【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 可用中小功率晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，晶體管具有放大倍數(shù)大、線路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，用于驅(qū)動(dòng)小功率的步進(jìn)電機(jī)（繞組電流在數(shù)百毫安）。對(duì)于功率較大的步進(jìn)電機(jī)，由于繞組所需要的電流較大、電壓高、反電動(dòng)勢(shì)也大，因此需要用大功率的的晶體管驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與一般電氣設(shè)備驅(qū)動(dòng)的不同點(diǎn)主要有：(1) 各相繞組都是工作在開關(guān)狀態(tài)，多數(shù)電動(dòng)機(jī)的繞組都是連續(xù)的交流或者直流，而步進(jìn)電機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)電流上升率受到限制，因而影響電動(dòng)機(jī)繞組電流的大小。(3) 繞組斷電時(shí)，電感中磁場(chǎng)的儲(chǔ)能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過程中都會(huì)產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，而截止時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)將對(duì)驅(qū)動(dòng)級(jí)器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。(4) 電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，這些電動(dòng)勢(shì)的大小和方向?qū)?duì)繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)基本上與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電動(dòng)勢(shì)越大，繞組電流越小，從而使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。(5) 電動(dòng)機(jī)繞組中有電感電動(dòng)勢(shì)、互感電動(dòng)勢(shì)、旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)。這些電動(dòng)勢(shì)與外加電源共同作用于功率器件，當(dāng)其疊加結(jié)果使電動(dòng)機(jī)繞組兩端電壓大大超過電源電壓時(shí)，會(huì)使驅(qū)動(dòng)級(jí)的工作條件更為惡化。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電流比較大，所以單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都需要專門的接口電路及驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器可以用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動(dòng)器。本系統(tǒng)為了抗干擾，或避免一旦驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)而燒毀器件，因而在驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)之間增加一級(jí)光耦隔離器。 驅(qū)動(dòng)電路電路工作原理：當(dāng)A輸出為1時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，因而光敏三極光截止，從而使達(dá)林頓管導(dǎo)通，A相繞組通電。反之當(dāng)A為0時(shí)經(jīng)反相后，使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，從而使達(dá)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(jìn)電機(jī)按一定的方向步進(jìn)【5】。 步進(jìn)電機(jī)的變速控制對(duì)于大多數(shù)的任務(wù)而言，總希望控制系統(tǒng)能盡快地到達(dá)控制終點(diǎn)。因此要求步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)對(duì)空載最高啟動(dòng)頻率都是有所限制的。所謂的最高空載啟動(dòng)頻率是指步進(jìn)電機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)不失步地進(jìn)入同步狀態(tài)（即步進(jìn)電機(jī)每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度和控制頻率相對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)）的最大控制頻率。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，它的啟動(dòng)頻率要低于最高空載啟動(dòng)頻率。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性可知，啟動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，帶負(fù)載的能力越差；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作頻率又遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。由此可見，一個(gè)靜止的步進(jìn)電機(jī)不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動(dòng)的瞬間采取加速的措施。一般來說，~1s之間。系統(tǒng)運(yùn)行起來之后，如果到達(dá)終點(diǎn)時(shí)立即停止，可能會(huì)因系統(tǒng)慣性的原因，發(fā)生沖過終點(diǎn)的現(xiàn)象，使點(diǎn)位控制發(fā)生偏差，所以從高速運(yùn)行到停止也應(yīng)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(dòng)時(shí)，以低于響應(yīng)頻率fs的速度運(yùn)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(yùn)行。當(dāng)快要到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，又使其慢慢減速，在低于響應(yīng)頻率fs的速率下運(yùn)行，直到走完所規(guī)定的步數(shù)后就停止運(yùn)行。