【正文】 進(jìn)電機(jī)的加減速控制，可以提高步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)速度、平穩(wěn)性和定位精度等性能，從而決定了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能。由于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響小，方向和轉(zhuǎn)角控制簡(jiǎn)單，并且步進(jìn)電機(jī)能直接接收數(shù)字量的控制，非常適合采用微機(jī)進(jìn)行控制。為此本文以單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)加減速控制，使系統(tǒng)以最短的時(shí)間到達(dá)控制終點(diǎn)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，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)時(shí)有一個(gè)加速的過(guò)程。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。此外，一般步進(jìn)電機(jī)對(duì)空載最高啟動(dòng)頻率都是有所限制的。對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)而言，總希望它能以最短的時(shí)間到達(dá)控制終點(diǎn)。 speed control。軟件部分采用C語(yǔ)言編程，主要包括鍵盤(pán)顯示程序、步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速程序、停止判斷程序等。本文以單片機(jī)和環(huán)形脈沖分配器為核心設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)能根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)加減速控制，使控制系統(tǒng)以最短的時(shí)間到達(dá)控制終點(diǎn)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象；同時(shí)它能準(zhǔn)確地控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，啟動(dòng)和停止。哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì)哈爾濱廣廈學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系 別 專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí) 電氣一班 學(xué)生姓名 20 年 6 月 10 日摘 要步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，它能按照控制脈沖的要求，迅速起動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。具有步距角精度高，停止時(shí)能自鎖等特點(diǎn)，因此步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，特別是在開(kāi)環(huán)的控制系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。硬件是以AT89C51單片機(jī)為核心的控制電路，主要包括：環(huán)形脈沖分配器、鍵盤(pán)顯示電路、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路等。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)；調(diào)速；單片機(jī)AbstractStepping motor is a kind of digital control system ponents. It can achieve quick startup, positive inversion, stopping and speed control, according to the control pulse. It has high precision step angle, and can be selflocking when it keeps still. As these characteristics, stepping motor in automatic control system, especially in the open loop control system has been widely applied.This article mainly focuses on taking Singlechip Computer and cycle pulse distributor as the core, and designing the stepping motor control system. Through the design of the software and hardware debugging, it realizes controlling the step motor’s acceleration and deceleration automatically, according to parameter setting. Making the system arrive the end point with the shortest time, but not occur outing of step. Besides it can accurately achieve startup, positive inversion and shutdown. Hardware takes AT89C51 as the core of control circuit, mainly including: cycle pulse distributor, keyboard and display circuit, stepping motor driving circuit, etc. Software part adopts the C language programming, mainly including keyboard and display program, stepping motor speed control program, stop judging program, etc.Key words: Stepping motor control system。 