【文章內容簡介】 可用中小功率晶體管進行驅動，晶體管具有放大倍數(shù)大、線路簡單等優(yōu)點，用于驅動小功率的步進電機（繞組電流在數(shù)百毫安）。對于功率較大的步進電機，由于繞組所需要的電流較大、電壓高、反電動勢也大，因此需要用大功率的的晶體管驅動。步進電機驅動電路與一般電氣設備驅動的不同點主要有：(1) 各相繞組都是工作在開關狀態(tài)，多數(shù)電動機的繞組都是連續(xù)的交流或者直流，而步進電機的各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是離散的。(2) 電動機的各相繞組是繞在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組通電時電流上升率受到限制，因而影響電動機繞組電流的大小。(3) 繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結果使應該截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設計適當?shù)睦m(xù)流回路。繞組導通和截止過程中都會產(chǎn)生較大的反向電動勢，而截止時的反電動勢將對驅動級器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。(4) 電動機運轉時在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉電動勢，這些電動勢的大小和方向將對繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉電動勢基本上與電動機轉速成正比，轉速越高，電動勢越大，繞組電流越小，從而使電動機輸出轉矩也隨著轉速升高而下降。(5) 電動機繞組中有電感電動勢、互感電動勢、旋轉電動勢。這些電動勢與外加電源共同作用于功率器件，當其疊加結果使電動機繞組兩端電壓大大超過電源電壓時，會使驅動級的工作條件更為惡化。由于步進電機需要的驅動電流比較大，所以單片機與步進電機的連接都需要專門的接口電路及驅動電路。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程的接口芯片，如8258155等。驅動器可以用大功率復合管，也可以是專門的驅動器。本系統(tǒng)為了抗干擾，或避免一旦驅動電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號進入單片機而燒毀器件，因而在驅動器與單片機之間增加一級光耦隔離器。 驅動電路電路工作原理：當A輸出為1時，發(fā)光二極管不發(fā)光，因而光敏三極光截止，從而使達林頓管導通，A相繞組通電。反之當A為0時經(jīng)反相后，使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導通，從而使達林頓管截止，A相繞組不通電，控制B、C、D相亦然?？傊?，只要按一定的順序改變A、B、C、D通電的順序，就可控制步進電機按一定的方向步進【5】。 步進電機的變速控制對于大多數(shù)的任務而言，總希望控制系統(tǒng)能盡快地到達控制終點。因此要求步進電機的速度盡可能快一些，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。此外一般步進電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。所謂的最高空載啟動頻率是指步進電機空載時，轉子從靜止狀態(tài)不失步地進入同步狀態(tài)（即步進電機每秒鐘轉過的角度和控制頻率相對應的工作狀態(tài)）的最大控制頻率。當步進電機帶負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據(jù)步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉矩越小，帶負載的能力越差；當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進電機不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。一般來說，~1s之間。系統(tǒng)運行起來之后，如果到達終點時立即停止，可能會因系統(tǒng)慣性的原因，發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象，使點位控制發(fā)生偏差，所以從高速運行到停止也應該有減速的措施【6】。為此，提出一種變速控制的程序，該程序的基本思想是，在啟動時，以低于響應頻率fs的速度運行；然后開始慢慢加速，加速到一定頻率fe后就以此速率恒速運行。當快要到達終點時，又使其慢慢減速，在低于響應頻率fs的速率下運行，直到走完所規(guī)定的步數(shù)后就停止運行。這樣步進電機便可以以最快的速度走完所規(guī)定的步數(shù)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。因此在點位控制過程中，運行速度需要有一個加速—恒速—減速—低恒速—停止的過程。 點—位控制的加減速過程對于一個非常短的距離，如在數(shù)步范圍內，電動機的加減速過程沒有實際意義，只需要按起動頻率運行即可。對于中等或比較長的運行距離，步進電機加速后應該有一個恒速的過程。系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速的時間盡量短，而恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點到終點的時間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短而恒速時速度最高。加速時的起始速度應該等于或略小于系統(tǒng)的極限起動頻率，而不是從零開始。減速過程結束時的速度一般等于或略低于起動速度，再經(jīng)數(shù)步低速運行后停止。升速的規(guī)律一般有兩種，一是按直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時加速度為恒定，因此要求步進電機產(chǎn)生的轉矩為恒值。但實際上步進電機升速時由于反電動勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減小，因此輸出的轉矩會有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速時，加速度是逐漸下降的，接近步進電機輸出轉矩隨轉速變化的規(guī)律【7】。由于步進電機的速度正比于脈沖頻率，控制步進電機的速度實際上就是控制脈沖頻率。用單片機對步進電機進行加減速控制，即控制CP脈沖的時間間隔。升速時使脈沖逐漸加密，減速時使脈沖逐漸變疏。本系統(tǒng)采用定時器中斷來控制步進電機的加減速，實際上是不斷改變定時器的定時初值的大小。在運行的過程中用查表的方式查出所需的定時初值，從而減小占用CPU的時間，提高系統(tǒng)的響應速度。步進電機的加減速控制技術是步進電機控制中的一項關鍵技術，它直接影響步進電機運行的平穩(wěn)性、升降速的快慢、定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能。