【文章內(nèi)容簡介】 （23）LR??步進電動機有一個重要的問題是低頻振蕩。在頻率較低時，電動機處于步進工作狀態(tài)，每一步都發(fā)生一定的過沖現(xiàn)象，在穩(wěn)定平衡點附近形成一個振蕩過程。在某些運行頻率下就會發(fā)生共振，此時電動機根本沒有帶載能力，在空載時也不能正常運行。共振現(xiàn)象，是由于電動機獲得的能量過剩而引起的。與電動機帶載的性質(zhì)、電壓高低、電動機結(jié)構(gòu)、驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)都有一定的關(guān)系。目前，通常在電動機中加機械阻尼、在電路中加電氣阻尼、改進電路結(jié)構(gòu)等多種方法來克服共振現(xiàn)象。歸納起來，單電壓驅(qū)動器有如下特點：①線路簡單，成本低；②低頻時響應(yīng)較好；③有共振區(qū)；④高頻時帶載能力迅速下降。單電壓驅(qū)動由于性能較差，在實際中應(yīng)用較少，只有在小機座號電動機且簡單應(yīng)用中才用到。 橋驅(qū)動圖 23 H 橋驅(qū)動原理圖永磁步進電動機及二相、三相、五相混合式步進電動機的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說，勵磁繞組有時需通正向電流，有時需通反向電流。這樣的繞組需要用 H 橋驅(qū)動。由四個晶體管 T1～T4 組成 H 橋的四臂，高壓管 TT 3 的集電極接高壓電源，低壓管 TT4 的發(fā)射極共地。當(dāng)輸入信號IR 為高電平時，TT 3 導(dǎo)通 TT 4 截止，電流經(jīng) T電動機繞組、T 3 到地，見圖 24（a） 。當(dāng) If 為高電平時，TT4 導(dǎo)通，T T3 截止，電流經(jīng) T電動機繞組、T4 到地，見圖 (b)?？梢婋娏髟诶@組中流動是兩個完全相反的方向。推動級的信號邏輯應(yīng)使兩對角線晶體管不能同時導(dǎo)通，以免造成高低壓管的直通。直通的結(jié)果會使很大的短路電流流過兩個晶體管，這是非常危險。(a)(b)圖 24 不同對角線晶體管導(dǎo)通時電流的方向 步進電機驅(qū)動器的直流供電電源的確定（1）電壓的確定混合式步進電機驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如IM483 的供電電壓為 12～48V） ，電源電壓通常根據(jù)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但電源電壓不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。（2）電流的確定供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流 I 來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取 I 的 ～ 倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取 I的 ～ 倍。 步進電機控制系統(tǒng)構(gòu)成步進電機控制系統(tǒng)由步進控制器、功率放大器和步進電機組成，如圖 25所示。步進控制器 功率放大器 步進電機負載脈沖方向控制圖 25 步進電機控制系統(tǒng)組成圖步進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，以便實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)動和正反向控制。功率放大器的作用是將步進控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。在這種控制中，由于步進控制器線路復(fù)雜，成本高，限制了它的應(yīng)用。隨著微型計算機的廣泛應(yīng)用，采用計算機控制系統(tǒng)，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。這不僅簡化了線路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。如圖 26 為微機控制步進電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 圖 26 微機控制步進電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在步進電機的運行過程中，將可能出現(xiàn)失步，其失步原因有兩種：（1）轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進電機的旋轉(zhuǎn)磁場，也就是低于換相速度而產(chǎn)生的。這是因為輸入電機的電能不足，在步進電機中產(chǎn)生的同步力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)，從而引起失步。（2）轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度，這時定子通電勵磁的時間較長，大于轉(zhuǎn)子步進一步所需要的時間，則轉(zhuǎn)子在步進過程中獲得過多的能量，從而產(chǎn)生前沖和后沖的擺動振蕩，當(dāng)振蕩足夠嚴重時就會導(dǎo)致失步。