三相雙三拍步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘要進(jìn)步電機(jī)是幾點(diǎn)數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的控制元件之一。由于其精度高，體積小，控 制方便靈活，因此在智能儀表和位置中得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常見(jiàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)最早是在1920年由英國(guó)人所開(kāi)發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，這對(duì)于數(shù)字化的控制變得 更為容易。以后經(jīng)過(guò)不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分 解性能、高響應(yīng)性、信賴(lài)性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過(guò)程中要求自動(dòng)化、 省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控 制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活

2、控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí) 行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微 電 子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民 經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 他易于實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字元件接口，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。261課程設(shè)計(jì)任務(wù)和要求課程設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)步進(jìn)電機(jī)程序控制系統(tǒng)，可以對(duì) 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向以及位置進(jìn)行控制。通過(guò)設(shè)計(jì)，掌握步進(jìn)電機(jī)的工作原理、掌握 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)步驟，進(jìn)一步提高綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。要求完成的主要任務(wù)：(1)設(shè)計(jì)接口電路和驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。(2)選擇控

3、制算法，編寫(xiě)控制程序，實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電機(jī)在雙三拍工作方式下先正轉(zhuǎn)90度，然后再反轉(zhuǎn)60度，要求其速度可調(diào)，轉(zhuǎn)向可控。(3)寫(xiě)出設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。課程任務(wù)要求(1)查閱資料，確定設(shè)計(jì)方案(2)選擇器件，設(shè)計(jì)硬件電路，并畫(huà)出原理圖和 PCBS(3)畫(huà)出流程圖，編寫(xiě)控制程序(4)撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2步進(jìn)電機(jī)的概述2.1 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)1) 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3-5%,且不累積。2)步進(jìn)電機(jī)外表允許的溫度高。步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁， 從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材 料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至

4、高達(dá)攝氏200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 80-90度完全正常。3)步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電 感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率(或 速度)的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4)步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步 進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖 頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即 啟動(dòng)頻率較低，然

5、后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖進(jìn)行控制 ，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相位移的電機(jī)，具機(jī)械位 移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率成正比，每一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度.脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了電機(jī)運(yùn) 轉(zhuǎn)的速度.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(chēng)為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(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。

6、2.3 步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)1）空載啟動(dòng)頻率即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī) 不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率更低。如果要使電 機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后一定加速度升到所 希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?）電機(jī)固有步距角它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一 個(gè)步距角的值，如86BYG250即電機(jī)給出的值為0.9 /1.8。（表示半步工作時(shí)為0.9 、 整步工作時(shí)為1.8 ）,這個(gè)步距角可以稱(chēng)之為電機(jī)固有步距角，它不一定是電機(jī) 實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真

7、正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。3）步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī) 相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9 /1.8 、三相的為0.75 0/1.5 、五相的為0.360 /0.72 0 0在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶(hù)主要靠選擇不同相數(shù)的 步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿(mǎn)足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒(méi)有意義， 用戶(hù)只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。4）保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參 數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)

8、的輸出力矩隨速度 的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn) 電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō)2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是 指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。2.4 步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)外結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別 與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi)。0、1/32/3 T,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示）,即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開(kāi)1/3 T, C與齒3向右錯(cuò)開(kāi)2/3 T, A與齒5相對(duì) 齊，（A就是A,齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開(kāi)如圖2.4.2所示：3步進(jìn)電機(jī)控制工作原理3.1 步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂?/p>

9、步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感，即振動(dòng)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑 ， 減小振動(dòng)，可在步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角,提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí) ，為了防止因慣性而使電機(jī) 軸產(chǎn)生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使步 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。3.2 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式為三相六 拍，即A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通電換相，即則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類(lèi)似。 3.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路此次我們所設(shè)計(jì)的是一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，主要由單片機(jī)8

