單片機(jī)在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、機(jī)械L119張廣義11L0551306單片機(jī)在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要：本文利用8051單片機(jī)的I/O 口，信號控制五相步進(jìn)電動機(jī)，利用內(nèi) 部程序?qū)纹瑱C(jī)輸出信號進(jìn)行脈沖分配，從而驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的方向、速度和位置的控制。采用當(dāng)今廣泛應(yīng)用工業(yè)控制自動化的 變頻技術(shù)實現(xiàn)對數(shù)控車床主軸的無級調(diào)速， 五相步進(jìn)電動機(jī)作為該系統(tǒng)的執(zhí)行元 件。由于,步進(jìn)電動機(jī)的角位移量和指令脈沖的個數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向與通電相序 有關(guān),因此,只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電動機(jī)繞阻通電的相序，便可控制機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動的位移量、速度和移動方向。實現(xiàn)對數(shù)控車床主軸和進(jìn)給系 統(tǒng)的自動控制，可以有效的節(jié)

2、約電能、提高設(shè)備自動化、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。提高 可觀的經(jīng)濟(jì)效益，單片機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制自動化系統(tǒng)中，掌握單片機(jī)技術(shù)是從事工業(yè)控制的重要技能。引言：當(dāng)今世界技術(shù)領(lǐng)域，自動化控制技術(shù)是實際應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展勢頭最 為強(qiáng)勁、經(jīng)濟(jì)效益最為明顯的技術(shù)之一。單片微型計算機(jī)是專門為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計 的,我國目前有不少單位使用單片機(jī)實現(xiàn)低檔的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。8051系列單片微機(jī)已成為應(yīng)用最廣泛的機(jī)種.除了用低檔的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的 CPU之外,在多 處理機(jī)構(gòu)成的全功能CNC系統(tǒng)中也常用單片微機(jī)實現(xiàn)伺服驅(qū)動等功能。步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行性能與電動機(jī)本身的特性、負(fù)載有關(guān)，而且與其配套使用的驅(qū)動電源有著密切的關(guān)系.步進(jìn)

3、電動機(jī)的運(yùn)行性能是步進(jìn)電動機(jī)和驅(qū)動電源的 綜合結(jié)果,選擇性能良好的驅(qū)動電源對于發(fā)揮步進(jìn)電動機(jī)的性能是十分重要的交流異步電動機(jī)的調(diào)速始終是一個不好解決的難題。直到二十世紀(jì)七十年代，由于計算機(jī)的產(chǎn)生，以及近二十年來新型快速的電力電子元件的出現(xiàn)，才使得交流異步電動機(jī)調(diào)速成為可能， 并得到迅速的普及。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流異 步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可由公式n=60fp(1-s)可知，改變電源頻率來實現(xiàn)交流異步電動 機(jī)的調(diào)速方法效果最理想，這就是所謂的變頻調(diào)速。一、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)1、數(shù)控車床概述數(shù)控車床又稱為CNC( Computer Numerical )車床，即用計算機(jī)數(shù)字控制的 車床。臥式車床是靠手工操

4、作機(jī)床來完成各種切削加工，而數(shù)控車床是將編制好 的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，由數(shù)控系統(tǒng)通過車床 X、Z坐標(biāo)軸的伺服電動機(jī) 去控制車床進(jìn)給運(yùn)動部件的動作順序、移動量和進(jìn)給速度，再配以主軸的轉(zhuǎn)速和 轉(zhuǎn)向，便能加工出各種形狀不同的軸類或盤類回轉(zhuǎn)體零件。 因此，數(shù)控車床是目 前使用較為廣泛的數(shù)控機(jī)床。2、數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)MJ-50數(shù)控車床其傳動系統(tǒng)圖如圖1所示。其中主運(yùn)動傳動系統(tǒng)由功率為11/15KW的AC伺服電動機(jī)驅(qū)動，經(jīng)1 : 1的帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，使主軸在35-3500r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，主軸箱內(nèi)部省去了齒輪傳動變速機(jī) 構(gòu)。因此減少了原齒輪對主軸的影響，并且維修方便。3、主軸

