【正文】 這些因素。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)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 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。 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。 表 各站點(diǎn)距離 序號(hào) 站點(diǎn) 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(diǎn) 925mm 選用的步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，定位精度就越高。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】 。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)。 圖 自動(dòng)生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 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。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。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。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)。 自動(dòng)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(gè)工作站都可自成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。 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)哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 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。 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。其方法是將定時(shí)器初始化后，每隔一定的時(shí)間向 CPU 申請一次中斷， CPU 響應(yīng)中斷后便發(fā)出一個(gè)脈沖。 這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是，由于延時(shí)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(shí)時(shí)處理能力。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。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，大約在 秒后，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。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】 。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。升速時(shí)使脈沖逐漸加密，減速時(shí)使脈沖逐漸變疏。 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。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。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。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。對于中等或比較長的運(yùn)行距離，步進(jìn)電機(jī)哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 加速后應(yīng)該有一個(gè)恒速的過程。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，上述的變速控制過程如圖 所示。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。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】 。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。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 負(fù)載時(shí)，它的啟動(dòng)頻率要低于最高空載啟動(dòng)頻率。此外一般步進(jìn)電機(jī)對空載最高啟動(dòng)頻率都是有所限制的。 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(diǎn)。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。其接口電路原理圖如圖 所示。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。 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。 (5) 電動(dòng)機(jī)繞組中有電感電動(dòng)勢、互感電動(dòng)勢、旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢。 (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，這些電動(dòng)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(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。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。 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。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(dòng)，晶體管具有放大倍數(shù)大、線路簡單等優(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）。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該既要保證繞組有足夠的電壓電流，同時(shí)又要保證驅(qū)動(dòng)級(jí)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。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器。 (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。 Rs 的最大值取決于集 — 射極間的擊穿電壓 Ucer。在低速時(shí)，斷電相電流衰減緩慢是允許的，但高速時(shí)，就會(huì)影響步進(jìn)電機(jī)的控制性能 。當(dāng)繞組斷電時(shí)，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(gè)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(lì)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。這個(gè)電感電動(dòng)勢必須控制在晶體管安全運(yùn)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(gè)峰值電壓的大小可能會(huì)超過一個(gè)晶體管的最大耐壓 U，造成晶體管損壞。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為鎖定狀態(tài)時(shí)，忽略 T 管的壓降，則繞組的電流為 U/R。 如圖 所示為一相勵(lì)磁時(shí)的等效電路。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 表 四相步進(jìn)電機(jī)八拍工作方式存儲(chǔ)狀態(tài)表 地址 內(nèi)容 D C B A 勵(lì)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(shí)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(shí)，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(shí)，電流也不能立即衰減到零。因此本文選擇步進(jìn)電機(jī)八拍的工作方式。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。 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(shí) 74LS191 為計(jì)數(shù)狀態(tài)，當(dāng)它為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，把數(shù)據(jù)端的內(nèi)容（ ABCD）裝入計(jì)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(hào)，當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)做加法計(jì)數(shù)，為正轉(zhuǎn)狀態(tài)。軟件方法的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是占用 CPU 時(shí)間較多，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。對于不同的步進(jìn)電機(jī)及不 同的勵(lì)磁方式，只需改變存儲(chǔ)的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。實(shí)際上，使用 RPROM 設(shè)計(jì)的環(huán)形脈沖器是一種軟硬件結(jié)合的技術(shù)，通過軟件的編程可以實(shí)現(xiàn)不同勵(lì)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(hào)，可以保護(hù)驅(qū)動(dòng)器不受損壞。驅(qū)動(dòng)電路輸入非法 狀態(tài)可能會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)電路。 一種線路可以實(shí)現(xiàn)多種勵(lì)磁狀態(tài)方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲(chǔ)不同的狀態(tài)表，除軟件工作之外，硬件無需改動(dòng)。由可逆循環(huán)計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)器兩部分組成，計(jì)數(shù)器可以用現(xiàn)有的器件實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)長度可以用簡單的外圍電路實(shí)現(xiàn)。如果計(jì)數(shù)器做加計(jì)數(shù)，則存儲(chǔ)器按地址遞增的方向依次讀取狀態(tài)表的內(nèi)容，相反， 計(jì)數(shù)器做減計(jì)數(shù)，則存儲(chǔ)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(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長度應(yīng)等于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一個(gè)周期的拍數(shù)或拍數(shù)的整數(shù)倍，計(jì)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(jì)數(shù)器的每個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)都對應(yīng)存儲(chǔ)器的一個(gè)地址，存儲(chǔ)器的輸出端就對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的一種勵(lì)磁狀態(tài)。其基本思想是：首先確定步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，再以二進(jìn)制碼的形式存入 EPROM 存儲(chǔ)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(chǔ)器輸出的就是各相繞組的勵(lì)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(chǔ)器是一種紫外線擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器 ，存儲(chǔ)器的內(nèi)容可哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jìn)電機(jī)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?？刂泼}沖信號(hào)的有無就能控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行和停止，脈沖信號(hào)的頻率決定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，方向電平控制步進(jìn)電 機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。 在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，控制器與驅(qū)動(dòng)器之間連接方式可分為串行控制和并行控制。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)正常工作，必須按照該種步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)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(jìn)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(huì)帶來不同的工作性能。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(tái)步進(jìn)電機(jī)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(shí)針方向運(yùn)行了一步，相應(yīng)的角度為 15176。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 (a) AB 相通電 (b) BC 相通電 圖 三相雙三拍運(yùn)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(jié)合起來的運(yùn)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(jìn)行，六種不同的通電狀態(tài)組成一個(gè)循環(huán)，這時(shí)步進(jìn)電機(jī)的工作情況如圖 所示，圖 (a)為 A 相通電時(shí)的情況，轉(zhuǎn)子 齒 3 磁軸與 A 相磁極軸線重合，當(dāng)通電狀態(tài)由 A 轉(zhuǎn)為 AB 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)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(shí)針轉(zhuǎn)過 15176。與單三拍運(yùn)行方式相同，但其中有一點(diǎn)不同，即在雙三拍運(yùn)行時(shí)，每拍使步進(jìn)電機(jī)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)狀態(tài)時(shí)，總有一相繞組保持通電。這種通電方式每拍同時(shí)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(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。即每步轉(zhuǎn)過的步距角為 30176。穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子齒 4 對準(zhǔn) B 相磁極軸線的位置，當(dāng) C 相通電時(shí)如圖 (c)所示，轉(zhuǎn)子又將逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng) 30176。 （ a） A 相通電 （ b） B 相通電 （ c） C 相通電 圖 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理 如果將上圖的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子制成四極（或稱為四個(gè)齒）結(jié)構(gòu)，如圖 所示，則按三相單三拍運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的步距角也將發(fā)生變化。如果改變?nèi)嗬@組的通電順序?yàn)?ACBA 顯然步進(jìn)電機(jī)將按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。達(dá)到轉(zhuǎn)子軸線和 B 相磁極軸線相重合的位置，即轉(zhuǎn)子走過一步，然后 B 相電源斷開，同時(shí)接通 C 相如哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 圖 (c) 所示，同理將使轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向再走一步。這種現(xiàn)象也可以這樣來理解， A 相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子對定子的相對位置不同，則磁路的磁阻也不同，使 A 相磁路的磁阻為最少的轉(zhuǎn)子位置，就是該時(shí)的穩(wěn)定平衡位置，即轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子軸線和 A 相 磁極軸線相重合的位置。 三相單三拍通電方 式 這是步進(jìn)電機(jī)的一種最簡單的工作方式，