Singlechip Compute47目 錄摘 要 IAbstract II目 錄 I第一章 引言 1 課題提出的背景和研究意義 1 課題的主要研究?jī)?nèi)容 2 本章小結(jié) 2第二章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 步進(jìn)電機(jī)的原理 3 三相單三拍通電方式 3 三相雙三拍通電方式 5 三相六拍通電方式 6 環(huán)形脈沖分配器 8 續(xù)流電路 12 二極管續(xù)流 13 二極管—電阻續(xù)流 14 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 15 步進(jìn)電機(jī)的變速控制 17 變速控制的方法 20 步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)生產(chǎn)線中的應(yīng)用 20 本章小結(jié) 22第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 23 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 23 控制系統(tǒng)組成 24 主要元件的選擇 24 單片機(jī)的選擇 24 EPROM的選擇 25 可逆計(jì)數(shù)器的選擇 27 控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計(jì) 28 環(huán)形脈沖分配器設(shè)計(jì) 28 顯示電路設(shè)計(jì) 29 外部復(fù)位電路設(shè)計(jì) 30 控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì) 31 本章小結(jié) 32第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 32 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 32 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 33 主程序設(shè)計(jì) 34 主程序工作過(guò)程 34 主程序工作流程圖 35 定時(shí)器T0中斷程序流程圖 35 Proteus仿真 38 顯示程序設(shè)計(jì) 40 鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì) 41 調(diào)速程序設(shè)計(jì) 42 20BY步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 42 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系 42 本章小結(jié) 44第五章 結(jié)束語(yǔ) 44參考文獻(xiàn) 45第一章 引言 課題提出的背景和研究意義由于步進(jìn)電機(jī)不需要位置傳感器或速度傳感器就可以實(shí)現(xiàn)定位，即使在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下它的控制效果也是令人非常滿意的，這有利于裝置或設(shè)備的小型化和低成本，因此步進(jìn)電機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。因此要求步進(jìn)電機(jī)的速度盡可能地快，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，它的啟動(dòng)頻率要低于最高空載啟動(dòng)頻率。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。從高速運(yùn)行到停止也應(yīng)該有一個(gè)減速的過(guò)程，防止步進(jìn)電機(jī)因?yàn)橄到y(tǒng)慣性的原因，而發(fā)生沖過(guò)終點(diǎn)的現(xiàn)象。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出的脈沖頻率【1】。步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，失步或者過(guò)沖都會(huì)直接影響其控制精度。 課題的主要研究?jī)?nèi)容步進(jìn)電機(jī)的工作原理通過(guò)查閱文獻(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的單拍運(yùn)行、雙拍運(yùn)行、單雙拍運(yùn)行等各種運(yùn)行方式進(jìn)行研究，深入了解各種運(yùn)行方式的特點(diǎn)和對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制性能的影響。步進(jìn)電機(jī)的續(xù)流電路根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的控制特點(diǎn)，分析續(xù)流電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制性能的影響，并設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的續(xù)流電路。程序的調(diào)試及修改用Keil軟件進(jìn)行編程和調(diào)試，并且在Proteus環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)仿真。其次介紹了課題研究的目的和意義，最后介紹了課題的主要研究?jī)?nèi)容。轉(zhuǎn)子用軟磁材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，只有兩個(gè)齒，齒寬等于定子的極靴寬【2】。 (a) 所示，而B(niǎo)相和C相不通電時(shí)，A相的兩個(gè)磁極被勵(lì)磁，一個(gè)呈N極另一個(gè)呈S極，由于磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心的電磁吸力，使轉(zhuǎn)子軸線對(duì)準(zhǔn)A相磁極的軸線。同樣道理，當(dāng)A相斷開(kāi)，接通B相時(shí)， (b) 所示，B相磁極對(duì)轉(zhuǎn)子的電磁力將使轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)60176。如此按ABCA的順序使三相繞組輪流通電，則轉(zhuǎn)子依順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)。上述三相三拍運(yùn)行，表示三種通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)，即三次通電狀態(tài)改變后，又恢復(fù)到起始狀態(tài)，一拍對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為步距角，通常用θs表示，176。 (a)所示，轉(zhuǎn)子齒3對(duì)準(zhǔn)A相磁極軸線重合， (b)所示，轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)30176。轉(zhuǎn)子齒3對(duì)準(zhǔn)C相磁極軸線的位置，由此可見(jiàn)，每通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度為30176。 (a) A相通電 (b) B相通電 (c) C相通電 轉(zhuǎn)子為四極的三相步進(jìn)電機(jī) 三相雙三拍通電方式如果將步進(jìn)電機(jī)的控制繞組的通電方式改為：ABBCCAAB或ACCBBCCA。 (a) 為AB相同時(shí)通電的情況， (b) 為BC相通電的情況，可見(jiàn)轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度為30176。例如由AB相通電變?yōu)锽C相通電時(shí)，B相保持繼續(xù)通電狀態(tài)，C相磁極力圖使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而B(niǎo)相磁極卻起阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以步進(jìn)電機(jī)工作比較平穩(wěn)，三相單三拍運(yùn)行時(shí)，由于沒(méi)有這種阻尼用，所以轉(zhuǎn)子到達(dá)新的平衡位置后會(huì)產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性能遠(yuǎn)不如雙三拍運(yùn)行方式。通電方式由AB轉(zhuǎn)為B時(shí)，(c) 所示，轉(zhuǎn)子齒4磁極軸線和B相磁極軸線相重合，或轉(zhuǎn)子齒3磁極軸線離開(kāi)A相磁極軸線30176。