【正文】 便靈活地改變步進(jìn)電機(jī)的控制方式 ,步進(jìn)一步的時(shí)間可有兩 個(gè)控制字的送出時(shí)間間隔來(lái)決定 . 第二章 : 硬件設(shè)計(jì) 51 系列單片機(jī) AT89C51 作為控制器的核心組成一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) AT89C51 是一種高性能的 8 位單片機(jī) 。此后斷開(kāi) A 相繞組 ,B相單獨(dú)通電 ,依次規(guī)律循環(huán)往復(fù) ,這種方式需經(jīng)過(guò) 6 個(gè)切換才能完成一個(gè)循環(huán) ,單相三拍方式的每一拍步進(jìn)角為 3176。 系統(tǒng)的組成 及系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖和 控制過(guò)程 系統(tǒng)的組成 本系統(tǒng)主要是由 AT89C51 步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)、絲杠傳動(dòng) 系 統(tǒng) 和液氮液面升降系統(tǒng)、傳感器檢測(cè)單元、 8279 鍵盤、顯示系統(tǒng)等幾部分組成。低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載； (5).步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源； (6).步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施； (7).步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身的燥聲和振動(dòng)較大。同時(shí)它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)； (3).步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng) 態(tài)響應(yīng)快。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)： (1).步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖嚴(yán)格成正比。這樣不但工作更可靠，而且性 能更好。脈沖分配器是由門電路和雙穩(wěn)態(tài)處發(fā)起組成的邏輯電路，它根據(jù)指令把脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到放大器上，使步進(jìn)電機(jī)按一定的運(yùn)行方式運(yùn)轉(zhuǎn)。最常見(jiàn)的有多諧振蕩器和單結(jié)晶體管構(gòu)成的馳張振蕩器兩種。 邊頻信號(hào)源是一個(gè)頻率從幾十赫茲到幾千赫茲的可連續(xù)變化的信號(hào)發(fā)生器。 6 a) b) 圖 1－ 3 步進(jìn)電機(jī)的控制特性 a)s=f(k)或 θ =f(k) b)v=f(f)或 n=f(f) 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)由專用的驅(qū)動(dòng)電源來(lái)供電，由驅(qū)動(dòng)電源和步進(jìn)電機(jī)組成一套伺服裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。 步進(jìn)電機(jī)的控制特性分別 如圖 1－ 3a 和 b 所示。但是相數(shù)和轉(zhuǎn)子數(shù)越多，電源就越復(fù)雜，成本也要提高?？梢?jiàn)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，則步距角越小。 /mz （ 1－ 1） 式中 z—轉(zhuǎn)子的齒數(shù) m—運(yùn)行拍數(shù) 由式 （ 1－ 1） 可求得步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 ： n= 60 θf(wàn)/2π=60f/zm 式中 f－ 步進(jìn) 電機(jī)的脈沖頻率，單位為拍 /s 或脈沖數(shù) /s。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作要求，定、轉(zhuǎn)子的齒寬、齒距必須相等。轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，轉(zhuǎn)子圓周上有軍運(yùn)的 40 個(gè)齒。每個(gè)定子磁極上均有五個(gè)齒。 圖 1－ 2 小步距角的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 在圖 1－ 2 中 ，三項(xiàng)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)定子上有 6 個(gè)極，極上有定子繞組，沿直徑相 對(duì)的兩個(gè)極的線圈串聯(lián)，構(gòu)成一項(xiàng)控制的繞組。這種結(jié)構(gòu)只在分析原理是采用，實(shí)際使用的步進(jìn)電機(jī)都是小步距角的。與單三拍運(yùn)行方式相同。以 雙三拍工作的步進(jìn)電機(jī)其通電方式改變時(shí)的轉(zhuǎn)子位置于單、雙六拍通電方式改變時(shí)的情況相同。 實(shí)際工作中，還常用按 UV－ VW－ WU－ UV 的通電順序或 UW－ WV－ VU－ UW 的通電順序運(yùn)行的 “雙三拍“通電方式，這種通電方式比單三拍的好，因?yàn)閱稳脑谇袚Q時(shí)出現(xiàn)的一相定子繞組斷電而另一相定子繞組開(kāi)始通電的狀態(tài)容易造成失步，而且由于單一定子繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，也易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩。／ 2。采用單、雙六拍通電方式后，在由 U 相定子繞組通道 V 相繞組單獨(dú)通電，中間還要經(jīng)過(guò) U和 V 兩組同時(shí)通電這一狀態(tài)，也就是說(shuō)要經(jīng)過(guò)二拍，轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過(guò) 30176。在單三拍運(yùn)行方式十每經(jīng)過(guò)一拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的步距角為 30176。若繼續(xù)按 VW－ W－ WU－ U 的順序通電，那么步進(jìn)電機(jī)就按逆時(shí)方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)斷開(kāi) U相定子繞組而由 V 相定子繞組單獨(dú)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，使轉(zhuǎn) 5 子 2 和 4 齒軸線和定子 V、 V′ 的軸線對(duì)齊， 如圖 1－ 1c 所示。 