步進(jìn)電機驅(qū)動兩坐標(biāo)線切割控制

1、一、標(biāo)題：專業(yè)選修課實訓(xùn)步進(jìn)電機驅(qū)動兩坐標(biāo)線切割控制1、作品照片2、焊接電路照片二、步進(jìn)電機的應(yīng)用及發(fā)展、電路功能1、設(shè)計目標(biāo)利用兩個步進(jìn)電機組成 X、Y 坐標(biāo)系，并分別控制工作臺上 X 軸和 Y 軸的步進(jìn)脈沖，實現(xiàn)從起點 A 點到預(yù)定點 B 點的走向控制。對步進(jìn)電機的控制要求:（1） 判斷旋轉(zhuǎn)方向；（2） 按順序傳送控制脈沖；（3） 判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。2、X、Y 工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲桿螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減少工作臺的摩擦系

2、數(shù)，提高運動平穩(wěn)性?？紤]電機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動，系統(tǒng)總體框圖如下：圖1步進(jìn)電機控制XY軸系統(tǒng)總體框圖3、步進(jìn)電機的特點1.一般步進(jìn)電機的精度為步進(jìn)角的3-5%，角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。2.步進(jìn)電機外表不允許較高的溫度。步進(jìn)電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機外表溫度在攝氏 80-90 度完全正常

3、。3.步進(jìn)電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動時，電機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)電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。5.由步進(jìn)電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非常的可靠。同時，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)。6.步進(jìn)電機的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停，正反轉(zhuǎn)及變速。7.速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，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)動負(fù)載。8.步進(jìn)電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源

4、和直流電源。9.步進(jìn)電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。10.步進(jìn)電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。4、 步進(jìn)電機及其發(fā)展步進(jìn)電機又稱為脈沖電動機或階躍電動機，它是基于最基本的電磁感應(yīng)作用，將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。單片機控制的步進(jìn)電機廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動控制、數(shù)控機床、組合機床、機器人、計算機外圍設(shè)備、照相機，大型望遠(yuǎn)鏡，衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)等等。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，技術(shù)

5、的進(jìn)步和電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，同時也對步進(jìn)電機的運行性能提出了更高的要求。步進(jìn)電機的原始模型起源于 1830 年至 1860 年，1870 年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氬弧燈的電極輸送機構(gòu)中，這被認(rèn)為最早的步進(jìn)電機。1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。到 20 世紀(jì) 60 年代后期，在步進(jìn)電機本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實用性步進(jìn)電機應(yīng)運而生。步進(jìn)電機往后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進(jìn)電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我

6、們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進(jìn)電機用得最多。三、電路的組成1、步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)圖2 步進(jìn)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 2.1 所示，步進(jìn)電機分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分：1.定子：由硅鋼片疊成的，定子上有 6 大磁極，每 2 個相對的磁極（，S）組成一對，共有 3 對。定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3、2/3,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以 表示），即 A 與齒 1 相對齊，B 與齒 2 向右錯開 1/3，C 與齒 3 向右錯開 2/3，A'與齒5 相對齊，（A'就是 A，齒

7、5 就是齒 1）。2.轉(zhuǎn)子：由軟磁材料制成，其外表面也均勻地分布著小齒,與定子上的小齒相同，并且小齒的大小相同，間距相同工作原理：以反應(yīng)式步進(jìn)電機為例：如 A 相通電，B，C 相不通電時，由于磁場作用，齒 1 與 A 對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如 B 相通電，A，C 相不通電時，齒 2 應(yīng)與 B 對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過 1/3，此時齒 3 與 C 偏移為 1/3，齒 4 與 A 偏移（-1/3）=2/3。如 C 相通電，A，B 相不通電，齒 3 應(yīng)與 C 對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3，此時齒 4 與 A 偏移為 1/3 對齊。 如 A 相通電，B，C 相不通電，齒 4與 A 對齊，

8、轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3這樣經(jīng)過 A、B、C、A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A 相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按 A，B，C，A通電，電機就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A，C，B，A通電，電機就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。2、步進(jìn)電機驅(qū)動步進(jìn)電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動機驅(qū)動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護(hù)單元等組成。驅(qū)動單元與步進(jìn)電動機直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動機微機控制器的功率接口。3、步進(jìn)電機的單片機控制步進(jìn)電機控制系統(tǒng)組成圖3

