【正文】 極管—電阻續(xù)流要求高速或變速運(yùn)行時(shí)，斷電繞組的能量必須盡快消耗，這可以通過增加一個(gè)與二極管串聯(lián)的電阻Rs，以減少泄放回路的時(shí)間常數(shù)，此時(shí)斷電回路的時(shí)間常數(shù)為L/(R+Rs)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)截止時(shí)，若通過二極管的初始電流為額定電流In，即In=U/R則晶體管集—射極間的壓降為Uce=U+RsIn=U（1+Rs/R）這樣為使UceUcer則 RsR(Ucer/U－1) 二極管—電阻續(xù)流回路 負(fù)載曲線由以上分析可知續(xù)流電路的特點(diǎn)如下：(1) 斷電相的磁場能量總是消耗在回路的電阻上，其中包括電動機(jī)繞組自身的電阻。(3) 衰減時(shí)間常數(shù)大，在步進(jìn)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩，影響系統(tǒng)的特性。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與步進(jìn)電機(jī)的自身性能有關(guān)外，在很大程度上也取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。驅(qū)動級的功率放大器件有中功率晶體管、大功率的晶體管、達(dá)林頓管、可控硅以及各種功率模塊。對于功率較大的步進(jìn)電機(jī)，由于繞組所需要的電流較大、電壓高、反電動勢也大，因此需要用大功率的的晶體管驅(qū)動。(2) 電動機(jī)的各相繞組是繞在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。(3) 繞組斷電時(shí)，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該截止的相不能立即截止。繞組導(dǎo)通和截止過程中都會產(chǎn)生較大的反向電動勢，而截止時(shí)的反電動勢將對驅(qū)動級器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。由于旋轉(zhuǎn)電動勢基本上與電動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電動勢越大，繞組電流越小，從而使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。這些電動勢與外加電源共同作用于功率器件，當(dāng)其疊加結(jié)果使電動機(jī)繞組兩端電壓大大超過電源電壓時(shí)，會使驅(qū)動級的工作條件更為惡化。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程的接口芯片，如8258155等。本系統(tǒng)為了抗干擾，或避免一旦驅(qū)動電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號進(jìn)入單片機(jī)而燒毀器件，因而在驅(qū)動器與單片機(jī)之間增加一級光耦隔離器。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。 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)。此外一般步進(jìn)電機(jī)對空載最高啟動頻率都是有所限制的。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。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，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。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】。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。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。對于中等或比較長的運(yùn)行距離，步進(jìn)電機(jī)加速后應(yīng)該有一個(gè)恒速的過程。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。減速過程結(jié)束時(shí)的速度一般等于或略低于起動速度，再經(jīng)數(shù)步低速運(yùn)行后停止。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。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。升速時(shí)使脈沖逐漸加密，減速時(shí)使脈沖逐漸變疏。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。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】。例如，在三相步進(jìn)電機(jī)中，啟動或停止時(shí)，用三相六拍，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。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。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。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。 步進(jìn)電機(jī)在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用由于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動特性受電壓波動和負(fù)載變化的影響比較小，方向和轉(zhuǎn)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。，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)。搬運(yùn)站的整體運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，具有定位精確和快速的特點(diǎn)。因此步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制在自動生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用。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，可能會由于系統(tǒng)慣性的原因，轉(zhuǎn)子會沖過終點(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。步進(jìn)電機(jī)傳動組件由齒輪傳動，每轉(zhuǎn)一圈搬運(yùn)站移動55mm，如果步距角為θ，每轉(zhuǎn)一圈需要走的步數(shù)N=360176。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)。