5、箱結(jié)構(gòu)主軸采用兩支承結(jié)構(gòu)，前支承由一個雙列圓柱滾子軸承11和一對角接觸球軸 承10組成，軸承11用來支承受徑向載荷，兩個角接觸球軸承一個大口朝向主軸前 端,另一個大口朝向主軸后端，用來承受雙向的軸向載荷和徑向載荷。 前支承軸 承的間隙用螺母1和6來調(diào)整。螺釘17、13起防松作用。主軸的支承形式為前端定 位，主軸受熱膨脹向后伸長。前后支承所用的雙列圓柱滾子軸承的支承剛性好， 允許的極限轉(zhuǎn)速高。而角接觸球軸能承受較大的軸向載荷，且允許的極限轉(zhuǎn)速高， 該支承結(jié)構(gòu)能滿足高速大載荷切削的需要。4、進(jìn)給傳動系統(tǒng)及傳動裝置X軸和Z軸進(jìn)給分別由步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，X軸進(jìn)給傳動裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。步進(jìn) 電動機(jī)15經(jīng)同步

6、帶輪14和 10以及同步帶12帶動滾珠絲桿6回轉(zhuǎn)，其上螺母7帶動刀 架21沿滑板1的導(dǎo)軌移動，實現(xiàn)X軸進(jìn)給運(yùn)動。滾珠絲杠的前支承3由三個角接觸 球軸承組成，其中一個軸承大口向前，兩個軸承大口向后，分別承受雙向的軸向 載荷。前支承由螺母2進(jìn)行預(yù)緊。滾珠絲杠的后支承9為一對角接觸球軸承，軸承 大口相背放置，由螺母11進(jìn)行預(yù)緊。這種絲桿兩端固定的支承形式，其結(jié)構(gòu)和工 藝都較復(fù)雜，但是可以保證和提高絲杠的軸向剛度。Z軸進(jìn)給傳動裝置。步進(jìn)電機(jī)14經(jīng)同步帶輪12和2以及同步帶11傳動到滾珠絲桿5,由螺母4帶動滑板連同刀 架沿床身13的矩形異軌移動（如b圖），實現(xiàn)Z軸的進(jìn)給運(yùn)動。電動機(jī)軸與同步帶 輪12之間

7、用錐環(huán)無鍵聯(lián)接，如局部放大視圖所示，其中19和20是錐面相互配合的 內(nèi)外錐環(huán)。當(dāng)擰緊螺釘17時，法蘭18的端面壓迫外錐環(huán)20使其向外膨脹，內(nèi)錐環(huán) 19受力后向電動機(jī)軸收縮，從而使電動機(jī)軸與同步帶輪聯(lián)接在一起。二、機(jī)床主軸變頻調(diào)速1、交流調(diào)速概況20世紀(jì)30年代,不少國家開始提出各種交流電動機(jī)的調(diào)速的原始方案，但由于交換技術(shù)控制的制約，進(jìn)展十分緩慢；在相當(dāng)長的時期內(nèi)，直流調(diào)速一直以優(yōu)良 而領(lǐng)先于交流調(diào)速；20世紀(jì)60年代中期,隨著電力電子器件的制造技術(shù)電力電子 電路的變換技術(shù)交流電動機(jī)的矢量變換控制技術(shù).PW技術(shù)以及微型計算機(jī)和以 大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全控數(shù)字化控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速得到廣泛