9、用微型機控制步進(jìn)電機原理系統(tǒng)圖與傳統(tǒng)步進(jìn)控制器相比較有以下優(yōu)點：（1）.用微型機代替了步進(jìn)控制器把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實現(xiàn)方向控制。（2）.只要負(fù)載是在步進(jìn)電機允許的范圍之內(nèi)，每個脈沖將使電機轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度。（3）.根據(jù)步距角的大小及實際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進(jìn)電機的最終位置。4、脈沖序列的生成圖4脈沖的生成脈沖幅值：由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。TTL 0 5V CMOS 0 10V接通和斷開時間可用延時的辦法控制。要求：確保步進(jìn)到位。5、方向控制步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。三相六拍，通電順序為: 正轉(zhuǎn): AABBBCCCA 反轉(zhuǎn): AACCCBBB

10、A 改變通電順序可以改變步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向6、脈沖分配實現(xiàn)脈沖分配（也就是通電換相控制）的方法有兩種：軟件法和硬件法四、電路設(shè)計1、設(shè)計思路本設(shè)計主要是研究基于單片機的步進(jìn)電機控制，采用單片機 AT89C51 和脈沖分配器 PMM8713 控制步進(jìn)電機在三相六拍工作方式下的啟?？刂疲崔D(zhuǎn)控制和加減速控制，通過步進(jìn)電機絲杠連動，帶動 XY 工作臺的直線運動，實現(xiàn)從起點 A 點到預(yù)定點 B 點的位移控制。2、設(shè)計分析通過軟件實現(xiàn)脈沖分配軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過單片機的 IO向驅(qū)動電路發(fā)出控制脈沖，下面以三相六拍為例上面提到了三相六拍工作方式通電換相得正序為 A-AB-B

11、-BC-C-CA-A,，反序為 A-AC-C-CB-B-BA-A圖5 用軟件實現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖注：P1.0：A 相驅(qū)動P1.1：B 相驅(qū)動P1.2：C 相驅(qū)動三相六拍控制字如下表所示：表6三相六拍工作方式的控制字注：0 代表使繞組斷電，1 代表使繞組通電在程序中，只要依次將這 10 個控制字送到 P1 口，步進(jìn)電機就會轉(zhuǎn)動一個齒距角，每送一個控制字，就完成一拍，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)過一個步距角。軟件法在電動機運行過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的 CPU時間，可能使單片機無法同時進(jìn)行其他工作（如監(jiān)測等），所以，人們更喜歡用硬件法。通過硬件實現(xiàn)脈沖分配所謂硬件法實際上就是使用脈沖分配器 87

12、13，來進(jìn)行通電換相控制。8713 是屬于單極性控制，用于控制三相和四相步進(jìn)電機，我們選擇的是三相六拍工作方式。8713 可以選擇單時鐘輸入或雙時鐘輸入，具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)位、工作方式和輸入脈沖狀態(tài)監(jiān)視等功能，所有輸入端內(nèi)部都設(shè)有斯密特整形電路，提高抗干擾能力。選用單時鐘輸入方式，8713 的 3 腳為步進(jìn)脈沖輸入端，4 腳為轉(zhuǎn)向控制端，這兩個引腳的輸入均由單片機提供和控制，選用對三相步進(jìn)電機進(jìn)行六拍方式控制，所以 5、6 腳接高電平，7 腳接地。如下圖所示：由于采用了脈沖分配器，單片機只需提供步進(jìn)脈沖，進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)向控制，脈沖分配的工作交給 8713 來自動完成，因此，CPU 的負(fù)

13、擔(dān)減輕許多。3、步進(jìn)電機驅(qū)動（采用單電壓驅(qū)動）單電壓驅(qū)動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源對繞組供電，它的特點是電路最簡單。步進(jìn)電機使用脈沖電源工作，脈沖電源的獲得可通過下圖說明，開關(guān)管T是按照控制脈沖的規(guī)律“開”和“關(guān)”，使直流電源以脈沖方式向繞組 L供電，這一過程我們稱為步進(jìn)電機的驅(qū)動。實用電路如下圖所示。在電機繞組回路中串有電阻Rs，使電機回路時間常數(shù)減小，高頻時電機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅(qū)動線路中，Rs是不可缺少的。Rs對步進(jìn)電動機單步響應(yīng)的改善如圖6 所示：圖6單電壓功率驅(qū)動接口電路圖電路中只有一個電源 V，

14、電路中的限流電阻 R1 決定了時間常數(shù)，但R1太大會使繞組供電電流減小。這一矛盾不能解決時，會使電動機的高頻性能下降，可在R1兩端并聯(lián)一個電容，以使電流的上升波形變陡，來改善高頻特性，但這樣做又使低頻性能變差。R1 在工作中腰消耗一定的能量，所以這個電路損耗大，效率低，一般只用于小功率步進(jìn)電機的驅(qū)動。4、完整電路圖由于步進(jìn)電機的驅(qū)動電流較大，所以微型機與步進(jìn)電機的連接都需要專門的接口及驅(qū)動電路。驅(qū)動器可用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動器。總之，只要按一定的順序改變 8713 脈沖分配器的 11 腳13 腳三位通電的狀況，即可控制步進(jìn)電機依選定的方向步進(jìn)。由于步進(jìn)電機運行時功率較大，可在微型機