10、0C51, 3相步進(jìn)電機(jī)，7段數(shù)碼管，及一些其他相關(guān)元件設(shè)計(jì)而成?？梢酝ㄟ^(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)控制系統(tǒng)的啟/停工作，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，用開(kāi)關(guān)來(lái)控制方向，并使相應(yīng)的指示燈亮起，同樣由開(kāi)關(guān)來(lái)選擇工作模式。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，用4位7段數(shù)碼管來(lái)輸出步數(shù)。最后根據(jù)思路所設(shè)計(jì)出來(lái)的硬件圖設(shè)計(jì)相適應(yīng)的軟件。3.4 系統(tǒng)的整體框圖3.5 驅(qū)動(dòng)方式的確定并于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般有兩種方法，一種是通過(guò) CPUS接來(lái)驅(qū)動(dòng)，這種方法一般 不宜采用，因?yàn)镃PU勺輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；別一種 是通過(guò)CP皿間接驅(qū)動(dòng)，就是把從CPU俞出的信號(hào)進(jìn)行放大，然后直接驅(qū)動(dòng)或是再通過(guò) 光電隔離間接來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，這種方法比較安全可靠。固

11、本次設(shè)計(jì)應(yīng)采用CPU同接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。用編碼器還的測(cè)速發(fā)電機(jī)作為轉(zhuǎn)速測(cè)量工具，因?yàn)檫x擇了閉環(huán)控制，就必須 有反饋元件，反饋元件一般有兩種，一種是采用同軸的測(cè)速發(fā)電機(jī)，把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋回來(lái)，然后通過(guò)顯示器顯示出來(lái)并對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)；別一種是通過(guò)光同軸的電 編碼器把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋回來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)；兩者相比，后者的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn) 單，價(jià)格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光電騙碼器作為反饋元件。3.6 驅(qū)動(dòng)電路的選擇步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有多種，但最為常用的就是單電壓驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū) 動(dòng)、細(xì)分控制驅(qū)動(dòng)等。單電壓驅(qū)動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)控制中最為簡(jiǎn)單的一種驅(qū)動(dòng)電路，它在本 質(zhì)上是一個(gè)單間

12、的反相器。它的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因它的工作效率低，特別是在高 頻下更顯的突出。它的外接電阻 R要消耗相當(dāng)一部分的熱量，這樣就會(huì)影響電路的穩(wěn)定 性所以此種驅(qū)動(dòng)方式一般只用在小功率的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路中。雙電壓驅(qū)動(dòng)是電路一 般采用兩種電源電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，因這兩個(gè)電源分別是一個(gè)為高壓一個(gè)為低壓，因此也稱(chēng)為 高低壓驅(qū)動(dòng)電路。雙電壓驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn)是在高低壓連接處電流出現(xiàn)谷點(diǎn)，這樣必然引 起力矩在谷點(diǎn)處下降。不宜于電機(jī)的正常運(yùn)行。對(duì)于斬波電路驅(qū)動(dòng)則可以克服這種缺點(diǎn)， 并且還可以提高步進(jìn)電機(jī)的效率。別一種是用單片機(jī)采用數(shù)子脈寬調(diào)制的方法獲得階梯 電流，這種方法需要復(fù)雜的計(jì)算可使細(xì)分后的步距角一致。但因本次設(shè)計(jì)

13、對(duì)步進(jìn)電機(jī)的 精度要求比較高轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍比較廣，固應(yīng)選用驅(qū)動(dòng)芯片8713來(lái)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。4硬件電路的設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)的選擇本次設(shè)計(jì)以CPU4用89C51作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片.89C51的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可以在編 程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫(xiě)達(dá)幾萬(wàn)次以上.使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容MCS51系列單 片機(jī)的所有功能。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory )的低電壓，高性能 CMOS粒微 處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。該器件采用 ATMEL5密度非易失存儲(chǔ)器

14、制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPUF口閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè) 芯片中，ATMEL勺AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈 活性高且價(jià)廉的方案。4.1.1 單片機(jī)的引腳功能1) VCC(40):電源+5V。2) VSS (20):接地，也就是 GND3) XTL1 (19)和 XTL2 (18):振蕩電路。4) PSEN(29):片外ROMfe通信號(hào)，低電平有效5) ALE/PROG30):地址鎖存信號(hào)輸出端/EPROM程脈沖輸入端6) RST/VPD(9):復(fù)位信號(hào)輸入端/備用電源輸入端。7) EA/VPP (31)

15、:內(nèi)/外部RO延擇端口。8) P0 口(39-32):雙向 I/O 口。P1 口(1-8):準(zhǔn)雙向通用 I/09) P2 口(21-28):準(zhǔn)雙向I/0 口。原理圖如4.1.1所示：P1. 0 Fl. 1 P1. 2 FL 3 PL 4 PL 5 F1.6 P1. 7 EESET EXD/P3. 0 TXD/P3. 1 IHT0/P3 2 IMT1/P3. 9 T0/P3. 4 T1/P3. 5 WPS. 6 M/F3. T XTAL2 XTAL1PDIF Vesc1=40 239 1E338 1E437 JL536 r&35 1l:734 Jl:833 Jr932 JLIC31 L1130

