【正文】 還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信息度高，價(jià)格低，非易失性和可靠性高等特點(diǎn)。（6） 具有6個(gè)中斷源，完全可以滿足一般設(shè)計(jì)的中斷系統(tǒng)擴(kuò)展需要。（4） 可在0～24MHz的晶振頻率范圍內(nèi)可靠工作，加快了系統(tǒng)的工作速度，可用在某些高速實(shí)時(shí)處理控制系統(tǒng)中。其主要特點(diǎn)有：（1） CPU內(nèi)核完全和MCS51系列兼容，具有MCS51系列單片機(jī)的一切功能。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。 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。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。（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。所以選擇軟件方案時(shí)，要考慮到這些因素。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(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。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。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。176。/θ，那每一步走過的距離為L(zhǎng)=55/N。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。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。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)。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。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】。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。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】。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。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)。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)。 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)。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。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。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。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】。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。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。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)。 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。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。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。一般來說，~1s之間。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。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。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?？傊灰匆欢ǖ捻樞蚋淖傾、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】。 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。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(shì)、互感電動(dòng)勢(shì)、旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)。(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。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(duì)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(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）。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(shì)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。 一相勵(lì)磁電路 二極管續(xù)流抑制電勢(shì)的最簡(jiǎn)單的形式是用二極管跨接步進(jìn)電機(jī)繞組的兩端。這個(gè)電感電動(dòng)勢(shì)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。地址內(nèi)容D C B A勵(lì)磁狀態(tài)00H01H0001A01H03H0011AB02H02H0010B03H06H0110BC04H04H0100C05H0CH1100CD06H08H1000D07H09H1001DA08H01H0001A 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(duì)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(duì)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(zhǎng)度可以用簡(jiǎn)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器的一個(gè)地址，存儲(chǔ)器的輸出端就對(duì)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)， 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(duì)各相繞組進(jìn)行通電和斷電控制。步距角θs可由式(11)求得【3】θs=360176。通電相數(shù)不同也會(huì)帶來不同的工作性能。(a) A相通電 (b) AB相通電(c) B相通電 (d) BC相通電 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。(a) AB相通電 (b) BC相通電 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)， 所示，(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)，(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)，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(duì)準(zhǔn)B相磁極軸線的位置， (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 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)，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)锳CBA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， (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(duì)定子的相對(duì)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(jiǎn)單的工作方式，所謂“三相”，即三相步進(jìn)電機(jī)，具有三相定子繞組；“單”指每次只有一相繞組通電；“三拍”指三次換接為一個(gè)循環(huán)，第四次換接重復(fù)第一次情況。第二章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的原理反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理是與反應(yīng)式同步電機(jī)一樣，也是利用轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)， 所示是一臺(tái)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理，定子鐵心為凸極式，共有三相，六個(gè)磁極，不帶小齒，磁極上裝有控制繞組，相對(duì)的兩個(gè)磁極串聯(lián)連接，組成一相控制繞組。 本章小結(jié)本章首先介紹了課題研究的背景，提出設(shè)計(jì)的思路。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的原理和控制特點(diǎn)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計(jì)研究環(huán)形脈沖分配器的作用和構(gòu)成，并設(shè)計(jì)出可靠、靈活的環(huán)形脈沖分配器電路。研究步