【正文】 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(diào)速電機控制系統(tǒng)等。 圖 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。 24 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(qū)動電路、 51 單片機、電源及復位六部分組成。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動能力，增設線驅(qū)動器或減少芯片功耗，降低總線負載。 （ 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。所以選擇軟件方案時，要考慮到這些因素。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。 23 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。 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(qū)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。 表 各站點距離 序號 站點 距離 1 供料站 — 加工站 470mm 2 加工站 — 裝配站 286mm 3 裝配站 — 分揀站 235mm 4 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。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】 。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)。 圖 自動生產(chǎn)線結構示意圖 22 步進電機傳動組件由齒輪傳動，每轉(zhuǎn)一圈搬運站移動 55mm，如果步距角為θ，每轉(zhuǎn)一圈需要走的步數(shù) N=360176。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(zhuǎn)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。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。搬運站的整體運動采用步進電機驅(qū)動，具有定位精確和快速的特點。 自動生產(chǎn)線結構如圖 所示，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)。 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(zhuǎn) 21 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。 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。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。 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。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。例如，在三相步進電機中，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，在快到達終點時，再次采用三相六拍的控制方式，以 達到減速的目的。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】 。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。升速時使脈沖逐漸加密，減速時使脈沖逐漸變疏。 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。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(zhuǎn)矩為恒值。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。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。對于中等或比較長的運行距離，步進電機 19 加速后應該有一個恒速的過程。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，上述的變速控制過程如圖 所示。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。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 】 。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。當步進電機帶 18 負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。此外一般步進電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。 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。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。其接口電路原理圖如圖 所示。驅(qū)動器可以用大功率復合管，也可以是專門的驅(qū)動器。 由于步進電機需要的驅(qū)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(qū)動電路。 (5) 電動機繞組中有電感電動勢、互感電動勢、旋轉(zhuǎn)電動勢。 (4) 電動機運轉(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。為使電流盡快衰減，必須設計適當?shù)睦m(xù)流回路。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。 步進電機驅(qū)動電路與一般電氣設備驅(qū)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。對于小功率的步進電機，可用中小功率晶體管進行驅(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)動小功率的步進電機（繞組電流在數(shù)百毫安）。步進電機的驅(qū)動電路應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行，另外還應有較高的效率、較小的功耗和較低的成本。 步進電機驅(qū)動電路 步進電機不能直接接到交、直流電源上工作，而必須使用專用設備 — 步進電機驅(qū)動器。 (2) 續(xù)流串聯(lián)電阻的 大小因需要保護功放管的安全而受到限制。 Rs 的最大值取決于集 — 射極間的擊穿電壓 Ucer。在低速時，斷電相電流衰減緩慢是允許的，但高速時，就會影響步進電機的控制性能。