【文章內(nèi)容簡介】 通過氣隙的，這時作用在氣隙中的磁勢是同極性的，稱為單極磁勢。而轉(zhuǎn)子包括兩段，一段經(jīng)永磁體磁化成 N 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 圖 定子展開圖 極，另一段磁化為 S 極，每段轉(zhuǎn)子齒以一個齒距間隔均勻分布，但兩段轉(zhuǎn)子的齒相互錯開 1/2 個轉(zhuǎn)子齒距。 a) N 極段截面圖 b) S 極段截面圖如圖 所示 : a) N 極段截面圖 b) S 極段截面圖 圖 三相混合式步進電機截面圖 步進電機詳細調(diào)速原理 步進電機的調(diào)速一般是改變輸入步進電機的脈沖的頻率來實現(xiàn)步進電機的調(diào)速，因為步進電機每給一個脈沖就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進電機的一個脈沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步進角來改變電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)步進電的調(diào)速。具體的延時時間可以通過軟件來實現(xiàn)。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 這就需要采用單片機對步進電機進行加減速控制 ,實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔 ,單片機控制步進電機加減法運轉(zhuǎn)可實現(xiàn)的方法有軟件和硬件兩種 ,軟件方法指的是依靠延時程序來改變脈沖輸出的頻率 ,其中延時的長短是動態(tài)的 ,軟件 法在電機控制中 , 要不停地產(chǎn)生控制脈沖 , 占用了大量的 CPU 時間 ,使單片機無法同時進行其他工作 。硬件方法是依靠單片機內(nèi)部的定時器來實現(xiàn)的 ,在每次進入定時中斷后 ,改變定時常數(shù) ,從而升速時使脈沖頻率逐漸增大 ,減速時使脈沖頻率逐漸減小 ,這種方法占用CPU 時間較少 ,在各種單片機中都能實現(xiàn) ,是一種比較實用的調(diào)速方法。 本次設(shè)計的基本要求 研究步進電機的特性、工作原理、及其具體的調(diào)速原理。 基本要求 : 步進電機采用三相步進電機，功率為 1W。調(diào)速范圍為 0 到 1000r/min最高轉(zhuǎn)速時，精度 2%. 要基本上 完成畢業(yè)設(shè)計，作到步進電機能精確的調(diào)速，正反轉(zhuǎn)、并能在起動時不失步，基本上沒有振蕩，能完成完整的硬件電路圖，軟件設(shè)計 。 2 方案的論證 控制方式的確定 步進電機控制雖然是一個比較精確的，步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)具有 成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點，在采用單片機的步進電機開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的 CP 脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進電機的運行速度。 系統(tǒng)可用兩種辦法實現(xiàn) 步進電機的速度控制。一種是延時，一種是定時。延時方法是在每次換向之后調(diào)用一個延時子程序，待延時結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖或換向周期。延時子山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 程序的延時時間與換向程序所用的時間和，就是 CP 脈沖的周期，該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實現(xiàn)不同速度的運行。但占用 CPU 時間長，不能在運行時處理其他工作。因此只適合較簡單的控制過程。定時方法是利用單片機系統(tǒng)中的定時器定時功能產(chǎn)生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出 CP 脈沖的周期。當定時器啟動后，定時器從 裝載的初值開始對系統(tǒng)及其周期進行加計數(shù)，當定時器溢出時，定時器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷子程序。將電機換向子程序放在定時中斷服務(wù)程序中，定時中斷一次，電機換向一次，從而實現(xiàn)電機的速度控制。 由于從定時器裝載完重新啟動開始至定時器 申請 中斷止，有一定的時間間隔，造成定時時間增加，為了減少這種定時誤差，實現(xiàn)精確定時，要對重裝的計數(shù)初值作適當?shù)恼{(diào)整。調(diào)整的重裝初值主要考慮兩個因 素一是中斷響應(yīng)所需的時間。二是重裝初值指令所占用的時間，包括在重裝初值前中斷服務(wù)程序重的其他指令因。綜合這兩個因素后，重裝計數(shù)初值的修正量取 8 個機器周期，即要使定時時間縮短 8 個機器周期。用定時中斷方式來控制電動機變速時，實際上是不斷改變定時器裝載值的大小。