特性族以三相單三拍的通電方式為例，若將失調(diào)角 θ 的坐標(biāo)軸統(tǒng)一取在A 相磁極的軸線上，顯然 A 相通電時矩角特性如圖 35 中曲線 A 所示穩(wěn)定平衡點(diǎn)為 O，點(diǎn) B 相通電時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 1/3 齒距相當(dāng)于轉(zhuǎn)過 2π/3 電角度，它的穩(wěn)35 中曲線 C， 這三條曲線就構(gòu)成了三相單三拍通電方式時的矩角特性族總之矩角特性族中的每一條曲線依次錯開一個用電角度表示的步矩角 SE? 。 NZ srSE ??? 2?? （ 31） 圖 35 三拍時的矩角特性族 單片機(jī)的選擇 本次設(shè)計以 CPU 選用 89C5l作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片。 89C51 的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上 。 使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 完全兼容 MCS5l系列單片機(jī)的所有功能。 AT89C51 是一種 帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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 AT89C51 是一種高效微控制器，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 如下。 （ 1） 振蕩器特性 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 （ 2） 芯片擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “ 1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外， AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM 定時器，計數(shù)器，串口和中斷 系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 驅(qū)動電路的選擇 因從 CPU 輸出的脈沖信號特別小，固應(yīng)先經(jīng)過 PWM8713 脈沖分配器對脈沖進(jìn)行 分配并經(jīng)過放大然后再經(jīng)過光耦驅(qū)動來驅(qū)動步進(jìn)進(jìn)電機(jī)。 PWM8713 是日本三洋電機(jī)公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器。該器件采用DIP16 封裝，適用于二相或四相步進(jìn)電機(jī)。 PWM8713 在控制二相或四相步進(jìn)電機(jī)時都可選擇三種勵磁方式 （ 1 相勵磁， 2 相勵磁， 3 相勵磁三種勵磁方式之一 ） ，每相最小的拉電流和灌電流為 20mA，它不但可滿足后級功率放大器的要求，而且在所有輸人端上均內(nèi)嵌有施密特觸發(fā)電路，抗干擾能力很強(qiáng)，其原理框圖如圖 36 所示 。在 PWM8713 的內(nèi)部電路中，時鐘選通部分用于設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)脈沖輸入法。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 36 8713 脈沖輸入 PMM8713 是專用的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)脈沖產(chǎn)生芯片 ， 它適用于三相和四相步進(jìn)電機(jī)。 Cu 為加脈沖輸入端 ， 它使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn) ， Cp 為減脈沖輸入端 ， 它使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn) ， Ck 為脈沖輸入端 ， 當(dāng)脈沖加入此引腳時 ， Cu 和 Cp 應(yīng)接地 ，正反轉(zhuǎn)由 U/ D 的電平控制 ， EA 和 EB 用來選擇勵 磁方式的 ， 可以選擇的方式有一相勵磁、二相勵磁和一二相勵磁 ， ΦC 用來選擇三、四相步進(jìn)電機(jī) ， Vss 為芯片工作地 ， R 為芯片復(fù)位端 ， Φ4— Φ1 為四相步進(jìn)脈沖輸出端 ， Φ3— Φ1 為三相步進(jìn)脈沖輸出端 ， Em 為勵磁監(jiān)視端 ， Co 為輸入脈沖監(jiān)視端 ， VDD 為芯片的工作電源 （ + 4— + 18V）， 其具體的原理框圖如 37 所示 。 圖 37 驅(qū)動電路框圖 顯示電路與鍵盤的選擇 顯示電路的用 8279 芯片來驅(qū)動， 8279 芯片分別接兩排顯示器，每排為 4位顯示，分別用來顯示步進(jìn) 電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速。顯示電路選 用兩排 LED顯示，每排分別為四位。能滿足設(shè)計的要求，轉(zhuǎn)速范圍為 0 至 1000。 LED 顯示電路有兩種接法，一種為共陰極，一種為共陽極。 鍵盤的連接一般有兩種方式，一種是獨(dú)立式鍵盤；一種是行列式鍵盤。獨(dú)西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 立式鍵盤就是各個鍵相互獨(dú)立，每個鍵盤接一根輸入線，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)來確定那個鍵按下。這種鍵盤的輸入線較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般適用于按鍵較少操作速度較高的場合。而行列式鍵盤是由行和列線交義組成，一般用于按鍵較多的場合。本次設(shè)計一共用 9 個鍵因此采用行列式鍵盤。具體的顯示器與鍵盤電路如下所示。 圖 38 8279 與 CPU 的接線圖 反饋電路的選擇 應(yīng)選用光電編碼器作為反饋元件，光電編碼器與步進(jìn)電機(jī)是同軸的輸出經(jīng)過放大送到計算機(jī)。并通過顯示器顯示出步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。關(guān)于光電編碼器的說明如下 。 光電編碼器原理 光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若 干脈沖信號，其原理示意圖如圖所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖 39 光電編碼器的原理圖 根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。本次設(shè)計用絕對式編碼器其原理如下 所示。 絕對編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心磁道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼 道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 N 位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有 N 條碼道。目前國內(nèi)已有 16 位的絕對編碼器產(chǎn)品。絕對式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（格雷碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置 。