【正文】 信號(hào)的有無(wú)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。步進(jìn)電機(jī)按類(lèi)型、相數(shù)來(lái)劃分種類(lèi)繁多，不同種類(lèi)、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(lèi)型是很多的。EPROM存儲(chǔ)器是一種紫外線(xiàn)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(xiàn)照射后重新使用。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。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(xiàn)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)。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)。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)。一種線(xiàn)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(wú)需改動(dòng)。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。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。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(guò)軟件的編程可以實(shí)現(xiàn)不同勵(lì)磁方式的輸出。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。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。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)。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。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。因此本文選擇步進(jìn)電機(jī)八拍的工作方式。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。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。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(guò)一個(gè)晶體管的最大耐壓U，造成晶體管損壞。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)。 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。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。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。Rs的最大值取決于集—射極間的擊穿電壓Ucer。(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。 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(zhuān)用設(shè)備—步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。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。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(xiàn)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)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(kāi)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。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。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。(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。(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)。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(zhuān)門(mén)的接口電路及驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)器可以用大功率復(fù)合管，也可以是專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)器。 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?？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】。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。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(guò)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。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。一般來(lái)說(shuō)，~1s之間。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(kāi)始慢慢加速，加速到一定頻率fe后就以此速率恒速運(yùn)行。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。 點(diǎn)—位控制的加減速過(guò)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(guò)程沒(méi)有實(shí)際意義，只需要按起動(dòng)頻率運(yùn)行即可。系統(tǒng)在工作過(guò)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)。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(kāi)始。升速的規(guī)律一般有兩種，一是按直線(xiàn)規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。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】。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。本系統(tǒng)采用定時(shí)器中斷來(lái)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。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。 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)。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(lái)實(shí)現(xiàn)。具體地說(shuō)，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)。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(lái)提供CP脈沖。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】。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(kāi)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(pán)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(xiàn)等領(lǐng)域中都得了到廣泛的應(yīng)用【10】。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(xiàn)的加工過(guò)程就完成。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)。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(guò)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。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。/θ，那每一步走過(guò)的距離為L(zhǎng)=55/N。176。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。 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。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。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(lái)實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。所以選擇軟件方案時(shí)，要考慮到這些因素。（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。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(xiàn)驅(qū)動(dòng)器或減少芯片功耗，降低總線(xiàn)負(fù)載。 控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)硬件電路主要由鍵盤(pán)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。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。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。（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。（6） 具有6個(gè)中斷源，完全可以滿(mǎn)足一般設(shè)計(jì)的中斷系統(tǒng)擴(kuò)展需要。 EPROM的選擇只讀存儲(chǔ)器(ROM)的特點(diǎn)是：其內(nèi)容是預(yù)先寫(xiě)入的且一旦寫(xiě)入，使用時(shí)就只能讀出不能改變，掉電時(shí)也不會(huì)丟失，ROM器件還具有結(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)。Intel 2716是2K8的EPROM存儲(chǔ)器。 2716 管腳排列2716管腳定義如下：A0—A10：地址線(xiàn)，11位(對(duì)應(yīng)2K存儲(chǔ)單元)地址信號(hào)輸入引腳；O7—O0：8位雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)，編程時(shí)作數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)，讀出時(shí)作數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)；：片選允許輸入端，低電平有效；：數(shù)據(jù)輸出允許控制信號(hào)引腳，低電平有效；Vpp：+25V電源，用于專(zhuān)用裝置上進(jìn)行寫(xiě)操作； 2716工作方式引腳方式/PGNVppO7 — O0讀出低低+5V程序讀出未選中高X+5V高阻編程正脈沖高+25V程序?qū)懭氤绦蛐ｒ?yàn)低低+25V程序讀出編程禁止低高+25V高阻 可逆計(jì)數(shù)器的選擇由于環(huán)形脈沖分配器不但需要接收脈沖信號(hào)CP，還需要接收方向電平，因此所選的計(jì)數(shù)器需要是一個(gè)可逆的計(jì)數(shù)器。74LS191是單時(shí)鐘方式的可逆計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的輸出QA～QD接EPROM的低四位地址線(xiàn)，這樣可以選通EPROM的十六個(gè)地址（00H～0FH），將步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)從EPROM中輸出，控制繞組的導(dǎo)通和截止。 74LS191功能表輸入工作模式置數(shù) 使能 加減 時(shí)鐘 H L L H L H L X X XH H X X加計(jì)數(shù)減計(jì)數(shù)預(yù)置保持 控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計(jì) 環(huán)形脈沖分配器設(shè)計(jì)環(huán)形脈沖分配器是用來(lái)接收單片機(jī)的CP脈沖，并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的狀態(tài)順序輸出各相繞組的導(dǎo)通或截止信號(hào)。因此，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高或低、加速或減速、啟動(dòng)或停止都完全取決于CP脈沖的有無(wú)和頻率。接收來(lái)自控制器的CP脈沖和方向電平是環(huán)形脈沖分配器的最基本功能?？赡嬗?jì)數(shù)器的輸出作為EPROM的地址輸入端，計(jì)數(shù)器的一個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)就對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)勵(lì)磁狀態(tài)，控制計(jì)數(shù)脈沖CP就可以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，加減計(jì)數(shù)控制端可以控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。對(duì)于不同類(lèi)型的步進(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。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，本文采用硬件設(shè)計(jì)環(huán)形脈沖分配器。 （2）并行接法：使用并行接法時(shí)要對(duì)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。 數(shù)碼管顯示電路是通過(guò)串行口方式0擴(kuò)展單片機(jī)的輸出口，在“串入并出”芯片74LS164的配合下，單片機(jī)RXD引腳接74LS164串行數(shù)據(jù)輸入端，TXD引腳接74LS164移位脈沖輸入端CLK，【14】。該電路具有手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位的功能。在電容充電過(guò)程中，RST引腳的電位逐漸下降，當(dāng)RST引腳的電位小于某一特定值后，CPU就會(huì)脫離復(fù)位狀態(tài)，只要電容C的容量足夠大，就能保證RST引腳高電平時(shí)間大于24個(gè)振蕩周期，使CPU可靠復(fù)位。當(dāng)VCC=0時(shí)，VCC端與地等電位，電容C通過(guò)VD迅速放電。手動(dòng)復(fù)位：當(dāng)按下手動(dòng)復(fù)位按鈕時(shí)，電容C通過(guò)R2放電，當(dāng)電容C放電結(jié)束后，RST引腳電位由RR1分壓比決定，由于R2R1，因此RST引腳為高電平，CPU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。 控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)將各接口電路有機(jī)結(jié)合起來(lái)形成一個(gè)完整的電路，電路圖如附錄C所示。步進(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。 本章小結(jié)本章