在控制過程中，采用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計算裝載值的時間，系統(tǒng)設(shè)計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的 ROM中，系統(tǒng)在運行中用查表法查出所需的裝載值，這樣可大幅度減少占用 CPU的時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度愿大多數(shù)步進電機運動控制 系統(tǒng)都運行在開環(huán)狀態(tài)下，因為 成本 較低，并可提供運動控制技術(shù)固有的位置控制，無須反饋。但是，在某些應(yīng)用中，需要更多的可靠性、安全性或產(chǎn)品質(zhì)量的保證，因此，閉環(huán)控制也是一種選擇 .以下是一些實現(xiàn)步進電機閉環(huán)控制的方法： (1)步進確認，這是最簡單的位移控制，使用一個低值的光學(xué)編碼器山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 計算步進移動的數(shù)量。一個簡單的回路與指令校驗的步進電機比較，驗證步進電機移動到預(yù)計的位置； (2)反電動勢 , 一種無傳感器的檢測方法，使用步進電機的反電動勢（ eleCtromotiveforCe， emf）信號，測量和控制速度。當反電動勢電壓降至監(jiān)測探測水平時，閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為標準開環(huán)，完成最終的位移移動； (3)全伺服控制，指全時間的使用反饋設(shè)備，用于步進電機 編碼器、解碼器、或其它反饋傳感器上，從而更為精確地控制步進電機位移和轉(zhuǎn)矩。 其它的方法包括各種不同的反電動勢控制電機參數(shù)測量和軟件技術(shù)，一些制造企業(yè)都會使用這些方法。這里，步進驅(qū)動監(jiān)控和測量電機線圈，使用電壓額電流信息提高步進電機控制。 正阻尼使用這一信息阻擋振動的速度，產(chǎn)生更多的可用的轉(zhuǎn)矩輸出，降低轉(zhuǎn)矩的 機械 振動損耗。無編碼器安裝監(jiān)測采用信息檢測同步速度的損耗。 傳統(tǒng)步進電機控制通常采用反饋設(shè)備和非傳感方法，是有效的實現(xiàn)帶有安全需求、危險狀況或高精確度要求的運動應(yīng)用的方法。 大多數(shù)基于步進電機的系統(tǒng)，一般都運行在開環(huán)狀態(tài)下，這樣可提供一個低成本的方案。 事實上，步進系統(tǒng)可提高位移控制的的性能， 且不需要反饋。但是，當步進電機在開環(huán)時運行，在命令步幅和實際步幅之間會有同步損耗的可能。 閉環(huán)控制，是傳統(tǒng)步進控制的一個部分，能有效地提供更高地可靠性、安全性或產(chǎn)品質(zhì)量。在這些步進系統(tǒng)中，反饋設(shè)備或間接參數(shù)傳感方法的閉環(huán)能進行校正或控制失步、監(jiān)測電機停滯，以及確保更大的可用轉(zhuǎn)矩輸出。近期，步進電機的閉環(huán)控制（ CLC）還能幫助執(zhí)行智能分布運動架構(gòu)。然而，開環(huán)操作會有失步的風(fēng)險，這將產(chǎn)生定位失誤。但與伺服系統(tǒng)中使用的編碼器相比，閉環(huán)步進電機采用的編碼器成本更低。故選擇閉環(huán)控制。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 驅(qū)動方式 的確定 并于步進電機的驅(qū)動一般有兩種方法，一種是通過 CPU 直接來驅(qū)動，這種方法一般不宜采用，因為 CPU 的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進電機的轉(zhuǎn)動；別一種是通過 CPU 來間接驅(qū)動，就是把從 CPU 輸出的信號進行放大，然后直接驅(qū)動或是再通過光電隔離間接來驅(qū)動步進電機，這種方法比較安全可靠。固本次設(shè)計應(yīng)采用 CPU 間接驅(qū)動步進電機。 用編碼器還的測速發(fā)電機作為轉(zhuǎn)速測量工具 ,因為選擇了閉環(huán)控制，就必須有反饋元件，反饋元件一般有兩種，一種是采用同軸的測速發(fā)電機，把步進電機的轉(zhuǎn)速反饋回來，然后通過顯示器顯示出來并對步 進電機進行調(diào)節(jié)；別一種是通過光同軸的電編碼器把步進電機的轉(zhuǎn)速反饋回來對步進電機進行調(diào)節(jié)；兩者相比，后者的設(shè)計比較簡單，價格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光電騙碼器作為反饋元件。 驅(qū)動電路的選擇 步進電機的驅(qū)動電機有多種，但最為常用的就是單電壓驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、斬波驅(qū)動、細分控制驅(qū)動等。單電壓驅(qū)動是步進電機控制中最為簡單的一種驅(qū)動電路，它在本質(zhì)上是一個單間的反相器。它的最大特點是結(jié)構(gòu)簡單，因它的工作效率低，特別是在高頻下更顯的突出。它的外接電阻 R要消耗相當一部分的熱量，這樣就會影響電路的 穩(wěn)定性所以此種驅(qū)動方式一般只用在小功率的步進電機的驅(qū)動電路中。 雙電壓驅(qū)動是電路一般采用兩種電源電壓來驅(qū)動，因這兩個電源分別是一個為高壓一個為低壓，因此也稱為高低壓驅(qū)動電路。