采用步進電機的加減速控制可以有效地克服步進電機啟動過程中出現(xiàn)失步的問題，提高系統(tǒng)的響應速度和精度【8】。 變速控制的方法改變控制方式的變速控制最簡單的變速控制可以利用改變步進電機的控制方式實現(xiàn)。例如，在三相步進電機中，啟動或停止時，用三相六拍，改用三相三拍的的分配方式，在快到達終點時，再次采用三相六拍的控制方式，以達到減速的目的。均勻地改變脈沖時間間隔的變速控制步進電機的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時間間隔來實現(xiàn)。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時時間間隔；在減速時，可以均勻地增加延時時間間隔。具體地說，就是均勻地增加或減少延時程序中延時時間常數(shù)。這種控制方法的優(yōu)點是，由于延時的長短不受限制，使步進電機的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機的實時處理能力。采用定時器的變速控制在單片機控制系統(tǒng)中，可以采用單片機內部的定時器來提供CP脈沖。其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間向CPU申請一次中斷，CPU響應中斷后便發(fā)出一個脈沖。此時只要均勻地改變定時器時間常數(shù)，即可達到均勻加減速的目的【9】。這種方法的優(yōu)點是減少占用CPU的時間，提高控制系統(tǒng)的效率和實時處理能力。為了提高單片機的實時處理能力，系統(tǒng)采用中斷的方法進行調速。 步進電機在自動生產(chǎn)線中的應用由于步進電機的運動特性受電壓波動和負載變化的影響比較小，方向和轉角控制簡單，并且步進電機能直接接受數(shù)字量的控制，非常適合采用微機進行控制。此外，步進電機不需要位置傳感器或速度傳感器可以在開環(huán)狀態(tài)下定位或同步運行，有利于裝置或設備的小型化和低成本，因而在軟盤驅動器、掃描儀、打印機、數(shù)控機床和自動化生產(chǎn)線等領域中都得了到廣泛的應用【10】。，它由搬運站、供料站、加工站、裝配站和分揀站構成，每一個工作站都可自成一個獨立的系統(tǒng)。搬運站的功能是向各個工作單元輸送工件，每完成一道工序就把工件送給下一個工作站，等加工站完成后再將工件送到裝配站和分揀站整個自動生產(chǎn)線的加工過程就完成。搬運站的整體運動采用步進電機驅動，具有定位精確和快速的特點。該步進電機驅動系統(tǒng)具有行程長、多定位點的特點，是一個典型的一維位置控制系統(tǒng)。因此步進電機的運動控制在自動生產(chǎn)線中得到了廣泛的應用。為了提高系統(tǒng)的響應速度，需要步進電機的速度盡可能的快，但為了防止步進電機在啟動過程中發(fā)生失步，需要按一定的規(guī)律對步進電機的速度進行控制，也就是對步進電機的脈沖頻率進行控制。當停車時，由較高的頻率突然降為零頻率，使步進電機立即停止，可能會由于系統(tǒng)慣性的原因，轉子會沖過終點，結果使停車不準確，因此停車也必須有一個降頻的過程。整個加減速的控制，如本文所述的步進電機加減速控制。步進電機傳動組件由齒輪傳動，每轉一圈搬運站移動55mm，如果步距角為θ，每轉一圈需要走的步數(shù)N=360176。/θ，那每一步走過的距離為L=55/N。由此可以算出每個站點之間的需要走的步數(shù)，即需要總的脈沖個數(shù)。176。的步進電機，從供料站到加工站的距離為470mm，需要總的脈沖個數(shù)為1709個【11】。序號站點距離1供料站—加工站470mm2加工站—裝配站286mm3裝配站—分揀站235mm4分揀站—返回工作原點925mm選用的步進電機的步距角越小，定位精度就越高。步進電機需要走的步數(shù)可以根據(jù)不同距離預先計算好，然后在單片機程序里設定好，也可以通過上位機進行控制。 本章小結本章首先分析了步進電機的原理，并總結步進電機控制系統(tǒng)的特點；其次根據(jù)步進電機的控制特點，設計步進電機的驅動電路和環(huán)形脈沖分配器；為了使控制系統(tǒng)快以最短時間到達控制終點，并根據(jù)步進電機的矩頻特性設計步進電機的變速控制的方法。最后根據(jù)步進電機的優(yōu)點，介紹步進電機在自動生產(chǎn)線中的應用。第三章 控制系統(tǒng)硬件設計 硬件系統(tǒng)設計原則系統(tǒng)的擴展和模塊設計應遵循下列原則【12】：（1）盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設計的成功率和結構的靈活性。（2）硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件結構。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應時間要比直接用硬件的長，而且占用CPU時間。所以選擇軟件方案時，要考慮到這些因素。（3）整個系統(tǒng)中相關的器件要盡可能做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時，存貯器的存取時間有限，應選擇允許存取速度較高的芯片；選擇CMOS芯片單片機構成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中的所有芯片都應該選擇低功耗的產(chǎn)品。（4）可靠性及抗干擾性設計是硬件系統(tǒng)設計不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。（5）單片機外接電路較多時，必須考慮其驅動能力。驅動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅動能力，增設線驅動器或減少芯片功耗，降低總線負載。（6）系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設計在滿足系統(tǒng)功能要求的基礎上，應適當留有余地，以備將來修改、擴展的需要。 控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)硬件電路主要由鍵盤顯示電路、工作狀態(tài)顯示電路、環(huán)形脈沖分配器、步進電機驅動電路、51單片機、電源及復位六部分組成。 系統(tǒng)硬件框圖 主要元件的選擇 單片機的選擇隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計算機有了飛速的發(fā)展。在MCS51系列單片機系列內核8051/80C51的基礎上，Intel公司、Philips公司、Siemens公司等很多大公司紛紛推出了名目繁多的派生芯片。而 ATMEL公司的AT89C51系列單片機是當今具有較高性能的單片微型計算機系列產(chǎn)品之一，特別適用于要求實時處理、實時控制的各類自動控制系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調速電機控制系統(tǒng)等。其主要特點有：（1） CPU內核完全和MCS51系列兼容