編 碼的設(shè)計可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)如下 ： （ 1） 可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值。 （ 2） 沒有累積誤差。 （ 3） 電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有 10 位、 14 位等多種。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 4 算法的設(shè)計 算法對于步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計是一個相當(dāng)重在的環(huán)節(jié)，因?yàn)橹挥写_定了算法之后才能對步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，并時也能達(dá)到精確的調(diào)速目的。同時算法也是編寫軟件的前提與基礎(chǔ)?？刂扑惴ㄓ卸喾N，常用的兩種算法是 PID 和模糊控制算法。 PID 控制與模 糊控制是兩種常用的控制方法，但它們還存在一些不足，如一般 PID 控制容易產(chǎn)生超調(diào)、模糊控制的穩(wěn)態(tài)精度不高，在這兩種控制方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，可產(chǎn)生多種更好的控制方法。本文采用的復(fù)合 PID 控制算法和帶動態(tài)補(bǔ)償?shù)哪：刂扑惴朔艘陨先毕?，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。 PID 控制算法 PID 調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行運(yùn)算，將其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制，將基本 PID 算式離散化可得到位置型PID 控制算法，對位置型 PID 進(jìn)行變換可得到增量型 PID 控制算法。對控制精度要求 較高的系統(tǒng)一般采用位置型算法，而在以步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器做執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，則采用增量型算法。 PID 是一種工業(yè)控制過程中應(yīng)用較為廣泛的一種控制算法，它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好，適用范圍廣，控制參數(shù)易于整定等優(yōu)點(diǎn)。 PID 控制不需了解被控對象的數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整控制器參數(shù) ，便可獲得滿意的結(jié)果。其不足之處是對被控參數(shù)的變化比較敏感。但是通過軟件編程方法實(shí)現(xiàn) PID 控制 ，可以靈活地調(diào)整參數(shù)。 盡管近年來出現(xiàn)了很多先進(jìn)的控制算法，但 PID 控制仍然以其獨(dú)有 的特點(diǎn)在工業(yè)控制過程中具有相當(dāng)大的比重，且控制效果相當(dāng)令人滿意。 其系統(tǒng)原理框圖如圖 41 所示。 圖 41 PID 的原理框圖 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 它的控制規(guī)律的數(shù)學(xué)模型如下： ? ? ? ? ? ? ? ??????? ??? ? t dIp dttdeTdtteTtektu01 （ 41） 式中， e(t)：調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與輸出量的偏 u(t)，調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)。 Kp：比例系數(shù)。 T：積分時間常數(shù)。 T：微分時間常數(shù)。 將（ 41）展開，調(diào)節(jié)器輸出函 數(shù)可分成比例部分、積分部分和微分 部分 。 （ 1） 比例部分 比例部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是 ??tekp ， p 在比例部分中， Kp 是比例系數(shù)， Kp 越大，可以使系統(tǒng)的過渡過程越快，迅速消除靜誤差；但 Kp 過大，易使系統(tǒng)超調(diào)，產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致不穩(wěn)定。因此，此比例系數(shù)應(yīng)選擇合適，才能達(dá)到使系統(tǒng)的過渡過程時間短而穩(wěn)定的效果。比例調(diào)節(jié)器 如圖。 圖 42 比例調(diào)節(jié)器 （ 42） 其中： U 控制器的輸出。 PK 比例系數(shù)。 E 調(diào)節(jié)器輸入偏差。 0U 控制量的基準(zhǔn)。 比例作用：迅速反應(yīng)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，過大容易引起不穩(wěn)定。 (2)積分部分 積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是 ? ?0tPIK e t dtT ?從它的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以看出，要是系0Pu K e u??西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 統(tǒng)誤差存在，控制作用就會不斷增加或減少，只有 e(t)=0 時，它的積分才是一個不變的常數(shù)，控制作用也就不會改變，積分部分的作用是消除系統(tǒng)誤差。積分時間 常數(shù) IT 的選擇對積分部分的作用影響很大。 IT 較大，積分作用較弱，這時，系統(tǒng)消除誤差所需的時間會加長，調(diào)節(jié)過程慢 。 IT 較小，積分作用增強(qiáng)，這時可能使系統(tǒng)過渡過程產(chǎn)生振蕩，但可以較快地消除誤差。 （ 3） 微分部分 微分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是 ? ?? ?pDkT de tdt 。微分部分的作用主要是抵消誤差的變化，作用強(qiáng)弱由微分時間常數(shù) T 確定。 DT 越大，則抑制誤差 e(t)變化的作用越強(qiáng)，但易于使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩， DT 越小，抵消誤差的作用越弱。因而，微分時間常數(shù)要選擇合適，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定 。 比例積分微分調(diào)節(jié)器如圖 43 所示。 圖 43 比例微分調(diào)節(jié)器 但 PID 算法有兩種分別為 : 位置式、增量式。 增量式 PID 控制算法 。 （ 43） （ 44） 由 (1)與 (2)式可推出下式 : （ 45） 增量式控制算法提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)的增量 kΔu 只需要保持現(xiàn)時以前 3 個時刻的100[ ( ) ]k Dk P k j k kjI TTu K e e e e uTT ??? ? ? ? ??11 1 1 2 00[ ( ) ]k Dk P k j k kjI TTu K e e e e uTT?? ? ? ??? ? ? ? ??1 1 1 2[ ( 2 ) ]Dk k k P k k k k k kI TTu u u K e e e e e eTT? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?