【正文】 護現(xiàn)場 中斷次數(shù) 1=0？ 讀方向指示 發(fā)速度脈沖 重送相關(guān)狀態(tài) 恢復(fù)現(xiàn)場 中斷返回 Y N 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 17 圖 42 定時中斷程序流程圖 外部中斷設(shè)計 外部中斷所要完成的工作是根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進電機的輸出脈沖頻率，也就是改變了電機 的轉(zhuǎn)速。在這個系統(tǒng)中，這個時間間隔是用定時器重復(fù)中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的，即調(diào)節(jié)時間間隔就是調(diào)節(jié)定時器的中斷次數(shù)，因而在定時器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機的運行方向、發(fā)下一個脈沖，以及保存當(dāng)前的各種狀態(tài)。若初始化 P1=11H、速度和方向初始值均設(shè)為 0，就意味著步進電機按四相單四拍運行，系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下，步進電機不旋轉(zhuǎn)，方向值顯示“ 0”，速度值顯示“ 0”，主程序流程圖如圖 41 所示。 主程序設(shè)計 主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種開關(guān)狀態(tài)的檢測判斷等。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 13 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 通過分析可以看出，實現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于隨時有可能輸入加速、加速信號和方向信號，因而采用中斷方式效率最高，這樣總共要 完成 4個部分的工作才能滿足課題要求，即主程序部分、定時器中斷部分、外部中斷 0和外部中斷 1 部分，其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置及啟動開關(guān)的檢測，若啟動開關(guān)合上則系統(tǒng)開始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時器部分控制脈沖頻率，它決定了步進電機轉(zhuǎn)速的快慢；兩個外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能。電路如圖 34 所示。第一個數(shù)碼管接的 a、 b、 c、d、 e、 f、 g、 h 分別接 ~ 口，用于 顯示電機正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，正轉(zhuǎn)時顯示“ 1”，反轉(zhuǎn)時顯示“一”，不轉(zhuǎn)時顯示“ 0”。在顯示電路中，主要是利用了單片機的 P0 口和 P2 口。通過單片機的 ~ 輸出脈沖到 ULN2803 的 1B~4B 口，經(jīng)信號放大后從 1C~4C 口分別輸出到電機的 A、 B、 C、 D 相。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路實用較多。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖 32示。在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。如圖 32 示。該設(shè)計要求只需 4 個鍵對步進電機的狀態(tài)進行控制，但考慮到對控制功能的擴展，使用了 6路獨立式鍵盤。 最小系統(tǒng) 單 片機最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，素質(zhì)用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)，對 51 系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、復(fù)位電路、晶振電路。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 10 圖 31 控制電路原理圖 根據(jù)步進電機的工作原理可以知道，步進電機轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機的脈沖頻率，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。通過 KK2 狀態(tài)變化來實現(xiàn)電機的啟動和換向功能。驅(qū)動電路主要是對單片機輸出的脈沖進行功率放大，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動?？刂齐娐分灰砷_關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進行操作。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 9 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 本設(shè)計的硬件電路只要包括控制電路、 最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路、顯示電路四大部分。在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進 電機跟不上頻率的變化后電機會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進電機允許的范圍內(nèi)。各種工作方式在電源通電時的時序與波形分別如圖23 a、 b、 c 所示。本設(shè)計利用單片機進行控制，主要是利用軟件進行環(huán)形脈沖分配。但過分采用減小氣隙，增加勵磁匝數(shù)來提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。此力矩是衡量電機體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。 定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電的狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。八拍運行時步距角為 θ=360176。四相運行時步距角為 θ=360176。 θ=360176。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖用 n 表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即 AB→BC→CD→DA→ AB，四相八拍運行方式即 A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A 。當(dāng)某一相繞組通電時，對應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對齊，由此可見，錯齒是促使電機旋轉(zhuǎn)的原因。 (1)四相步進電機的工作原理 該設(shè)計采用了 20BY0 型步進電機，該電機為四相步進電機，采用單極性直流電源供電。步進電機的運轉(zhuǎn)是由電脈沖信號控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每個一個脈沖，步進電機 就轉(zhuǎn)動一個角度（步距角）或前進、倒退一步。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。 總體硬件組成框圖 總體硬件組成框圖如圖 22 所示。用 P0 口控制第一數(shù)碼管用于顯示正反轉(zhuǎn)，用 P2 口控制第二個數(shù)碼管用于顯示轉(zhuǎn)速等級。這里選進電機，該電機共有四相繞組，工作電壓為 +5V，可以 個單片機共用一個電源。 方案論證 從該系統(tǒng)的設(shè)計要求可知，該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向，速度應(yīng)該有增減 變化，通常用加減按鈕控制速度，這樣只要 2 根口線，再加上一根方向線盒一根啟動信號線共需要 4 根輸入線。 (5)步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接用交流電源或直流電源。 (3)步進電機的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。 (2)由步進電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價，也非?？煽?。在某一高速下的正、反向切換實質(zhì)包含了降速→換向→加速 3 個過程。換向信號一定要在前一個方向的最 后一個脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第一個脈沖前發(fā)出。