8、的應(yīng)用。交流電動機(jī)變頻調(diào)速是在現(xiàn)代微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，它不但比傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速優(yōu)越，而且比調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速等調(diào)速方式 優(yōu)越。它的特點(diǎn)是調(diào)速平滑、調(diào)速范圍寬、效率高特性好、結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械特性 硬、保護(hù)功能齊全，運(yùn)行平穩(wěn)安全可靠，在生產(chǎn)過程中能獲得最佳速度參數(shù)，是 理想的調(diào)速方式。應(yīng)用實踐證明，交流電機(jī)變頻調(diào)速一般能節(jié)電30%,目前工業(yè) 發(fā)達(dá)國家已廣泛采用變頻調(diào)速技術(shù)，在我國也是國家重點(diǎn)推廣的節(jié)電新技術(shù)。2、變頻調(diào)速原理在變頻調(diào)速中使用最多的變頻調(diào)速器是電壓型變頻調(diào)速器，由整流器、濾波 系統(tǒng)和逆變器三部分組成。在其工作時首先將三相交流電經(jīng)橋式整流為脈動直流 電，脈動直流

9、的電壓經(jīng)平滑濾波后在微處理器的調(diào)控下，用逆變器將直流電再逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電源，輸出到需要調(diào)速的電動機(jī)上。由電工原理 可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，通過變頻器可任意改變電源輸出頻率從而 任意調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速3、車床主軸的變頻調(diào)速車床主軸由11KV三相異步電動機(jī)拖動。通過比較決定選用三菱系列變頻器實 現(xiàn)主軸的變頻調(diào)速，并始終工作在最佳狀態(tài)，另外在主軸后端加裝編碼器，實現(xiàn)主 軸的速度控制。4、如下圖所示利用8051單片機(jī)的輸出實現(xiàn)主軸電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度控制，變頻 調(diào)速的結(jié)構(gòu)示意圖。5、變頻器的抗干擾技術(shù)-3 -# -1、外來干擾 變頻器采用了高性能微處理器等集成電路，

10、對外來電磁干擾較敏感，會因電磁干擾的影響而產(chǎn)生錯誤， 對運(yùn)轉(zhuǎn)造成惡劣影響。外來干擾多 通過以變頻器控制電纜為煤體的途徑侵入， 所以鋪設(shè)控制電纜時必須采取充分的 抗干擾措施。2、頻器產(chǎn)生的干擾變頻器的輸入和輸出電流的波形都不是標(biāo)準(zhǔn)正弦波,-# -含有很多高次諧波成分。它們將以空中輻射、線路傳播等方式把自己的能量傳播 出去，對周圍的電子設(shè)備、通信和無線設(shè)備的工作形成干擾。 因此在裝設(shè)變頻器 時，應(yīng)考慮采取各種抗干擾措施，削弱干擾信號的強(qiáng)度。三、步進(jìn)電動機(jī)對進(jìn)給裝置的方向、速度和位置的控制系統(tǒng)該數(shù)控機(jī)床的開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)不帶位置檢測反饋裝置 ，CNC單元發(fā)出的指 令信號是單項的該系統(tǒng)用功率步進(jìn)電動機(jī)

11、作為驅(qū)動元件，實現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動當(dāng)需要 某個軸運(yùn)動一個單位長度時，向該軸伺服電路輸出一個脈沖，經(jīng)環(huán)形分配和功率 放大驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動一步，通過絲桿轉(zhuǎn)動使機(jī)床運(yùn)動部件運(yùn)動一個單位長度 下圖為采用功率步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)系統(tǒng)示意圖工作臺開環(huán)歩進(jìn)伺服丟統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圉1、步進(jìn)電機(jī)的基本原理步進(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 動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增， 在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的電磁裝置.步進(jìn)電動機(jī)的向位移與輸入脈沖個數(shù)成正比，在時間上與輸入脈沖同 步，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。 因

12、此，只需控制輸入脈沖的數(shù)量、 頻率及電動機(jī)繞阻通電順序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向無脈沖輸入時，在 繞阻電源激勵下，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于自鎖狀態(tài) .步進(jìn)電機(jī)可 以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差 （精度為100%）的特點(diǎn)，廣 泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) （VR、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM、 混合式步進(jìn)電機(jī)（HB和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相， 可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電 機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子