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】。步進(jìn)電機(jī)需要走的步數(shù)可以根據(jù)不同距離預(yù)先計(jì)算好，然后在單片機(jī)程序里設(shè)定好，也可以通過上位機(jī)進(jìn)行控制。最后根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，介紹步進(jìn)電機(jī)在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用。（2）硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時(shí)間要比直接用硬件的長，而且占用CPU時(shí)間。（3）整個(gè)系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時(shí)，存貯器的存取時(shí)間有限，應(yīng)選擇允許存取速度較高的芯片；選擇CMOS芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中的所有芯片都應(yīng)該選擇低功耗的產(chǎn)品。（5）單片機(jī)外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動能力。（6）系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)在滿足系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)留有余地，以備將來修改、擴(kuò)展的需要。 系統(tǒng)硬件框圖 主要元件的選擇 單片機(jī)的選擇隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計(jì)算機(jī)有了飛速的發(fā)展。而 ATMEL公司的AT89C51系列單片機(jī)是當(dāng)今具有較高性能的單片微型計(jì)算機(jī)系列產(chǎn)品之一，特別適用于要求實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)控制的各類自動控制系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)等。（2） 內(nèi)部集成了4K字節(jié)的在線可編程FlashROM，可滿足大部分系統(tǒng)擴(kuò)展的需求，編程方更快捷。（5） 內(nèi)部具有256個(gè)字節(jié)的RAM和3個(gè)16位定時(shí)器，可以存放系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)和滿足定時(shí)或計(jì)數(shù)功能擴(kuò)展的需要。因此，AT89C51系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，由于其內(nèi)部功能完善，可以大大減少擴(kuò)展系統(tǒng)外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了AT89C51單片機(jī)作為中央控制單元。EPROM是以浮柵型MOS管作存儲單元，它里面存儲的內(nèi)容可以通過紫外線光的照射而被擦除，而且又可再用電流脈沖對其重新編程寫入程序或數(shù)據(jù)，而且還可多次進(jìn)行擦除和重寫，故稱為可擦除可編程ROM，因而EPROM得到了廣泛的應(yīng)用。它有讀方式、未選中方式、編程方式、程序檢驗(yàn)方式、【13】。計(jì)數(shù)器選用74LS191，這是一種單時(shí)鐘4位二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘脈沖從CP端輸入，加/減脈沖由同一端輸入，加/減控制線的高低電平控制加減計(jì)數(shù)。用74LS164的clk端作為環(huán)形脈沖分配器的CP脈沖信號輸入端，加減計(jì)數(shù)控制端作為正反轉(zhuǎn)控制信號輸入端。每來一個(gè)CP脈沖，環(huán)形脈沖分配器的輸出就轉(zhuǎn)換一次。同時(shí)，環(huán)形脈沖分配器還必須接收控制器發(fā)出的方向電平信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序轉(zhuǎn)換還是反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。環(huán)形脈沖分配器由EPROM和可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成，將步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)以二進(jìn)制的形式存入EPOROM，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址內(nèi)容，EPROM的輸出就是步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)。 環(huán)形脈沖分配器電路這種方法適用于控制任意類型的步進(jìn)電機(jī)。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用CPU的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，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。 顯示電路設(shè)計(jì)單片機(jī)與顯示電路的接法一般有如下兩種方法：（1）串行接法：設(shè)計(jì)中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅(qū)動，其中74LS164帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約I/O口資源，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)容易控制。 由于設(shè)計(jì)中用一塊單片機(jī)進(jìn)行控制，資源有限，故使用串行接法，另外，74LS164的鎖存作用也起到節(jié)約資源的作用。 數(shù)碼管顯示電路 外部復(fù)位電路設(shè)計(jì)MCS51系列單片機(jī)采用高電平復(fù)位方式，為保證CPU內(nèi)部各單元電路可靠復(fù)位，RST引腳的復(fù)位脈沖高電平維持時(shí)間必須大于2個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)振蕩周期）。 外部復(fù)位電路上電復(fù)位：接通電源的瞬間，電容C上的電壓很小，RST引腳為高電平。二極管VD的作用在于：掉電后給電容C提供放電回路，保證再次上電時(shí)RST引腳為高電平，使CPU可靠復(fù)位。放電回路為C正極、電源Vcc端（與地等電位）、二極管VD正極、二極管VD負(fù)極、C負(fù)極，保證再次上電時(shí)，RST引腳為高電平，CPU可靠復(fù)位。松開復(fù)位按鍵后，電容C充電，RST引腳電位下降，使CPU脫離復(fù)位狀態(tài)。