16、1r1229 L1328 1427 JL152b L1625 L1724 JLIS23 JL1322 2C21 ITccPU. Oi/ADO PD. 1/AD1 P0. 2/AD2 PCL 3/AD3 PO, 4/AD4 Pll 5/AD5 PO. 6/AD6 PLL 7/AD?EA/Vpp ALE/PRJ5& PSEMP2. 7/AD1 5 P2. 6/AD14 P 2.5/AD13 P2. 4/AD1 2 F2 3/AD11 F2. 2/AD10 P2, 1/AD9 P2. 0/AD8圖4.1 AT89C51的引腳圖4.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是利用凸極轉(zhuǎn)子交軸磁阻與直軸磁阻之差

17、所產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn) 動(dòng)的所以也稱(chēng)為磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)現(xiàn)以一個(gè)最簡(jiǎn)單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明其 工作原理.4.2.1 三相雙三拍通電方式控制繞組的通電方式為 AB-BC-CA-AB或AB-CA-BC-AB每拍同時(shí)有兩相繞組通電三拍 為一個(gè)循環(huán)，當(dāng)AB兩相控制繞組同時(shí)通電時(shí)轉(zhuǎn)子齒的位置應(yīng)同時(shí)考慮到兩對(duì)定子極的 作用，只有A相極和B相極對(duì)轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力相平衡才是轉(zhuǎn)子的平衡位置如 4-2-2 B所示，可見(jiàn)雙三拍運(yùn)彳T時(shí)的步距角仍是30 ,但雙三拍運(yùn)行時(shí)每一拍總有一相繞組持續(xù)通電，例如由 AB兩相通電變?yōu)锽C兩相通電時(shí)，B相保持持續(xù)通電狀態(tài) C 相磁拉力圖使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，而B(niǎo)相磁拉力卻

18、起有阻止轉(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電機(jī)工作比較平穩(wěn)，而在三相單三拍運(yùn)行時(shí)由于沒(méi)有這 種阻尼作用，所以轉(zhuǎn)子達(dá)到新的平衡位置容易產(chǎn)生振蕩穩(wěn)定性不如雙三拍運(yùn)行方式。三 相雙三拍運(yùn)行方式AB相與BC相導(dǎo)通的結(jié)構(gòu)如圖4.2.1所示：圖4.2三相雙三拍運(yùn)行方式在分析步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，不僅要知道某一相控制繞組通電時(shí)的矩角特性， 而且要知道整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中各相控制繞組通電狀態(tài)下的矩角特性，即所謂矩角特性族以 三相單三拍的通電方式為例，若將失調(diào)角 8的坐標(biāo)軸統(tǒng)一取在A相磁極的軸線上，顯然 A相通電時(shí)矩角特性如圖中曲線 A所示穩(wěn)定平衡點(diǎn)為 。，點(diǎn)B相通電時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1/3 齒距相當(dāng)于轉(zhuǎn)

19、過(guò)2冗/3電角度，它的曲線C,這三條曲線就構(gòu)成了三相單三拍通電方式時(shí)的矩角特性族總之矩角特性族中的每一條曲線依次錯(cuò)開(kāi)一個(gè)用電角度表示的步矩角8” MERGEFORMAT 證* MERGEFORMAT* MERGEFORMAT步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的特性它直接影響系統(tǒng)工作的可 靠性和系統(tǒng)的快速反應(yīng)。1）單步運(yùn)行狀態(tài)單步運(yùn)行狀態(tài)是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一相或多相控制繞組通電狀態(tài)下僅改變一次通電狀 態(tài)時(shí)的運(yùn)行方式.2）動(dòng)穩(wěn)定區(qū)當(dāng)A相控制繞組通電時(shí)矩角特性如圖所示，若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為理想空載則轉(zhuǎn)子處于穩(wěn) 定平衡點(diǎn)兒* MERGEFORMAT,如果將A相通電改變?yōu)锽相通電，那么矩角特性應(yīng)向 前