如此類(lèi)推，可見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)每走一步，將轉(zhuǎn)過(guò)15176。六拍運(yùn)行方式與雙三拍相同，由一個(gè)通電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪煌姞顟B(tài)時(shí)，也總有一相繼續(xù)保持通電，同樣具有電磁阻尼作用，工作也比較平穩(wěn)。拍數(shù)不同時(shí)，其對(duì)應(yīng)的步距角大小也不同，拍數(shù)多則步距角小。此外，也可以看到同一種通電方式，對(duì)于轉(zhuǎn)子磁極數(shù)不同的步進(jìn)電機(jī)，也會(huì)有不同的步距角。/mKZR (11)式中 m — 控制繞組相數(shù)；ZR — 轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K —與通電方式有關(guān)的狀態(tài)系數(shù)，當(dāng)通電方式為單拍，即拍數(shù)與相數(shù)相同，K=1；為雙拍時(shí)，即拍數(shù)為相數(shù)的兩倍時(shí)，K=2。環(huán)形分配器的主要功能是把單片機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)按一定的規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，控制繞組的導(dǎo)通和截止。可以說(shuō)環(huán)形脈沖分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計(jì)數(shù)器， 但它輸出的不是一般的編碼，而是步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)所要求的特殊編碼【4】。串行控制時(shí)，控制器輸出脈沖信號(hào)和方向電平，環(huán)形脈沖分配器把它轉(zhuǎn)換成并行的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，再控制繞組的導(dǎo)通和截止。并行控制時(shí)，控制器直接輸出各相繞組的導(dǎo)通和截止信號(hào)，此時(shí)環(huán)形脈沖分配器在控制器中，由軟件來(lái)代替環(huán)形脈沖分配器的功能，不管是串行控制還是并行控制必須有環(huán)形脈沖分配器這個(gè)環(huán)節(jié)。如果全部用硬件來(lái)搭成，結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，不能滿足步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需要，為此提出一種用EPROM搭建的環(huán)形分配器，以滿足不同的要求。用EPROM可以搭建成各種環(huán)形脈沖分配器。前面是一個(gè)可逆的循環(huán)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)脈沖的有無(wú)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行與停止，計(jì)數(shù)器加減控制端控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，如果低電平時(shí)計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果高電平時(shí)計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)單的說(shuō)存儲(chǔ)器存入的是一個(gè)環(huán)形脈沖分配器的狀態(tài)輸出表，計(jì)數(shù)器每輸入一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器計(jì)一個(gè)數(shù)，這個(gè)數(shù)值就會(huì)選通存儲(chǔ)器的一個(gè)地址，存儲(chǔ)器就輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，即步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)勵(lì)磁狀態(tài)。 含有EPROM 環(huán)形脈沖分配器用EPROM設(shè)計(jì)環(huán)形脈沖分配器，具有如下的特點(diǎn)：線路簡(jiǎn)單。對(duì)EPROM存儲(chǔ)器的主要工作是編程，存儲(chǔ)狀態(tài)表，所以工作量小?？膳懦欠顟B(tài)。存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的內(nèi)容，除了在選通的地址存儲(chǔ)所需的狀態(tài)表之外，其他沒(méi)用的地址都存儲(chǔ)各相截止的信號(hào)。由于勵(lì)磁狀態(tài)是按運(yùn)行拍數(shù)循環(huán)的，所以存儲(chǔ)器輸出的狀態(tài)也必須按拍數(shù)循環(huán)出現(xiàn)，這就要求計(jì)數(shù)器是可逆計(jì)數(shù)器，同時(shí)計(jì)數(shù)長(zhǎng)度是運(yùn)行循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。由上可見(jiàn)，這種方法適用于控制任意類(lèi)型的步進(jìn)電機(jī)。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡(jiǎn)單，速度快，少占用CPU的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 環(huán)形脈沖分配器電路，計(jì)數(shù)器選用74LS191，74LS191是四位二進(jìn)制進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘脈沖從CP端輸入，計(jì)數(shù)器的輸出QA~QD直接接到EPROM的低四位地址線A0~A3，這樣可以選通2716的十六個(gè)地址（00H~0FH）。當(dāng)為高電平時(shí)做減法計(jì)數(shù)，為反轉(zhuǎn)狀態(tài)。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)。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(dòng)力矩又可以提高控制精度。EPROM 。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)下一相導(dǎo)通時(shí)，斷電相繞組中的衰減電流對(duì)步進(jìn)電機(jī)起制動(dòng)作用。L為繞組電感，R為串聯(lián)回路的總電阻，E為反電動(dòng)勢(shì)。如果T斷電，繞組中磁場(chǎng)能量將極力保持原有電流的方向。常用的步進(jìn)電機(jī)可以很容易產(chǎn)生數(shù)值比步進(jìn)電機(jī)外加電壓大的峰值電感電動(dòng)勢(shì)。所以驅(qū)動(dòng)電路除了對(duì)步進(jìn)電機(jī)繞組提供導(dǎo)通回路外，還必須提供一個(gè)繞組斷電時(shí)的續(xù)流回路，其作用是既要保證電流的泄放的速度，同時(shí)又要抑制電感電勢(shì)，保護(hù)晶體管不受感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值的沖擊。在繞組導(dǎo)通期間，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)一相繞組斷電時(shí)，存儲(chǔ)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(shí)間常數(shù)為L(zhǎng)/R。 二極管泄放電路 負(fù)載曲線 二