【文章內(nèi)容簡介】 當(dāng)為高電平時做減法計數(shù)，為反轉(zhuǎn)狀態(tài)。 74LS191 數(shù)據(jù)輸入端 A、 B、 C、 D 各管腳接地， 11 腳是置數(shù)端，當(dāng)它為高電平時 74LS191 為計數(shù)狀態(tài)，當(dāng)它為低電平時，計數(shù)器停止計數(shù)，把數(shù)據(jù)端的內(nèi)容（ ABCD）裝入計數(shù)器。 2716 的管腳 OE 和 CE 分別為輸出允許和片選端，使它接地讓它一直處于選通狀態(tài)。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，八拍工 作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。因此本文選擇步進(jìn)電機(jī)八拍的工作方式。 EPROM 的存儲內(nèi)容如表 所示。 xxx 畢業(yè)設(shè)計 12 表 四相步進(jìn)電機(jī)八拍工作方式存儲狀態(tài)表 地址 內(nèi)容 D C B A 勵磁狀態(tài) 00H 01H 0001 A 01H 03H 0011 AB 02H 02H 0010 B 03H 06H 0110 BC 04H 04H 0100 C 05H 0CH 1100 CD 06H 08H 1000 D 07H 09H 1001 DA 08H 01H 0001 A 續(xù)流電路 步進(jìn)電機(jī)的控制性能，與各相繞組導(dǎo)通和截止時電流的增加和衰減速度有關(guān)，對于加速度大、或者運(yùn)行速度高的步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)換速度增加時，由于繞組電感的作用，電流經(jīng)常不能立即升到額定值，同樣在繞組斷電時，電流也不能立即衰減到零。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)下一相導(dǎo)通時，斷電相繞組中的衰減電流對步進(jìn)電機(jī)起制動作用。 如圖 所示為一相勵磁時的等效電路。 L 為繞組電感， R 為串聯(lián)回路的總電阻， E 為反電動勢。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為鎖定狀態(tài)時，忽略 T 管的壓降，則繞組的電流為 U/R。如果 T 斷 電，繞組中磁場能量將極力保持原有電流的方向。晶體管上的管壓降將隨 Ldi/dt 正比的增加，這個峰值電壓的大小可能會超過一個晶體管的最大耐壓 U，造成晶體管損壞。常用的步進(jìn)電機(jī)可以很容易產(chǎn)生數(shù)值xxx 畢業(yè)設(shè)計 13 比步進(jìn)電機(jī)外加電壓大的峰值電感電動勢。這個電感電動勢必須控制在晶體管安全運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。所以驅(qū)動電路除了對步進(jìn)電機(jī)繞組提供導(dǎo)通回路外，還必須提供一個繞組斷電時的續(xù)流回路，其作用是既要保證電流的泄放的速度，同時又要抑制電感電勢，保護(hù)晶體管不受感應(yīng)電動勢峰值的沖擊。 圖 一相勵磁電路 二極管續(xù)流 抑制電勢的最 簡單的形式是用二極管跨接步進(jìn)電機(jī)繞組的兩端，如圖 所示。在繞組導(dǎo)通期間，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)繞組斷電時，繞組電勢極性反向，二極管處于正向?qū)ǖ臓顟B(tài)，為電流提供一個續(xù)流回路，二極管把功放管的集射極電壓鉗位到電源電壓 +U。 當(dāng)一相繞組斷電時，存儲在繞組中的能量必須消耗在電路的電阻 R 中，該電阻包括繞組電阻，串聯(lián)電阻和二極管正向?qū)娮?，衰減時間常數(shù)為 L/R。在低速時，斷電相電流衰減緩慢是允許的，但高速時，就會影響步進(jìn)電機(jī)的控制性能。 xxx 畢業(yè)設(shè)計 14 圖 二極管泄放電路 圖 負(fù)載曲線 二極管 — 電阻續(xù)流 要求高速或變速運(yùn)行時，斷電繞組的能量必須盡快消耗，這可以通過增加一個與二極管串聯(lián)的電阻 Rs，以減少泄放回路的時間常數(shù)，此時斷電回路的時間常數(shù)為 L/(R+Rs)。 Rs 的最大值取決于集 — 射極間的擊穿電壓 Ucer。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)截止時，若通過二極管的初始電流為額定電流 In，即 In=U/R 則晶體管集 — 射極間的壓降為 Uce=U+RsIn=U（ 1+Rs/R） 這樣為使 UceUcer 則 RsR(Ucer/U－ 1) xxx 畢業(yè)設(shè)計 15 圖 二極管 — 電阻續(xù)流回路 圖 負(fù)載曲線 由以上分析可知續(xù)流電路的特點如下： (1) 斷電相的磁場能量總是消耗在回路的電阻上，其中包括電動機(jī)繞組自身的電阻。 (2) 續(xù)流串聯(lián)電阻的大小因需要保護(hù)功放管的安全而受到限制。 (3) 衰減時間常數(shù)大，在步進(jìn)電機(jī)高速運(yùn)行時產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩，影響系統(tǒng)的特性。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交、直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備 — 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與步進(jìn)電機(jī)的自身性能有關(guān)外，在很大程度上也取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電 路應(yīng)該既要保證繞組有足夠的電壓電流，同時又要保證驅(qū)動級功率器件的安全運(yùn)行，另外還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗和較低的成本。 驅(qū)動級的功率放大器件有中功率晶體管、大功率的晶體管、達(dá)林頓管、可xxx 畢業(yè)設(shè)計 16 控硅以及各種功率模塊。對于小功率的步進(jìn)電機(jī)，可用中小功率晶體管進(jìn)行驅(qū)動，晶體管具有放大倍數(shù)大、線路簡單等優(yōu)點，用于驅(qū)動小功率的步進(jìn)電機(jī)（繞組電流在數(shù)百毫安）。對于功率較大的步進(jìn)電機(jī)，由于繞組所需要的電流較大、電壓高、反電動勢也大，因此需要用大功率的的晶體管驅(qū)動。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路與一般電氣設(shè)備驅(qū)動的不同點主要有： (1) 各 相繞組都是工作在開關(guān)狀態(tài)，多數(shù)電動機(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。繞組通電時電流上升率受到限制，因而影響電動機(jī)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(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)計適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)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(qū)動級器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。 (4) 電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢，這些電動勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電動勢基本上與電動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電動勢越大，繞組電流越小，從而使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。 (5) 電動機(jī)繞組中有電感電動勢、互感電動勢、旋轉(zhuǎn)電動勢。