要從一個速度準(zhǔn)確達到另一個速度，就要建立一個校驗機制，以防超過或未達到所需速度。定時初值的計算是在定時中斷外實現(xiàn)的，并不占用中斷時間，保證電機的高速運行。結(jié)合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率，就可以建立一個連續(xù)的數(shù)據(jù)表，并通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時初始表。在此過程中要處理好兩個問題： (1)速度轉(zhuǎn)換時間應(yīng)盡量短。如果使用定時器來控制電機的速度，加減速控制就是不斷改變定時中斷的設(shè)定值。用 PLC 實現(xiàn)步進電機的加 P 減速控制，實踐上就是控制發(fā)脈沖的頻率。步進電機的最高啟動頻率（突跳頻率）一般為 到 3~4KHz，而最高運行頻率則可以達到N*102KHz，以超過最高 啟動頻率的頻率直接啟動，會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。電機的啟動頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對電機進行加減速控制。在一個實際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負(fù)載的情況來選擇步進電機。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線，步進電機整個降速過程頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。 5．步進電機的加減速控制 在步進電機控制系統(tǒng)中，通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果信號變化太快，步進電機由于慣性跟不上電信號的變化，這時就會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。為了使電機轉(zhuǎn)動平滑，減小振動，可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波，可以減小步進電機的步進角，跳過電機運行的平穩(wěn)性。調(diào)整送給步進電機的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)試。 3．步進電機的速度控制 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。如果按反序通電換相，即常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 A→AC→C→CB→B→BA→A ，則電機就反轉(zhuǎn)。 2．步進電機的換向控制 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)。例如，三相步進電機在單三拍的工作方式下，其各相通電順序為 A→B→C→A ，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A、 B、 C 相的通斷。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅(qū)動步進電機的目的，步進電機的基本控制包括轉(zhuǎn)向控 制和速度控制兩個方面。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 第 2 章 總體方案論證與設(shè)計 步進電機原理及控制技術(shù) 由于步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設(shè)備 —— 步進電機控制驅(qū)動器，典型步進電機控制系統(tǒng)如圖 21 所示： 圖 21 步進電機 運行過程中頻率變化曲線 控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進電機驅(qū)動電源的各項輸入端，以驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。 研究的內(nèi)容 本論文研究的是反應(yīng)式步進電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)，以 MCS51 系列單片機8951 為核心控制 器，采用分頻和頻率選擇控制電機速度，采用細(xì)分驅(qū)動控制方式，選用 8713 脈沖分配器，它可以驅(qū)動三相、四相反應(yīng)式步進電動機。 自本世紀(jì)中葉，步進電機的應(yīng)用滲進到數(shù)控制的各個領(lǐng)域，尤其在（數(shù)控）機械中廣泛利用其開環(huán)拉制的特點 。 70 年代中期至 80 年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電機不斷被開發(fā)。 70 年代初期，步進電機的生產(chǎn)和研究有所突破 。 從 50 年代后期到 60年代后期，主要是高等院校和科研機構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。它的轉(zhuǎn)子嵌有軸向充磁磁鋼，主要依靠定轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于它特殊的結(jié)構(gòu)，它的步距角遠(yuǎn)小于永磁式步進電機，也可看成是一種極對數(shù)很多的永磁式轉(zhuǎn)子同步電機。反應(yīng)式步進電機靠變磁阻原理運行，沒有永磁體 。傳統(tǒng)的步進電機一般可分為永磁式步進電機 (PM Step Motor)，反應(yīng)式步進電機 (VR Step Motor)和混合式步進電機 (Hybrid Step Motor )三種 。 20 世紀(jì) 60 年代后期，在步進電機本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實用性步進電機應(yīng)運而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推進了步進電機在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用 。此后，在電話自動交換機中廣泛使用了步進電機。 1870 年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氮弧燈的電極輸送機構(gòu)中 。 從廣義上講，步進電機是一種 受電脈沖常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 信號控制的無刷式直流電機，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電機 。 這是機電一體化元件組件的必然趨勢 。 步進電機及其發(fā)展 步進電機又稱脈沖電機或階躍電機，國外一般稱為 Stepmotor 或 Stepping motor， Pulse motor， Stepper servo， Stepper 等等 。若要進一步提高調(diào)速精度及動態(tài)性能，可采用矢量控制方案，它的調(diào)速性能將與直流電動機相當(dāng)。有機械磨損及換向火花等問題，交流電動機，不論是異步電動機還是同步電動機，結(jié)構(gòu)都比直流電動機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運行時，它們的速度不能方便而又經(jīng)濟地調(diào)節(jié)。通過微機控制，可使電機的性能有很大的提高。在各種機床設(shè)備及生產(chǎn)流水線中，現(xiàn)在已普遍采用帶微機的可編程控制器，按一定的規(guī)律控制各類電動機的動作。目前，單片機的價格己很低廉，這使得單片機的應(yīng)用更為廣泛，因此就有可能比較普遍地應(yīng)用微機來控制各類電機完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機的性能更符合使用要求，還可以制造出各種便于控制的新型電機，使電機出現(xiàn)新的面貌。 三、參考資料 [1] 張家生 .電機原理與拖動基礎(chǔ) [M].北京：北京郵電大學(xué)出版社， 2020. [2] 馬淑華，王鳳文，張美金 .單片機原理與接口技術(shù) [M].北京 ：北京郵電大學(xué)出版社， 2020. [3] 顧德英，張健，馬淑華 .計算機控制技術(shù) [M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2020. [4] 華成英，童詩白 .模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M].北京：高等教育出版社， 2020. [5] 張靖武，周靈彬 .單片機系統(tǒng)的 PROTEUS 設(shè)計與仿真 [M].北京：電子工業(yè)出版社， 2020. 完成期限 至 指導(dǎo)教師 劉霞 張巖 專業(yè)負(fù)責(zé)人 曹廣華 2020 年 3 月 18 日 步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計 2 目錄 第 1 章 緒論 .................