13、上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn) 矩。混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相： 兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最 為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。2、步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)：0、電機(jī)固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值， 如86BYG250;型電機(jī)給出的值為 0.9 ° /1.8。（表示半步工作時為0.9。、整步工作時為1.8 °）,這個步距角可 以稱之為電機(jī)固有步距角，它不一定是電機(jī)實際工作時的真正步距角，真正 的步距角和驅(qū)動

14、器有關(guān)。2、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、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 ° /1.5。、五相的為0.36 ° /0.72 ° 。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要 求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改 變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。、步進(jìn)電機(jī)作為自動控制領(lǐng)域中的主要控制元件之一，具有以下應(yīng)用特占：八、（a）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%,且不累積。（b）步進(jìn)電機(jī)外表允許

15、的最高溫度：步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(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)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以 上,有的甚至高達(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。（c）步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞 組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。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。(d) 步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯 叫聲：步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即

16、步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟 步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動， 脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高 頻(電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速)。(e) 接受數(shù)字量的控制信號，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，它可以直接接受由計算 機(jī)系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號，而不需要進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)機(jī)械位移。例如，在機(jī)械控制部分，步進(jìn)電機(jī)配合絲杠和齒輪可把 角度變化轉(zhuǎn)變直線轉(zhuǎn)移。(g) 靈敏度高，步進(jìn)電機(jī)具有快速起動和快速停止的能力，能在瞬間實現(xiàn)起 傳。(h) 能準(zhǔn)確返回原位，無論是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)還是永

17、磁式步進(jìn)電機(jī)，都能精 確地返回電機(jī)的起始位置。(i) 脈沖與角度位移能精確同步，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，可以利用電機(jī)控制 脈沖與它的角位移精確同步的特點(diǎn)，實現(xiàn)對物理量的控制(j )控制方便、可靠、精確定值：步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，所以在數(shù)控車 床改造中，系統(tǒng)普通采用步進(jìn)電動機(jī)作伺服元件。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā) 展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 所以在 數(shù)控車床改造中，系統(tǒng)普通采用步進(jìn)電動機(jī)作伺服元件。3、步進(jìn)電動機(jī)的選擇：本系統(tǒng)采用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，實現(xiàn)對Z軸和X軸進(jìn)行速度、方向和位置控 制，本系統(tǒng)選用步進(jìn)電動機(jī)型號：130BF001五相十拍、步距角：0.75

18、/1.50、 靜態(tài)電流：10A、額定電壓：80/120V、最大靜力矩：950/N-CM空載啟動頻率 300S-1、空載運(yùn)行頻率：16000S-1選擇步進(jìn)電機(jī)時，首先必須保證步進(jìn)電機(jī)的 輸出功率大于負(fù)載所需的功率，而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)先計算機(jī)械系統(tǒng)的 負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的矩頻物性能有一定的余量， 以保證運(yùn)行可靠，即在實際工作 中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩 M也大。通常取M/Mjmax=0.2-0.5.對于相數(shù)較多突跳頻率 要求不高的情況取大值，反之取小值。其次，應(yīng)使步矩角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣 可以得到機(jī)床使用時要求的脈沖當(dāng)量。4、

19、單片機(jī)的概述隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機(jī)越來越廣泛地應(yīng)用于人們工作和生活中 的各個領(lǐng)域里的一個重要方面，單片機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)近年來也得到了長足發(fā)展。 單片機(jī)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動化控制、 智能儀表、數(shù)據(jù)采集、通訊以及家用電器 等領(lǐng)域。單片機(jī)以其與通用微機(jī)完全不同的發(fā)展模式，不斷滿足工業(yè)測控、惡劣 環(huán)境下可靠運(yùn)行的要求。單片機(jī)已成為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中不可缺少的重要角色。單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展速度十分迅速，速度更快功能更強(qiáng)的16位32位單片機(jī)已 陸續(xù)問世，但8位機(jī)，特別是新一代高檔8位機(jī)具有優(yōu)異的性能，已能滿足大部 分單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的需要，另外，它還具有可靠性高外圍芯片配套系統(tǒng)構(gòu)成簡單 應(yīng)用軟件豐富技術(shù)成熟