微型計算機接口 驅(qū)動器步進電機負載第三章 單片機控制步進電機的方法 步進電機控制方法 串行方式將 PIC 單片機與串行接口芯片 8251 組成串行控制系統(tǒng)，與步進電機驅(qū)動電源相連，通過將控制信號送入電源中的環(huán)形分配器，再經(jīng)功率放大器放大，就可控制步進電機的運行，如圖 31 所示。圖 31 串行控制方式示意PIC8251TXDRXD環(huán)形分配器功率放大器步進電機 并行方式用 PIC 單片機和 P1 的數(shù)據(jù)輸出信號直接控制步進電機各相驅(qū)動電路的方式，稱為并行控制。在步進電機驅(qū)動電源內(nèi)包括環(huán)形分配器，但其功能由單片機系統(tǒng)完成。由系統(tǒng)實現(xiàn)脈沖分配有 2 種方法，一是純軟件方法，即完全用軟件來實現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止信號，主要有寄存器移位法和緩沖區(qū)查表法；二是軟硬件相結(jié)合的方法，單片機向可編程接口芯片 8255 輸出控制信號數(shù)據(jù)，在由可編程接口芯片輸出步進電機的各相導(dǎo)通或截止的控制信號。 PIC 單片機介紹 PIC 單片機介紹PIC 系列單片機是由美國 Microchip 公司生產(chǎn)的單片機產(chǎn)品，目前在世界 8位單片機沖銷量第一。PIC 系列單片機具有良好的抗干擾性能、簡潔的指令集，所需硬件配置較少，因此，在電腦的外設(shè)、家電控制、電信通信、智能儀器、汽車電子及金融電子等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。PIC 單片機（ Peripheral Interface Controller）是一種控制外圍設(shè)備的集成電路（IC） ，是把 CPU、ROM 和 I/O 等集成在一塊芯片上的特殊微型計算機。PIC 系列單片機是一種具有分散（多任務(wù)）功能的、面對控制應(yīng)用的一種微處理器。它采用精簡指令集、哈佛總線結(jié)構(gòu)、二級流水線指令方式。除了具有一般單片機所具有的實用、低價、低功耗、高速度、體積小、功能強等特點外，還具有品種多、指令集小、簡單易學(xué)、較強的抗干擾能力、徹底的保密性、自帶看門狗定時器等特點，體現(xiàn)了單片機發(fā)展的一種新趨勢。 PIC 系列單片機的結(jié)構(gòu)PIC 系列單片機映入了原用于小型計算機的雙總線和兩級指令流水結(jié)構(gòu)。1 雙總線結(jié)構(gòu)在這里 PIC 系列單片機采用了一種雙總線結(jié)構(gòu)，即所謂哈佛結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有兩種總線，即程序總線和數(shù)據(jù)總線。這兩種總線可以采用不同的字長，如PIC 系列單片機是 8 位機，所以其數(shù)據(jù)總線當(dāng)然是 8 位。但低檔、中檔和高檔的 PIC 系列機分別有 12 位、 14 位和 16 位的指令總線。這樣，取指令是則經(jīng)指令總線，取數(shù)據(jù)是則經(jīng)數(shù)據(jù)總線，互不沖突。指令總線一般要增加位數(shù)，這是因為指令的位數(shù)多，則每條指令包含的信息量就打，這種指令的功能就是強。一條 12 位、14 位或 16 位的指令可能會具有兩條 8 位指令的功能。因此，PIC 系列單片機的指令與 CISC 結(jié)構(gòu)的單片機指令相比，前者的指令總數(shù)（即 RISC 指令集）要少得多。2 兩級指令流水線結(jié)構(gòu)由于 PIC 系列單片機采用了指令空間和數(shù)據(jù)空間分開的哈佛結(jié)構(gòu)，用了兩種位置不同的總線，因此，取指令和取數(shù)據(jù)有可能同時交疊進行，所以在 PIC系列微控制器取指令和執(zhí)行指令就采用指令流水線結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)谝粭l指令被取出后，隨即進入執(zhí)行階段，這時可能會從某寄存器取數(shù)而送至另一寄存器，或從一端口向寄存器傳送數(shù)等，但數(shù)據(jù)不會流經(jīng)程序總線，而只是再數(shù)據(jù)總線中流動，因此，在這段時間內(nèi)，程序總線有空，可以同時取出第二條指令。當(dāng)?shù)谝粭l指令執(zhí)行完畢，就可執(zhí)行第二條指令，同時取出第三條指令……如此等等。這樣，除了第一條指令的取出，其余各條指令的執(zhí)行和下一條指令的取出是同時進行的，使得在每個時鐘周期可以獲得最高效率。在大多數(shù)微控制器中，取指令和執(zhí)行指令都是順序進行的，但在 PIC 單片機指令流水線結(jié)構(gòu)中，取指令和執(zhí)行指令在時間上是互相重疊的，所以用 PIC系列單片機才可實現(xiàn)單周期指令。只有涉及到改變程序計數(shù)器 PC 值得程序分支指令（例如 GOTO、CALL 等）才需要兩個周期。此外，PIC 的結(jié)構(gòu)特點還體現(xiàn)在寄存器組上，如寄存器 I/O 端口、定時器和程序寄存器等都采用了 RAM 結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個周期就可以完成訪問和操作。而其他單片機常需要兩個或兩個以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。上述各項就是 PIC 系列單片機能做到指令總數(shù)少，且大都為單周期指令的重要原因。 