這樣步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)位控制過程中，運(yùn)行速度需要有一個(gè)加速—恒速—減速—低恒速—停止的過程。 點(diǎn)—位控制的加減速過程對(duì)于一個(gè)非常短的距離，如在數(shù)步范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的加減速過程沒有實(shí)際意義，只需要按起動(dòng)頻率運(yùn)行即可。對(duì)于中等或比較長(zhǎng)的運(yùn)行距離，步進(jìn)電機(jī)加速后應(yīng)該有一個(gè)恒速的過程。系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速的時(shí)間盡量短，而恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)到終點(diǎn)的時(shí)間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短而恒速時(shí)速度最高。加速時(shí)的起始速度應(yīng)該等于或略小于系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率，而不是從零開始。減速過程結(jié)束時(shí)的速度一般等于或略低于起動(dòng)速度，再經(jīng)數(shù)步低速運(yùn)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(shí)加速度為恒定，因此要求步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。但實(shí)際上步進(jìn)電機(jī)升速時(shí)由于反電動(dòng)勢(shì)和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減小，因此輸出的轉(zhuǎn)矩會(huì)有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速時(shí)，加速度是逐漸下降的，接近步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律【7】。由于步進(jìn)電機(jī)的速度正比于脈沖頻率，控制步進(jìn)電機(jī)的速度實(shí)際上就是控制脈沖頻率。用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，即控制CP脈沖的時(shí)間間隔。升速時(shí)使脈沖逐漸加密，減速時(shí)使脈沖逐漸變疏。本系統(tǒng)采用定時(shí)器中斷來控制步進(jìn)電機(jī)的加減速，實(shí)際上是不斷改變定時(shí)器的定時(shí)初值的大小。在運(yùn)行的過程中用查表的方式查出所需的定時(shí)初值，從而減小占用CPU的時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。步進(jìn)電機(jī)的加減速控制技術(shù)是步進(jìn)電機(jī)控制中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響步進(jìn)電機(jī)運(yùn)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(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能。采用步進(jìn)電機(jī)的加減速控制可以有效地克服步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)過程中出現(xiàn)失步的問題，提高系統(tǒng)的響應(yīng)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(jiǎn)單的變速控制可以利用改變步進(jìn)電機(jī)的控制方式實(shí)現(xiàn)。例如，在三相步進(jìn)電機(jī)中，啟動(dòng)或停止時(shí)，用三相六拍，改用三相三拍的的分配方式，在快到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，再次采用三相六拍的控制方式，以達(dá)到減速的目的。均勻地改變脈沖時(shí)間間隔的變速控制步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時(shí)時(shí)間間隔；在減速時(shí)，可以均勻地增加延時(shí)時(shí)間間隔。具體地說，就是均勻地增加或減少延時(shí)程序中延時(shí)時(shí)間常數(shù)。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是，由于延時(shí)的長(zhǎng)短不受限制，使步進(jìn)電機(jī)的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機(jī)的實(shí)時(shí)處理能力。采用定時(shí)器的變速控制在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，可以采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來提供CP脈沖。其方法是將定時(shí)器初始化后，每隔一定的時(shí)間向CPU申請(qǐng)一次中斷，CPU響應(yīng)中斷后便發(fā)出一個(gè)脈沖。此時(shí)只要均勻地改變定時(shí)器時(shí)間常數(shù)，即可達(dá)到均勻加減速的目的【9】。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是減少占用CPU的時(shí)間，提高控制系統(tǒng)的效率和實(shí)時(shí)處理能力。為了提高單片機(jī)的實(shí)時(shí)處理能力，系統(tǒng)采用中斷的方法進(jìn)行調(diào)速。 步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)生產(chǎn)線中的應(yīng)用由于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響比較小，方向和轉(zhuǎn)角控制簡(jiǎn)單，并且步進(jìn)電機(jī)能直接接受數(shù)字量的控制，非常適合采用微機(jī)進(jìn)行控制。此外，步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行，有利于裝置或設(shè)備的小型化和低成本，因而在軟盤驅(qū)動(dòng)器、掃描儀、打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得了到廣泛的應(yīng)用【10】。，它由搬運(yùn)站、供料站、加工站、裝配站和分揀站構(gòu)成，每一個(gè)工作站都可自成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。