當繞組斷電時，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。 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電機繞組的兩端，如圖 所示。這個電感電動勢必須控制在晶體管安全運行區(qū)域內(nèi)。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。當步進電機為鎖定狀態(tài)時，忽略 T 管的壓降，則繞組的電流為 U/R。 如圖 所示為一相勵磁時的等效電路。 12 表 四 相步進電機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 步進電機的控制性能，與各相繞組導通和截止時電流的增加和衰減速度有關，對于加速度大、或者運行速度高的步進電機，當轉(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。因此本文選擇步進電機八拍的工作方式。四相步進電機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。 74LS191 數(shù)據(jù)輸入端 A、 B、 C、 D 各管腳接地， 11 腳是置數(shù)端，當它為高電平時 74LS191 為計數(shù)狀態(tài)，當它為低電平時，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。 74LS191 第五腳為加減法輸入控制端，該輸入端作為方向輸入的控制信號，當?shù)碗娖綍r做加法計數(shù)，為正轉(zhuǎn)狀態(tài)。軟件方法的優(yōu)點是節(jié)省硬件，降低系統(tǒng)的成本，且更改靈活，有利于系統(tǒng)的小型化，其主要的缺點是占用 CPU 時 間較多，降低系統(tǒng)的響應速度。對于不同的步進電機及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。實際上，使用 RPROM 設計的環(huán)形脈沖器是一種軟硬件結合的技術，通過軟件的編程可以實現(xiàn)不同勵磁方式的輸出。因此即使有非法的地址輸入，輸出端輸出的都是截止的信號，可以保護驅(qū)動器不受損壞。驅(qū)動電路輸入非法狀態(tài)可能會損壞驅(qū)動電路。 一種線路可以實現(xiàn)多種勵磁狀態(tài)方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲不同的狀態(tài)表，除軟件工作之外，硬件無需改動。由可逆循環(huán)計數(shù)器和存儲器兩部分組成，計數(shù)器可以用現(xiàn)有的器件實 現(xiàn)，計數(shù)長度可以用簡單的外圍電路實現(xiàn)。如果計數(shù)器做加計數(shù)，則存儲器按地址遞增的方向依次讀取狀態(tài)表的內(nèi)容，相反，計數(shù)器做減計數(shù)，則存儲器按地址遞減方向依次取出狀態(tài)表的內(nèi)容，從而控制步進電機的正反轉(zhuǎn)。計數(shù)器的計數(shù)長度應等于步進電機運行一個周期的拍數(shù)或拍數(shù)的整數(shù)倍，計數(shù)器的輸出端接到 EPROM 的地址線上，并且使 EPROM 總是處于讀出的狀態(tài)，這樣計數(shù)器的每個計數(shù)狀態(tài)都對應存儲器的一個地址，存儲器的輸出端就對應步進電機的一種勵磁 狀態(tài)。其基本思想是：首先確定步進電機勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，再以二進制碼的形式存入 EPROM 存儲器中，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址的內(nèi)容，那么存儲器輸出的 就是各相繞組的勵磁狀態(tài)，用 EPROM搭建的環(huán)形脈沖分配器的原理框圖如圖 所示，它由兩部分組成。 EPROM 存儲器是一種紫外線擦除的可編程只讀存儲器，存儲器的內(nèi)容可 9 以由使用者自己編程，且可以用紫外線照射后重新使用。 步進電機按類型、相數(shù)來劃分種類繁多，不同種類、不同相數(shù)、不同分配方式都必 須有不同的環(huán)形脈沖分配器，因此所需要的環(huán)形脈沖分配器的類型是很多的。控制脈沖信號的有無就能控制步進電機運行和停止，脈沖信號的頻率決定步進電機的運行速度，方向電平控制步進電機的運轉(zhuǎn)方向。 在步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)中，控制器與 驅(qū)動器之間連接方式可分為串行控制和并行控制。同時步進電機有正反轉(zhuǎn)的要求，所以環(huán)形脈沖分配器的輸出既有周期性又有可逆性。 環(huán)形脈沖分配器 要使步進電機正常工作，必須按照該種步進電機的勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表所規(guī)定的狀態(tài)和次序依次對各相繞組進行通電和斷電控制。步距角θ s 可由式 (11)求得 【 3】 θ s=360176。通電相數(shù)不同也會帶來不同的工作性能。 7 (a) A 相通電 (b) AB 相通電 (c) B 相通電 (d) BC 相通電 圖 三相六拍通電方式 通過分析可知一臺步進電機可以有不同的通電方式，即可以有不同的拍數(shù)。恰好為三相單拍或雙三拍通電方式的一半。角，即轉(zhuǎn)子又逆時針方向運行了一步，相應的角度為 15176。 6 (a) AB 相通電 (b) BC 相通電 圖 三相雙三拍運行方式 三相六拍通電方式 這是一種將一相通電和兩相 通電結合起來的運行方式，其具體通電方式為： AABBBCCCAA 或 A–ACCBBBAA，即一相通電和兩相通電間隔輪流進行，六種不同的通電狀態(tài)組成一個循環(huán)，這時步進電機的工作情況如圖 所示，圖 (a)為 A 相通電時的情況，轉(zhuǎn)子齒 3 磁軸與 A 相磁極軸線重合，當通電狀態(tài)由 A 轉(zhuǎn)為 AB 時，步進電機的狀態(tài)如圖 (b) 所示，轉(zhuǎn)子齒 3磁極離開 A 相磁極軸線，即轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過 15176。與單三拍運行方式相同，但其中有一點不同，即在雙三拍運行時，每拍使步進電機從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?另一個狀態(tài)時，總有一相繞組保持通電。這種通電方式每拍同時有兩相繞組通電，三拍為一循環(huán)，如圖 所示，轉(zhuǎn)子為四極的反應式步進電機。即每步轉(zhuǎn)過的步距角為 30176。穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子齒 4 對準 B 相磁極軸線的位置，當 C 相通電時如圖 (c)所示，轉(zhuǎn)子又將逆時針方向轉(zhuǎn)動 30176。 （ a） A 相通電 （ b） B 相通電 （ c） C 相通電 圖 三相反應式步進電機原理 如果將上圖的反應式步進電機的 轉(zhuǎn)子制成四極（或稱為四個齒）結構，如圖 所示，則按三相單三拍運行時，轉(zhuǎn)子的步距角也將發(fā)生變化。如果改變?nèi)嗬@