20、移動(dòng)一個(gè)步距角 二：八* MERGEFORMATJ曲線B, - -八* MERGEFORMAT；新的穩(wěn)定平 衡點(diǎn)由于在改變通電狀態(tài)的初瞬轉(zhuǎn)子位置來(lái)不及改變還處于8=0的位置，對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩卻由。突變?yōu)榍? MERGEFORMAB上的C點(diǎn)，電機(jī)在該轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)子向新的穩(wěn)定平衡位置，移動(dòng)直至到達(dá)-i* MERGEFORMA為止對(duì)應(yīng)它的靜穩(wěn)定區(qū)為止，即改變 通電狀態(tài)的瞬間只要轉(zhuǎn)子在這個(gè)區(qū)域內(nèi)就能趨向新的穩(wěn)定平衡位置，因此把后一個(gè)通電 相的靜穩(wěn)定區(qū)稱(chēng)為前一個(gè)通電相的動(dòng)穩(wěn)定區(qū)，把初始穩(wěn)定平衡點(diǎn)OA 與動(dòng)穩(wěn)定區(qū)的邊界點(diǎn) A之間的距離稱(chēng)為穩(wěn)定裕度，拍數(shù)越多步距角越小，動(dòng)穩(wěn)定區(qū)就越接近靜穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定裕 度越

21、大，運(yùn)行的穩(wěn)定性越好轉(zhuǎn)子從原來(lái)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)到達(dá)新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)的時(shí)間越短， 能夠響應(yīng)的頻率也就越高。4.2.2 最大負(fù)載能力步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶恒定負(fù)載時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 丁口 * MERGEFORMAT/1 區(qū) * MERGEFORMAT 若A相控制繞組通電則轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置為圖中曲線A上的網(wǎng)* MERGEFORMAT,這一點(diǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩正好與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，當(dāng)輸入一個(gè)控制脈沖信號(hào)通電狀態(tài)由A相改變?yōu)锽相，矩角特性變?yōu)榍€ B在改變通電狀態(tài)的瞬間電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 北*MERGEFORMAff負(fù)載轉(zhuǎn)矩 出* MERGEFORM AT機(jī)在該轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角到達(dá)新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)OB5軟件的設(shè)計(jì)5.1 鍵

22、盤(pán)子程序的設(shè)計(jì)圖5.1顯示程序流程圖5.2正反轉(zhuǎn)程序流程圖取正轉(zhuǎn)起始地址圖5.2正反轉(zhuǎn)程序流程圖5.3 轉(zhuǎn)速快慢程序流程圖5.3轉(zhuǎn)速快慢程序流程圖5.4 定時(shí)中斷流程圖圖5.4中斷子程序流程圖6系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)6.1 總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)具有如下功能：K1、K2分別為啟動(dòng)和方向控制；(2)正轉(zhuǎn)時(shí)紅色指示燈亮，反轉(zhuǎn)時(shí)黃色指示燈亮，不轉(zhuǎn)時(shí)綠色指示燈亮;(3)用4位LED顯示工作步數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求用 PROTEU所做的硬件連線圖如下圖 1:圖6.1總體硬件連線6.2 步進(jìn)電機(jī)控制電路6.2.1 啟/停控制、正/反轉(zhuǎn)控制、工作模式控制電路分析原理圖如下: KO J ,1 O

23、-r&sJ?.SWSPDT.：TEXT., K1 - .$W$PDT. IE?T：., K2 一1.$WPDT .燈曰 K3 i. SWSPDT K4r -圖6.2按鍵控制圖(1) K3為啟/停控制開(kāi)關(guān)，控制整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)閉(2) K4為正/反轉(zhuǎn)控制開(kāi)關(guān)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。(3) K0-K3為工作模式;f5制開(kāi)關(guān)，KO接電時(shí)，為步進(jìn)電機(jī)單三拍工作模式；K1接電時(shí),為步進(jìn)電機(jī)雙三拍工作模式；K2接電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)工作模式為三相六拍。6.2.2步進(jìn)電機(jī)控制電路將80c51的P1.0-P1.3作為步進(jìn)電機(jī)的輸出控制口。原理圖如下：圖6.3步進(jìn)電機(jī)的輸出控制口6.3顯示電路4.3.1發(fā)光二極管顯示