搬運(yùn)站的功能是向各個(gè)工作單元輸送工件，每完成一道工序就把工件送給下一個(gè)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(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線的加工過程就完成。搬運(yùn)站的整體運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有定位精確和快速的特點(diǎn)。該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有行程長(zhǎng)、多定位點(diǎn)的特點(diǎn)，是一個(gè)典型的一維位置控制系統(tǒng)。因此步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制在自動(dòng)生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，需要步進(jìn)電機(jī)的速度盡可能的快，但為了防止步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)過程中發(fā)生失步，需要按一定的規(guī)律對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行控制，也就是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率進(jìn)行控制。當(dāng)停車時(shí)，由較高的頻率突然降為零頻率，使步進(jìn)電機(jī)立即停止，可能會(huì)由于系統(tǒng)慣性的原因，轉(zhuǎn)子會(huì)沖過終點(diǎn)，結(jié)果使停車不準(zhǔn)確，因此停車也必須有一個(gè)降頻的過程。整個(gè)加減速的控制，如本文所述的步進(jìn)電機(jī)加減速控制。步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)組件由齒輪傳動(dòng)，每轉(zhuǎn)一圈搬運(yùn)站移動(dòng)55mm，如果步距角為θ，每轉(zhuǎn)一圈需要走的步數(shù)N=360176。/θ，那每一步走過的距離為L(zhǎng)=55/N。由此可以算出每個(gè)站點(diǎn)之間的需要走的步數(shù)，即需要總的脈沖個(gè)數(shù)。176。的步進(jìn)電機(jī)，從供料站到加工站的距離為470mm，需要總的脈沖個(gè)數(shù)為1709個(gè)【11】。序號(hào)站點(diǎn)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(diǎn)925mm選用的步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，定位精度就越高。步進(jìn)電機(jī)需要走的步數(shù)可以根據(jù)不同距離預(yù)先計(jì)算好，然后在單片機(jī)程序里設(shè)定好，也可以通過上位機(jī)進(jìn)行控制。 本章小結(jié)本章首先分析了步進(jìn)電機(jī)的原理，并總結(jié)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)；其次根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的控制特點(diǎn)，設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和環(huán)形脈沖分配器；為了使控制系統(tǒng)快以最短時(shí)間到達(dá)控制終點(diǎn)，并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的變速控制的方法。最后根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，介紹步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)生產(chǎn)線中的應(yīng)用。第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)的擴(kuò)展和模塊設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則【12】：（1）盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計(jì)的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。（2）硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時(shí)間要比直接用硬件的長(zhǎng)，而且占用CPU時(shí)間。所以選擇軟件方案時(shí)，要考慮到這些因素。（3）整個(gè)系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時(shí)，存貯器的存取時(shí)間有限，應(yīng)選擇允許存取速度較高的芯片；選擇CMOS芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中的所有芯片都應(yīng)該選擇低功耗的產(chǎn)品。（4）可靠性及抗干擾性設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動(dòng)能力，增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器或減少芯片功耗，降低總線負(fù)載。（6）系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)在滿足系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)留有余地，以備將來修改、擴(kuò)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、51單片機(jī)、電源及復(fù)位六部分組成。 系統(tǒng)硬件框圖 主要元件的選擇 單片機(jī)的選擇隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計(jì)算機(jī)有了飛速的發(fā)展。在MCS51系列單片機(jī)系列內(nèi)核8051/80C51的基礎(chǔ)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(jī)是當(dāng)今具有較高性能的單片微型計(jì)算機(jī)系列產(chǎn)品之一，特別適用于要求實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)控制的各類自動(dòng)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(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)等。其主要特點(diǎn)有：（1） CPU內(nèi)核完全和MCS51系列兼容