20、開發(fā)應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用中仍有一定的市場。 單片機(jī)微處理具有以下特點(diǎn)： 、受密度限制：芯片存儲器存儲容量較小， 一般ROM、于4/8KB，RAM小于256字節(jié)； 、可靠性良好：單片機(jī)是按照工業(yè)控制要求所設(shè)計的 ，其抗工業(yè)噪聲 干擾優(yōu)于一般的CPU程序指令及常數(shù)數(shù)據(jù)都燒寫在 ROM內(nèi),其許多信號通道 均在同一個芯片內(nèi)，因此可靠性高； 、易擴(kuò)充：單片機(jī)具有一般微電腦所必需的器件，如三態(tài)雙向總線、并行及串行的輸入/輸出引腳，可以擴(kuò)充為各種規(guī)模的微電腦系統(tǒng)；、控制功能強(qiáng)：為了滿足工業(yè)控制的要求，單片機(jī)的指令除了輸入/輸出控制指令、邏輯中斷指令外，還有更為豐富的條件分支跳躍指令。MCS-5係列單

21、片機(jī)是INTEL公司在MCS-48的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新產(chǎn)品。雖 然仍然是8位的單片機(jī)，但其功能較MCS-48有很大增強(qiáng)，此外它還具有品種全、 兼容性強(qiáng)、軟硬資料豐富等特點(diǎn)，因此用非常廣泛。利用8051單片機(jī)對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行速度和方向的控制，從而驅(qū)動絲杠實現(xiàn)進(jìn)給。四、步進(jìn)電動機(jī)的微機(jī)控制原理傳統(tǒng)的步進(jìn)控制器線路復(fù)雜，成本高，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)時，可由單片 機(jī)硬件和軟件代替上述步進(jìn)控制器。 不僅簡化了線路，降低了成本，面且可靠性 大大提高，并能根據(jù)系統(tǒng)需要靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案， 使用起來更為方便。 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作。在步進(jìn)電動機(jī)的單片機(jī)控制中，控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生。其基

22、本控制作用如下。、控制換相順序：步進(jìn)電動機(jī)的換相順序嚴(yán)格按照步進(jìn)電動機(jī)的工作方 式進(jìn)行。通常我們把通電換相這一過程稱為脈沖分配。 系統(tǒng)中以五相步進(jìn)電動機(jī) 工作在十拍 2-3 相通電方式為例，這時通電順序 為:AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-E先接通 AB繞阻，以后再接通 ABC相繞 阻,然后斷開A相繞阻,使BC繞阻接通；再同時接通BCD相繞阻,依次進(jìn)行。定子 五相繞阻需經(jīng)過十次切換才能完成一個循環(huán)、控制步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)向：通過前面介紹的步進(jìn)電動機(jī)原理我們已經(jīng)知道，如果按給定的工作方式正序通電換相，步進(jìn)電動機(jī)就正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，則電動機(jī)就反轉(zhuǎn)。五相十拍步進(jìn)電動

23、機(jī)工作在2-3相方式,通電換相的正序是 AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB動機(jī)就正轉(zhuǎn)；如果按反序 EAB-EA-DEA-DE-CDE-CD-BCD-BC-ABC-At 動機(jī)就反轉(zhuǎn)。、控制步進(jìn)電動機(jī)的速度：如果給步進(jìn)電動機(jī)發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔時間越短，步進(jìn)電動機(jī) 就轉(zhuǎn)得越快。因此，脈沖的頻率決定了步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 調(diào)整單片機(jī)發(fā)出脈沖 的頻率，就可以對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。步進(jìn)電動機(jī)的速度控制通過控制單片機(jī) 發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實現(xiàn)?？梢圆捎谜{(diào)整兩個控制字之間的時間間隔來實現(xiàn)調(diào) 速。在此只要通過軟件延時的方法，改變