15、與驅(qū)動器之間增加一級光電隔離器（一是抗干擾，二是電隔離。）以防強功率的干擾信號反串進(jìn)主控系統(tǒng)。電路圖如下所示：5、元器件表位 號規(guī) 格位號規(guī)格名稱規(guī) 格C130pFR810K三極管X69013C230pFR910K光耦X34N25C310uFR1015二極管X3IN4007Y112MHZR1115單片機AT9C51R110KR1215直流電源+5VR210KR134.7K環(huán)分配器PMM8713R310KR144.7KR410KR154.7KR510KR164.7KR610KR1710KR710K6、程序框圖根據(jù)設(shè)計任務(wù)，可畫出控制步進(jìn)電機正反轉(zhuǎn)，加減速控制，工作方式為雙時鐘，程序框圖如上：程序

16、代碼如下：本程序的資源分配如下R0中間寄存器 R1儲存速度級數(shù) R2儲存級數(shù)步數(shù)R3加減速狀態(tài)指針，加速時指向 35H，恒速時指向 37H，減速時指向3AH;P0.0正轉(zhuǎn)脈沖輸入；P0.1反轉(zhuǎn)脈沖輸入；P1.3正轉(zhuǎn)按鈕 K1；P1.4反轉(zhuǎn)按鈕 K2；P1.5加速按鈕 K3；P1.6減速按鈕 K4；定時常數(shù)序列放在以ABC 為起始地址的ROM 中。初始R3=35H,R1、R2都有初始值ORG 0000HJNB P0.0,ZZJNB P0.1,FZZZ:INC R0 CJNE R0,#06H,ZZ1 MOV R0,00H;ZZ1:MOV A,R0;MOV DPTR,#ABC;MOVC A,A+DP

17、TR;MOV P0,A;FZ: DEC R0; CJNE R0,#0FFH,FZ1;MOV R0,#05H ;FZ1:MOV A,R0;MOV DPTR,#ABC;MOVC A,A+DPTR;MOV P0,A;ABC:DB 01H,03H,02H,06H,04HRETJS:MOV R0,#35; CJNE R0,#0FFH,JS1; INC R0;DEC R0; JS1:DJNZ R2,JS2; INC R1;MOV A,R1;MOV B,#120;MUL AB;MOV R2,A;JS2:DJNZ R2,JS3;DEC R1;MOV A,R1;MOV B,#180;MUL AB;MOV R2,

18、A;JS3:DJNZ R2,JS1;DEC R1;MOV A,R1;MOV B,#240;MUL AB;MOV R2,ARET; END五、調(diào)試過程、實驗結(jié)果 1、調(diào)試過程：主要包括以下三個方面硬件調(diào)試：接通電源，檢查焊接電路能否正常工作，接頭是否接觸良好?？词欠裼休敵鲂盘柮}沖，和各個開關(guān)的按下后是否會變化。軟件調(diào)試：按照設(shè)計思路用proteus仿真軟件畫出仿真電路圖，先檢查單片機的高低電平是否接對和最小系統(tǒng)是否運作正常，接著檢查單片機的輸出口是否有脈沖信號輸出，再檢查信號放大電路是否工作，最后檢查步進(jìn)電機的接線是否正確。運行調(diào)試：在硬件調(diào)試和軟件調(diào)試正確的基礎(chǔ)上，使電路進(jìn)入運行狀態(tài)，觀察運行

19、情況，看是否能夠?qū)崿F(xiàn)三相步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)、快速、中速、慢速、單步、定步控制。以上這3個方面的調(diào)試基本沒有遇到什么困難，做完以上3個方面調(diào)試后，接著就是程序的編寫和調(diào)試過程了，這個過程可以說是最簡單但同時也是最復(fù)雜的，因為程序中的每個指令都會影響到電路的運作，只要程序中那里稍微喝電路不對或者出現(xiàn)錯誤，那么你的電路就沒有成功可言，所以說做好程序調(diào)試著一步，是我本次設(shè)計至關(guān)重要的一步。我的程序調(diào)試過程如下：1.先編寫程序?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)和停止，因為這步相對來說較簡單，正要根據(jù)步進(jìn)電機的型號和工作方式去選擇輸出脈沖信號的變化就可以得以實現(xiàn)。2.在實現(xiàn)步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)和停止的基礎(chǔ)上，進(jìn)而去實現(xiàn)在原有步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速上通過編程實現(xiàn)步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)、快速、中速、慢速、單步、定步控制。這個