圖 1－ 1 單 、 雙六拍運(yùn)行的三相步進(jìn)電機(jī) a)U 相繞組通電 b)U、 V 相繞組同時(shí)通電 c)U 相繞組斷電， V 相繞組通電 當(dāng) U 相定子繞組通電時(shí)，和單三拍運(yùn)行的情況相同，轉(zhuǎn)子 1 和 3 齒的軸線與 U 極軸線對(duì)齊， 如圖 1－ 1a 所示。 拍數(shù)不同使這種通電方式的步距角也與單三拍的不同。按前一種順 序通電，即先接通 U 相定子繞組；接著是 U、 V 兩相定子繞組同時(shí)通電；斷開(kāi) U 相，使 V 相繞組單獨(dú)通電；再使 V、 W 兩相定子繞組同時(shí)通電； W 相單獨(dú)通電； W、 U 兩相同時(shí)通電，并依次循環(huán)。可直接帶動(dòng)負(fù)載。這就要求步進(jìn)電機(jī)步距小、步距精度高、不應(yīng)丟步或越步。 3）加工精度高。 2）動(dòng)態(tài)性能好。 從零件的加工過(guò)程來(lái)看，工作機(jī)械對(duì)步進(jìn)電機(jī)的基本要求是： 1）調(diào)速范圍寬。其中反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是我國(guó)應(yīng)用最廣泛的一種，它具有調(diào)速范圍大、動(dòng)態(tài)性能好、能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其 精度高等特點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于各種 工業(yè) 控制 系統(tǒng)中 。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度 (稱為 “步距角 ”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。近幾十年來(lái)，數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展， 為步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。 . 步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)。在這個(gè)控制系統(tǒng) 中，控制器是它的核心，因?yàn)樗鼡?dān)負(fù)著產(chǎn)生脈沖，發(fā)送、接受控制命令 等 任務(wù)。 步進(jìn)電機(jī) 將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成 的 機(jī)械角位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率 成比例 ,通過(guò)改變電脈沖頻率 ,可在大范圍內(nèi)調(diào)速 ,同時(shí) ,該電機(jī)還能快速起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和自鎖 .此外 ,步進(jìn)電機(jī)易于實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)或其它 數(shù)字元件接口 ,適用于數(shù)字控制系統(tǒng) ,并可取得 較 高的控制精度 ,系統(tǒng)硬件實(shí)施比較簡(jiǎn)單。它通過(guò)專用電源把電 脈沖按一定順序供給定子各相控制繞組，在氣隙中產(chǎn)生類似于旋轉(zhuǎn)的脈沖磁場(chǎng)。 關(guān)鍵詞 : 步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 控制 2 Abstract: Step of electric motor is one kind transforms the pulse signalthe straight line displacement or Angle displacement the control microelectrical machinery, its machinery Angle displacement and the rotational speedseparately bees the proportion with the input electrical machinerywinding pulse integer and the pulse frequency。通過(guò)一種設(shè)計(jì)方案，包括硬件的介紹和組建、硬件原理圖和軟件流程圖的設(shè)計(jì)、源程序的編寫(xiě)等，介紹一種基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)。 1 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng) 摘要 ： 步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的控制微電機(jī) ,其機(jī)械角位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率成比例 。它 易于實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字元件接口，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)接收到液氮液面的液位信號(hào)后，與鍵盤、顯示系統(tǒng)設(shè)置的初值比較后，轉(zhuǎn)化成步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)脈沖，然后通過(guò)單片機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，以帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)而控 制液氮液面升降的運(yùn)動(dòng)。 