步進電機的單片機控制步進電機控制的最大特點是開環(huán)控制，不需要反饋信號。因為步進電機的運動不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。由單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)如圖 32圖 32 單片機控制步進電機假定以 PIC 單片機的 PB 口線接步進電機的繞組，輸出控制電流脈沖，其中 PB0接 A，PB 1接 B，PB 2 接 C。（1）雙相三拍控制雙相三拍控制模型如表 31 所示表 31步序 PB 口輸出狀態(tài) 繞組 控制字1 00000011 AB 03H2 00000110 BC 06H3 00000101 CA 05H假定有如下工作單元和工作位定義：R0 為步進數(shù)寄存器；PSW 中，F(xiàn) 0為方向標(biāo)志位， F0=0 正轉(zhuǎn)，F(xiàn) 00 反轉(zhuǎn)。 參考程序如下：MAIN:BSF STATUS,RP0CLRF TRISCBCF STATUS,RP0JUDGE:BTFSS PORTC,6 。判正反轉(zhuǎn)GOTO ANTICLOCKWISEGOTO CLOCKWISEANTICLOCKWISE: 。按照逆時針步序進行MOVLW 03H 。第一拍MOVWF PORTB 。向端口 B 送入數(shù)值 03HCALL DELAY 。延時MOVLW 06H 。第二拍MOVWF PORTBCALL DELAYMOVLW 05H 。第三拍MOVWF PORTBCALL DELAYGOTO JUDGECLOCKWISE:MOVLW 03HMOVWF PORTBCALL DELAYMOVLW 05HMOVWF PORTBCALL DELAYMOVLW 06HMOVWF PORTBCALL DELAYGOTO JUDGEEND（2）三相六拍控制程序在雙相三拍程序中，PB 口輸出的控制字是在程序中給定的。而在三相六拍的控制中，由于控制字較多，故可以把這些控制字以表的形式預(yù)先存放在內(nèi)部RAM 單元中，運行程序時以查表的方式逐個取出并輸出。MAIN:BSF STATUS,RP0CLRF TRISCBCF STATUS,RP0JUDGE:BTFSS PORTC,6 。判正反轉(zhuǎn)GOTO ANTICLOCKWISEGOTO CLOCKWISEANTICLOCKWISE: 。按照逆時針步序進行MOVLW 01H 。第一拍MOVWF PORTB 。向端口 B 送入數(shù)值 03HCALL DELAYMOVLW 03H 。第二拍MOVWF PORTBCALL DELAYMOVLW 02H 。第三拍MOVWF PORTBCALL DELAYMOVLW 06H 。第四拍MOVWF PORTBCALL DELAYMOVLW 04H 。第五拍MOVWF PORTBCALL DELAYMOVLW 05H 。第六拍MOVWF PORTBCALL DELAYGOTO JUDGECLOCKWISE:MOVLW 01HMOVWF PORTBCALL DELAYMOVLW 03HMOVWF PORTBCALL DELAYMOVLW 02HMOVWF PORTBCALL DELAYMOVLW 06HMOVWF PORTBCALL DELAYMOVLW 04HMOVWF PORTBCALL DELAYMOVLW 05HMOVWF PORTBCALL DELAYGOTO JUDGEEND延時子函數(shù)：DELAY: MOVLW 03H MOVWF DL_COUNTERDLP: MOVLW 6FH MOVWF DL_COUNTER1DLP1: DECFSZ DL_COUNTER1,1 GOTO DLP1 DECFSZ DL_COUNTER,1 GOTO DLP RETURN第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)計算機的硬件和軟件是相互結(jié)合而工作的，有些任務(wù)必須由硬件來實現(xiàn)，另外有些任務(wù)必須由軟件來實現(xiàn)。但是也有一些任務(wù)即可以由軟件來完成，也可由硬件來完成。一般來說，增加硬件會提高成本，但能簡化設(shè)計程序，且實時性好。反之，加重軟件任務(wù)，會增加編程調(diào)試工作量，但能降低硬件成本。所以要合理的安排軟、硬件的結(jié)構(gòu)。圖 41 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件框圖如圖 41 示。本系統(tǒng)由鍵盤接口電路、數(shù)碼管顯示接口電路、多諧振蕩電路和發(fā)光二極管模擬的步進電機驅(qū)動電路構(gòu)成。由于本微機控制系統(tǒng)采用單片機作為核心部件，利用單片機構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)從元件進行系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)任務(wù)需要，選擇合理的單片機并配置必須的接口和外圍設(shè)備來構(gòu)成系統(tǒng)。 模擬步進電機驅(qū)動電路本系統(tǒng)是由單片機 PC 口輸出的脈沖信號來控制步進電機，用 4 個發(fā)光二極管 LED 亮滅的快慢來模擬電機速度，用 LED 亮滅的順序來模擬電機的相序和拍數(shù)。本系統(tǒng)選擇的發(fā)光二極管為紅色、圓形，開啟電壓在 ～ 之間，正向電流越大，發(fā)光越強。輸出通道的設(shè)計內(nèi)容是確定通道結(jié)構(gòu)