24、延時的時間長度就可以改變輸出脈沖的 頻率。但這種方法使CPU長時間等待，占用大量機(jī)時。-6 -4、對步進(jìn)電動機(jī)位置控制的一般作法:步進(jìn)電動機(jī)每一步，步數(shù)減一,如果沒有失步存在，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置進(jìn)，步數(shù)正好減到o,因此，用步數(shù)等于o來判斷是否移動到目標(biāo)位，作為步進(jìn)電動機(jī)停止運(yùn)行的信號。步進(jìn)電動 機(jī)的位置控制，指的是控制步進(jìn)電動機(jī)帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個位置精確地運(yùn)行到另 一個位置。步進(jìn)電動機(jī)的位置控制是步進(jìn)電動機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)， 它可以不用借助位 置傳感器而只需單的開環(huán)控制就能達(dá)到足夠的位置精度，因此應(yīng)用廣泛。5、利用微機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，有串行和并行兩種方式。(1) .串行控制 該方式使單片機(jī)系

25、統(tǒng)與步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源之間具有較少 的連線。，單片機(jī)通過I/O接口將信號送入步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源的環(huán)形分配器， 所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動電源中必須含有環(huán)形分配器。(2) 并行控制 用微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)條端口線直接去控制步進(jìn)電動機(jī)各相驅(qū)動 電路的方法稱為并行控制。在電動機(jī)驅(qū)動電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，而其功能 必須由微機(jī)系統(tǒng)完成。由計算機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能又有兩種方法：一種 是純軟件方法，既完全軟件來實現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止的信號， 主要有寄存器移位法和查表法；第二種是軟、硬件相結(jié)合的方法。本論文通過軟件實現(xiàn)脈沖分配，按照給定的通電順序，通過單片機(jī)I/O 口向 驅(qū)動電路發(fā)出控制脈沖通電

26、狀用軟件實現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖P0.4(E)P2.4(E)P0.3(D)P2.3(D)P0.2(C)P0.1(B)P2.2(C)P2.1(B)控制字P0.0(A)P2.0(A)AB11100FCHABC11P 000P F8HBC11001F9HBCD10001F1HCD10:011:F3HCDE00011E3HDE00111E7HDEA00110PE6HEA01110EEHEAB01100EC卜如上圖所示,利用8051單片機(jī)的P0.0P0.4和P2.0P2.4這十條I/O線,向五相步進(jìn)電動機(jī)傳送控制信號,P0 口為控制X軸的步進(jìn)電動機(jī),P2 口為控制Z軸步進(jìn)電動機(jī).以五相步進(jìn)電動機(jī)工作在十

27、拍 2-3相方式為例，設(shè)計軟件。五相十拍工作在2-3方式通電換相的順序為：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB 共有十個通電狀態(tài)。如果I/O輸出的控制信號中。0代表使繞阻通電，1代表使 繞阻斷電，則可用十個控制字來對應(yīng)這十個通電狀態(tài)。這十個控制字如表所示。在程序中,只要依次將這10個控制字送到P0 P2 口 ,步進(jìn)電動機(jī)就會轉(zhuǎn)動一 個齒距角。每送一個控制字，就完成一拍，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角.六、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的原理步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動 ，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器， 它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，加以放大以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與 脈沖信號的頻率成正比，控制步進(jìn)脈沖信號的頻率，可以對電機(jī)精確調(diào)速；控制 步進(jìn)脈沖的個數(shù)，可以對電機(jī)精確定位。由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電流比較大， 故單 片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都要專門的接口電路及驅(qū)動電路。典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)主要由三部分組成：1. 步進(jìn)控制器，由單片機(jī)實現(xiàn)。2. 驅(qū)動器，把單片機(jī)輸出的脈沖加以放大，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。3. 步進(jìn)電機(jī)。典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制電路圖如下：S031P1.