雙電壓驅(qū)動電路的缺點是在高低壓連接處電流出現(xiàn)谷點，這樣必然引起力矩在谷點處下降。不宜于電機的正常運行。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 對于斬波電路驅(qū)動則可以克服這種缺點，并且還可以提高步進電機的效率。所以從提高效率來看這是一種很好的驅(qū)動電路，它可以用較高的電源電壓，同時無需外接電阻來限定期額定電流和減少時間常數(shù)。但由于其波形頂部呈現(xiàn)鋸齒形波動，所以會產(chǎn)生較大的電磁噪 聲。 細分驅(qū)動是用脈沖電壓來供電的，對于一個電壓脈沖，轉(zhuǎn)子就可以轉(zhuǎn)動一步，一般會根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞阻會輪流切換，固可以使步進電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。細分控制的電路一般分為兩類，一類是采用線性模擬功率放大器的方法獲得階梯形電流，這種方法簡單，但效率低。別一種是用單片機采用數(shù)子脈寬調(diào)制的方法獲得階梯電流，這種方法需要復(fù)雜的計算可使細分后的步距角一致。但因本次設(shè)計對步進電機的精度要求比較高轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍比較廣，固應(yīng)選用驅(qū)動芯片 8713 來驅(qū)動，并通過軟件來實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。 基本方案的確定 因本次設(shè)計的要求，選用三相三拍步進電機，單片機選用 89C51 作為控制器。選取用 8279 來驅(qū)動顯示和鍵盤。選用 8713 作為步進電機的驅(qū)動芯片并通過光電耦合來驅(qū)動步進電機。然后由于步進電機同軸的光電編碼器作為反饋元件，并把反饋回的信號經(jīng) CPU 處理后再由顯示器顯示出來。但由鍵盤輸入的速度數(shù)值了得通過顯示器來顯示，固本次設(shè)計要兩排顯示，一排來顯示 給定的轉(zhuǎn)速一排來顯示實際的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)原理框圖如 ： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 圖 系統(tǒng)原理框圖 3 硬件電路的設(shè)計 單片機的選擇 本次設(shè)計以 CPU 選用 89C5l 作為步進電機的控制芯片． 89C51 的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上．使用方便等優(yōu)點，而且完全兼容 MCS5l 系列單片機的所有功能。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。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) 標準的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 。 單片機的引腳功能 (1)VCC（ 40）：電源 +5V。 (2)VSS（ 20）：接地，也就是 GND。 (3)XTL1（ 19）和 XTL2（ 18）：振蕩電路。 光電編碼器 8279 顯示器 光電耦合 AT89C51 鍵盤 8713 三相步進電機 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 單片機是一種時序電路，必須有脈沖信號 才能工作，在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時，需在 XTL2 上加外部時鐘信號（詳細的內(nèi)容將在以后的課程中專門介紹）。 (4)PSEN（ 29）：片外 ROM 選 通信 號，低電平有效。 (5)ALE/PROG（ 30）：地址鎖存信號輸出端 /EPROM 編程脈沖輸入端。 (6)RST/VPD（ 9）：復(fù)位信號輸入端 /備用電源輸入端。 (7)EA/VPP （ 31 ）：內(nèi) / 外部 ROM 選擇 端 。 (8)P0 口（ 3932）：雙向 I/O 口。 P1 口（ 18）：準雙向通用 I/0 口。 P2 口（ 2128）：準雙向 I/0 口。原理圖如 所示： 主要特性 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定、 128*8 位內(nèi)部 RAM、32 可編程 I/O 線 、兩個 16 位定時器 /計數(shù)器、 5個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 13 J un 201 0 S he e t of F i l e : G : \電路原理圖 .ddb D r a w n B y :T 1/ P 15W R / P 16 R D / P 17X T A L 218X T A L 119GND20T 0/ P 14P 1 P 2P 4P 5P 6P 3P 7P 8R X D / P 10T X D / P 11R S T / V P D9P 38I N T 0/ P 12P 25P 21P 22P 23P 24I N T 1/ P 13P 26P 27P 28P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P