It is easy to realizeand the puter or other digital part connections, is suitable to thenumerical control system. Through one kind of design proposal, andsets up, the hardware schematic diagram and the software flow chartdesign, the source program pilation including the hardwareintroduction and so on, introduces one kind based on the monolithicintegrated circuit Step of electric motor operating control this system receives the fluid nitrogen liquid level the fluidposition signal, after the keyboard, the display system establishmentstarting value parison, transforms Step of electric motor step entersthe pulse, then actuates through the monolithic integrated circuitcontroller Step of electric motor to revolve, leads the lead screwtransmission system, then control fluid nitrogen liquid levelfluctuation movement. Key word: Step of electric motor Monolithic integrated circuit Control 3 引言 ： 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是根據(jù)組合電磁鐵的理論設(shè)計(jì)的，是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，并用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制的特殊運(yùn)行方式的同步電動(dòng)機(jī)，在數(shù)字控制系統(tǒng)中作 執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就移動(dòng)一步，因此，步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。 本文介紹的設(shè)計(jì)方案是基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)的 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路 ,采用低價(jià)的 AT89C51為控制器 ,可直接對(duì)步 進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制 ,省去了昂貴的專用步進(jìn)電機(jī)控制器 ,簡(jiǎn)化了硬件線路 ,降低了成本 ,提高了系統(tǒng)的 可靠性 。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單 片機(jī)控制。 4 第一章 : 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)的組成及其工作原理 步進(jìn)電機(jī) 概述 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò) 控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速 的目的。 步進(jìn)電機(jī)的種類繁多，按其運(yùn)動(dòng)方式分為有旋轉(zhuǎn)型和直線型，通常使用的旋轉(zhuǎn)型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又可分為反應(yīng)式，永磁式，感應(yīng)式。主要用于計(jì)算機(jī)的磁盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀、自動(dòng)記錄儀及調(diào)速性能和定位要求不是非常精確的簡(jiǎn)易數(shù) 控機(jī)床等的位置控制。盡量提高最高轉(zhuǎn)速以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。能迅速啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。即要求一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的位移量小、并要精確、均勻。 4）輸出轉(zhuǎn)距大。 三相 單、雙六拍 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理： 三相單、雙六拍步進(jìn)電機(jī)通電方式：這種方式的通電順序是： U－ UV－ V－ VW－ W－WU－ U 或?yàn)?U－ UW－ W－ WV－ V－ VU－ U。這種工作方式下，定子三相繞組需經(jīng)過(guò)六次切換才能完成一個(gè)循環(huán)，故稱為“六拍”，而“單、雙六拍”則是因?yàn)閱蜗嗬@組與兩相繞組交替接通的通電方式。三相單、雙六拍時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況如圖 1－ 1 所示。 當(dāng) U、 V 相定子繞組同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子 2 和 4 齒又將在定子極 V、V′ 的吸引下，使轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，直至轉(zhuǎn)子 1 和 3 齒和定子極 U 和 U′之間的作用力被轉(zhuǎn)子 2 和 4 齒與定子極 V 和 V′ 之間的作用力平衡為止， 如圖 1－ 1b 所示。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度與相應(yīng)的單三拍運(yùn)行 V 相繞組通電時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的角度相等。如通道順序該為 U－ UW－ W－ WV－ V－ VU－ U 時(shí)，電動(dòng)機(jī)將按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。 /2。所以，單、雙六拍運(yùn)行方式時(shí)，三相步進(jìn)電機(jī)的步距角為 θ =30176。由此可見(jiàn)同一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，因 通電方式不同，運(yùn)行的步距角也是可以不同的，采用單、雙拍運(yùn)行時(shí)，步距角要比但單拍運(yùn)行時(shí)減小一半。而雙三拍運(yùn)行時(shí)，每個(gè)通電狀態(tài)均為兩相定子繞組同時(shí)通電，通電方式改變時(shí)保證其中一相電流不變（另兩相切換），是運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。這樣，雙三拍運(yùn)行方式的步距角也為 30176。 由于這種步進(jìn)電機(jī)的步距角較大，如用于精度要求很高的數(shù)控機(jī)床等控制系統(tǒng)，會(huì)嚴(yán)重影響到加工工件的精度。 圖 1－ 2 所示 的結(jié)構(gòu)是常見(jiàn)的一種小步距角的三項(xiàng)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。極與極之間的夾角為 60176。齒槽等寬，齒間夾角 9176。齒間夾角也是 9176。不經(jīng)電機(jī)的步距角為： θ=36017