這些電動勢與外加電源共同作用于功率器件，當(dāng)其疊加結(jié)果使電動機(jī)繞組兩端電壓大大超過電源電壓時，會使驅(qū)動級的工作條件更為惡化。 由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動電流比較大，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)動電路。接口電路可以是鎖 存器，也可以是可編程的接xxx 畢業(yè)設(shè)計 17 口芯片，如 825 8155 等。驅(qū)動器可以用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動器。本系統(tǒng)為了抗干擾，或避免一旦驅(qū)動電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號進(jìn)入單片機(jī)而燒毀器件，因而在驅(qū)動器與單片機(jī)之間增加一級光耦隔離器。其接口電路原理圖如圖 所示。 圖 驅(qū)動電路 電路工作原理：當(dāng) 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(dá)林頓管導(dǎo)通， A 相繞組通電。反之當(dāng) 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(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灰匆欢ǖ捻樞蚋淖?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。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(jìn)電機(jī)空載時，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應(yīng)的工作狀態(tài)）的最大控制頻率。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶xxx 畢業(yè)設(shè)計 18 負(fù)載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉(zhuǎn)矩越小，帶負(fù)載的能力越差；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動后，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠(yuǎn)大于啟動頻率。由 此可見，一個靜止的步進(jìn)電機(jī)不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。一般來說，升頻的時間約為 ~1s 之間。系統(tǒng)運(yùn)行起來之后，如果到達(dá)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(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，在啟動時，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)終點時，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。因此在點位控制過程中，運(yùn)行速度需要有一個加速 — 恒速 — 減速 — 低恒速 — 停止的過程，上述的變速控制過程如圖 所示。 圖 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(nèi)，電動機(jī)的加減速過程沒有實際意義，只需要按起動頻率運(yùn)行即可。對于中等或比較長的運(yùn)行距離，步進(jìn)電機(jī)xxx 畢業(yè)設(shè)計 19 加速后應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(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。但實際上步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)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(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)的速度實際上就是控制脈沖頻率。用單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)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(jìn)電機(jī)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(yùn)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(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】 。 xxx 畢業(yè)設(shè)計 20 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(jìn)電機(jī)的控制方式實現(xiàn)。例如，在三相步進(jìn)電機(jī)中，啟動或停止時，用三相六拍，大約在 秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到達(dá)終點時，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(jìn)電機(jī)的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機(jī)的實時處理能力。 采用定時器的變速控制 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(yīng)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(dá)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(jī)的實時處理能力，系統(tǒng)采用中斷的方法進(jìn)行調(diào)速。 步進(jìn)電機(jī)在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用 由于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動特性受電壓波動和負(fù)載變化的影響比較小，方向和轉(zhuǎn)xxx 畢業(yè)設(shè)計 21 角控制簡單，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)動器、掃描儀、打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床和自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得了到廣泛的應(yīng)用 【 10】 。 自動生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)如圖 所示，它由搬運(yùn)站、供料站、加工站、裝配站和分揀站構(gòu)成，每一個工作站都可自成一個獨立的系統(tǒng)。搬運(yùn)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(yùn)站的整體運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，具有定位精確和快速的特點。該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制在自動生產(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)在啟動過程中發(fā)生失步，需要按一定的規(guī)律對步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行控制，也就是對步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率進(jìn)行控制。當(dāng)停車時，由較高的頻率突然降為零頻率，使步進(jìn)電機(jī)立即停止，可能會由