24、電路用3個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管來(lái)作為指示燈顯示，將P3.5接紅燈，P3.6接黃燈，P3.7接綠燈，正轉(zhuǎn)時(shí)紅色指示燈亮，反轉(zhuǎn)時(shí)黃色指示燈亮，不轉(zhuǎn)時(shí)綠色指示燈亮。原理圖如下：圖6.4指示燈接線圖由80c51的P0口取出顯示碼，從80c51的P2.0-P2.3輸出位選碼，設(shè)計(jì)中我們主要用到 4位顯示步數(shù)既可。原理圖如下：/All圖6.5接線圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析在單相三拍方式控制中，假如 A相電源通電，B、C兩相都不通電，在磁場(chǎng)作用下，使轉(zhuǎn)子齒和A相的定子齒對(duì)齊。若此時(shí)為初始狀態(tài)，并設(shè)與A相磁極對(duì)齊的齒為0號(hào)齒,122= 131由于B相齒與A相齒相差120度。且丁- 3 * MERGEFORMAT；整數(shù)

25、。所以此轉(zhuǎn)子 不能和B號(hào)齒對(duì)齊，只有13號(hào)小齒靠近B相磁極的中心線，與中心線相差3度，如果此 時(shí)變?yōu)锽相通電，萬(wàn)里A C兩相不通電，則B相磁極迫使與13號(hào)齒對(duì)齊，整個(gè)齒就轉(zhuǎn) 了 3度，稱(chēng)為一步。步進(jìn)電機(jī)就是以這種方式作為動(dòng)力而轉(zhuǎn)動(dòng)。光電編碼器的分分辨率是決定著反饋的準(zhǔn)確性與反饋的精度。也對(duì)步進(jìn)電機(jī)的延時(shí)長(zhǎng)短起到一定的作用。可見(jiàn)實(shí)際與理論是有一定的差別的。8總結(jié)通過(guò)這兩個(gè)多星期的課程設(shè)計(jì)，把所學(xué)過(guò)的各種知識(shí)進(jìn)行了一次全面而系統(tǒng)的綜合, 并融會(huì)貫通，把所學(xué)到的各種理論與思想進(jìn)行可一次合理的應(yīng)用，把所查閱到的各種文 獻(xiàn)及與設(shè)計(jì)相關(guān)的資料進(jìn)行了合理的提取與分析，并應(yīng)用到實(shí)際。這不但增強(qiáng)了自己的 知識(shí)結(jié)

26、構(gòu)，同時(shí)對(duì)所學(xué)過(guò)的各種理論知識(shí)與專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行了一次全面的終結(jié)。由于不斷 的上機(jī)操作與實(shí)踐，不但加強(qiáng)了自己動(dòng)手能力，同時(shí)對(duì)一些計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用有了一定 的掌握與理解，并加強(qiáng)了網(wǎng)上學(xué)習(xí)和查閱資料的能力。參考文獻(xiàn)1張洪潤(rùn)，藍(lán)清華.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)教程.北京：清華大學(xué)出版社，1997.2秦曾煌.電工學(xué).北京：高等教育出版社,1999.3常斗南，等.可編程序控制器原理、應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998.4于海生，等.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，1999.5王福瑞，等.單片機(jī)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)北京：北京航空航天大學(xué)出社，1998.6陳理壁.步進(jìn)電機(jī)及其應(yīng)用M.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1

27、989.口 劉保延，等.步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1997.8季維發(fā)，過(guò)潤(rùn)秋,嚴(yán)武升等.機(jī)電一體化技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社,1995.9郭敬樞,莊繼東，孔峰.微機(jī)控制技術(shù).重慶:重慶大學(xué)出版社,1994.10劉國(guó)榮.單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.11何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1993.12潘新民等：?jiǎn)纹⑿陀?jì)算機(jī)實(shí)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)北京：人民郵電出版社，1992.13王潤(rùn)孝，秦現(xiàn)生編著1機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng)1西北工業(yè)大學(xué)出版社,1997.14李伯成，侯伯李等編1IBM - PC微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)西安電子科技學(xué),1996.15黃義源主編1機(jī)械設(shè)備電氣與數(shù)字控制中共廣播電視大學(xué)出版社 ,1992.附錄總程序如下：#include#includevoid delayl(void);void delay2(void);void display(int);int bs=0;main()char a,b,c,d,j,*q,done18=0x01,0x02,0x04,0x00,0x01,0x04,0x02,0x00,done28=0x03,0x06,0x05,0x00,0x03,0x05,0x06,0x00,done314=0x01,