它是以單片機(jī)為核心的控制電路，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)根據(jù)設(shè)定的步數(shù)進(jìn)行自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最短的時(shí)間走完所規(guī)定的步數(shù)而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。在系統(tǒng)工作的過程中，數(shù)碼管顯示步進(jìn)電機(jī)需要運(yùn)行的步數(shù)，并通過LED指示步進(jìn)電機(jī)的工作運(yùn)行狀態(tài)。最后對控制系統(tǒng)各部分的電路進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，并把各模塊有機(jī)組合起來形成一個(gè)較完整的電路，如附錄C所示。應(yīng)用系統(tǒng)種類繁多，應(yīng)用軟件各不相同，但是一個(gè)優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)具有下列特點(diǎn)【15】：（1）軟件結(jié)構(gòu)清楚、簡潔、流程合理。便于調(diào)試、連接、移植、修改。（4）運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)標(biāo)志化管理。（5）經(jīng)過調(diào)試修改后的程序應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化，除去修改“痕跡”。（6）實(shí)現(xiàn)全面軟件抗干擾設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，在此本文主要介紹軟件的各個(gè)模塊功能與軟件流程。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)軟件主要功能是單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的步數(shù)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最快的速度走完所設(shè)定的步數(shù)，并通過數(shù)碼管和LED顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。單片機(jī)根據(jù)所輸入的步數(shù)判斷是否需要進(jìn)行加速啟動，當(dāng)輸入的步數(shù)小于100時(shí)，步進(jìn)電機(jī)以最低速度25 r/min運(yùn)行。當(dāng)步數(shù)為0時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行。 變速控制中轉(zhuǎn)速與步長之間的關(guān)系 主程序設(shè)計(jì) 主程序工作過程（1）系統(tǒng)初始化。步進(jìn)電機(jī)的初始化狀態(tài)為停止、正轉(zhuǎn)，數(shù)碼管顯示步數(shù)為0。判斷是否有按鍵按下，若有則進(jìn)行按鍵處理。（3）系統(tǒng)啟動。（4）定時(shí)器T0啟動。（5）調(diào)速。（6）步數(shù)為0判斷。 主程序工作流程圖。 定時(shí)器T0中斷程序流程圖。 主程序流程圖 T0中斷服務(wù)程序流程圖 Proteus仿真由于Proteus軟件本身優(yōu)良的仿真特性，所設(shè)計(jì)的程序能用于Proteus中，完成仿真過程的同時(shí)，即基本驗(yàn)證所設(shè)計(jì)程序的準(zhǔn)確性，從而完成系統(tǒng)開發(fā)中的控制程序的設(shè)計(jì)部分。 Proteus仿真界面為了防止步進(jìn)電機(jī)啟動時(shí)發(fā)生失步，需要先以一個(gè)比較低的頻率啟動。通過Proteus軟件的仿真，所編寫的程序達(dá)到了預(yù)期的效果，仿真實(shí)現(xiàn)了程序的調(diào)試過程。 （2）并行接法：使用并行接法時(shí)要對每個(gè)數(shù)碼管用I/O口單獨(dú)輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。另外，74LS164自帶鎖存，起到節(jié)約I/O口資源的作用。在發(fā)送中斷標(biāo)志TI為0（即無效）的情況下，執(zhí)行寫串行數(shù)據(jù)輸出緩沖器SBUF指令即可將SBUF寄存器中的內(nèi)容由低位到高位依次輸出到RXD引腳，同時(shí)TXD引腳輸出移位脈沖，使外接的“串入并出”芯片逐一接受來自RXD引腳上的串行數(shù)據(jù)。這樣在執(zhí)行寫SBUF寄存器操作后，通過查詢TI標(biāo)志來確定發(fā)送過程是否完成，當(dāng)發(fā)送完成后需要將TI清零，以便輸出新的串行數(shù)據(jù)【17】。顯示程序只需要將數(shù)組中的內(nèi)容一個(gè)個(gè)送入SBUF 寄存器中，就可以實(shí)現(xiàn)步數(shù)的顯示。此模塊的功能是判斷是否有鍵按下，沒有按鍵按下則去執(zhí)行其他程序，有鍵按下則延時(shí)去抖動，返回鍵值，送鍵值給按鍵處理函數(shù)，再根據(jù)鍵值執(zhí)行相應(yīng)的功能，系統(tǒng)有15個(gè)按鍵，分別數(shù)字鍵、啟動鍵、停止鍵、正轉(zhuǎn)鍵、反轉(zhuǎn)鍵、復(fù)位鍵。本程序采用行、列對應(yīng)的二進(jìn)制碼來確定按鍵功能，例如讓P1輸出0FEH，如果第一按鍵按下時(shí)，第二個(gè)按鍵為0DEH，第三個(gè)按鍵為0BEH，第四個(gè)按鍵為7EH。 按鍵的功能與相應(yīng)鍵碼的定義鍵號功能鍵碼000EEH110DEH220BEH337EH440EDH550DDH660BDH777DH880EBH990DBH10啟動0BBH11停止7BH12正轉(zhuǎn)0E7H13反轉(zhuǎn)0D7H14復(fù)位0B7H15未定義77H按鍵功能說明：本程序的數(shù)字按鍵用于設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)；啟動停止按鍵用于控制步進(jìn)電機(jī)的啟動與停止；正反轉(zhuǎn)按鍵用于控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；復(fù)位按鍵用于當(dāng)輸入?yún)?shù)有誤時(shí)，可通過復(fù)位按鍵重新輸入?yún)?shù)。1/150 80 mA400 pps500 pps 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度（步進(jìn)角）。本系統(tǒng)將步進(jìn)電機(jī)的最高速度設(shè)定為99 r/min，最低轉(zhuǎn)速設(shè)定為25 r/min(啟動速度)。轉(zhuǎn)一圈需要360176。=20個(gè)脈沖，設(shè)轉(zhuǎn)速為N，則每分鐘需要的脈沖個(gè)數(shù)為20N個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的周期為 (單步時(shí)間)【18】： T=1/20N（min）=60/20N（s）=601000000/20N（us）=3000000/N（us）定時(shí)器T0的定時(shí)時(shí)間為：T1