XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者姓名：專業(yè)名稱：機(jī)械工程及自動(dòng)化指導(dǎo)教師：XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制特性好、誤差不長(zhǎng)期積累、控制精度高，廣泛應(yīng)用于速度，位置等控制領(lǐng)域。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。XY平面繪圖機(jī)是將機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)相結(jié)合而形成的一個(gè)有機(jī)整體，通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制完成圖形的繪制。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)8031提供脈沖，經(jīng)環(huán)形分配器和放大電路，通過(guò)雙壓驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)繪圖機(jī)的傳動(dòng)控制。論文主要介紹了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本工作原理、控制方式、驅(qū)動(dòng)方式、雙壓驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，以及環(huán)形分配器CH250和雙單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74221連線。利用目前我們所學(xué)的步進(jìn)

2、電動(dòng)機(jī)的相關(guān)知識(shí)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電路，利用電子電路的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)硬件直接的連接。關(guān)鍵詞 ：步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 硬件分配器 單穩(wěn)電路 8031IXY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)AbstractStepper motor control characteristic is good, the error is not a long-term accumulation, high control precision, widely used in the speed, position and other control areas. Open-loop control system composed of simp

3、le, widely used. XY plane drawing machine is the mechanical systems and microelectronics systems combined to form an organic whole, by stepper motor control to complete graphics rendering.The design used to provide pulse 8031, by circular distributor and amplifier circuit, through the dual pressure

4、control stepper motor drive circuit to achieve the drawing machine drive control. Thesis describes the basic working principle of stepper motor, control mode, drive mode, dual-voltage drive circuit, and the ring distributor CH250 and dual monostable multivibrator 74221 connections. Advantage of the

5、present study we have knowledge of stepping motor drive circuit to control the use of knowledge to the design of electronic circuits to connect the hardware directly.Keywords: Stepper motor，hardware distributor，monostable circuit，8031IIXY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄摘要 . I Abstract . II 目錄 . III前言 . 11概述 . 31.1步進(jìn)

6、電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展 . 31.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和主要性能指標(biāo) . 41.3步進(jìn)電機(jī)的工作原理 . 61.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類 . 71.4.1按工作原理分類 . 71.4.2按輸出轉(zhuǎn)矩的大小分類 . 92步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng) . 102.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制 . 102.2 8031單片機(jī)系統(tǒng)概述 . 122.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器 . 142.3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式 . 142.3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器 . 142.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 . 193電路設(shè)計(jì) . 253.1選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī) . 253.2驅(qū)動(dòng)方案的選擇 . 273.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) . 283.3.1驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)間常

7、數(shù)和電壓 . 283.3.3器件的確定 . 303.3.3驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)品的選用 . 33IIIXY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié) . 34致謝 . 35參考文獻(xiàn) . 36附件 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制原理總圖 . 37IVXY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)前言傳統(tǒng)的機(jī)械式X-Y繪圖機(jī)雖然價(jià)格較低，但由于采用手動(dòng)，除精度和效率較低外，其潛在的功能未能充分的利用。為了適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，利用單片機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)X-Y繪圖儀系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，將機(jī)械系統(tǒng)與微機(jī)控制系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合在一起，使其系統(tǒng)的傳動(dòng)控制精度高，速度快，性能穩(wěn)定和電路簡(jiǎn)單，工作可靠等特點(diǎn)，具有很好的使用價(jià)值。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電

8、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)動(dòng)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。特別是隨著數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，研究步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，使步進(jìn)動(dòng)電機(jī)的控制更加簡(jiǎn)便，靈活和智能化，使其應(yīng)用更加廣泛。上個(gè)世紀(jì)就出現(xiàn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，動(dòng)作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有什么區(qū)別，也是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在本世紀(jì)初，由于資本主義列強(qiáng)爭(zhēng)奪殖民地，造船工業(yè)發(fā)展很快，同時(shí)也使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。到了80年代后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式更加靈活多樣。原來(lái)的

9、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路。計(jì)算機(jī)則通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，更好地挖掘出電動(dòng)機(jī)的潛力。因此，用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代趨勢(shì)。步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處是步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號(hào)的控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靠一種叫環(huán)形分配器的電子開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)功率放大器使勵(lì)磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵(lì)磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流和直流電源接通后，就會(huì)在空間形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子步進(jìn)式的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著脈沖頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會(huì)增大。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)

10、同時(shí)與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子慣量底，定位精度高，無(wú)累積誤差，控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。實(shí)際操作時(shí)不受電源電壓，負(fù)載，環(huán)境，溫度的影響能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反1XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制"步進(jìn)電機(jī)作為控制執(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)和精密機(jī)械等領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)8031提供脈沖，經(jīng)環(huán)形分配器和放大電路，通過(guò)雙壓驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)繪圖機(jī)的傳動(dòng)控制。對(duì)X-Y繪圖儀的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及電路的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)具有使用廣泛，操作方便，速度快，精度高等特點(diǎn)。2X

11、Y平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1概述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，我國(guó)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)20世紀(jì)70年代初開(kāi)始起步，70年代中期至80年代中期為成品發(fā)展階段，新品種和高性能電動(dòng)機(jī)不斷開(kāi)發(fā)，80年代中期以后，各種混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被廣泛利用。目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是永磁材料、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有易于控制、響應(yīng)性好、精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)控制的各個(gè)領(lǐng)域，尤其在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公設(shè)備、加工機(jī)械、包裝機(jī)械、食品機(jī)械中的應(yīng)用更為廣泛。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能與直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)以及同步電動(dòng)機(jī)并列，成為電動(dòng)機(jī)的一種基本類型。隨

12、著計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)必將成為機(jī)電一體化不可缺少的元件之一。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。1.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，其原始模型起源于1830年至1860年間。1870午前后開(kāi)始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氮弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。此后，在電話自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中廣泛使用。20世紀(jì)60年代后期，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體方面隨著水磁材

13、料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。在近30年間，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)迅速地發(fā)展并成熟起來(lái)。從發(fā)展趨向來(lái)講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能與直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)，以及同步電動(dòng)機(jī)并列，從而成為電動(dòng)機(jī)的一種基本類型。我國(guó)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究及制造起始于本世紀(jì)50年代后期。從50年3XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而使用或開(kāi)發(fā)少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主。70年代初期，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)和研究有所突破。除反映在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長(zhǎng)足進(jìn)步外，對(duì)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究發(fā)展到一個(gè)較高水平。

14、70年代中期至80年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動(dòng)機(jī)不斷被開(kāi)發(fā)。自80年代中期以來(lái)，由于對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品廣泛利用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)工業(yè)密切相關(guān)。自從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中取代小型直流電動(dòng)機(jī)以后，使其設(shè)備的性能提高，很快地促進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展。另一方面，微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如電加工機(jī)床、小功率機(jī)械加工機(jī)床、測(cè)量?jī)x器、光學(xué)和醫(yī)療儀器以及包裝機(jī)械等。任何一種產(chǎn)品大概都有一個(gè)從復(fù)雜到簡(jiǎn)單的發(fā)展過(guò)程，步進(jìn)電機(jī)約30年來(lái)的發(fā)展，也已經(jīng)逐步形成了自己的主流產(chǎn)品

15、，在西方國(guó)家，可明顯看出最大量應(yīng)用的是定子8極轉(zhuǎn)子50齒的二相混合式步進(jìn)電機(jī)，其次是定子10極轉(zhuǎn)子50齒的五相混合式步進(jìn)電機(jī)被認(rèn)為有較高運(yùn)行性能指標(biāo)而廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化的場(chǎng)合。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向主要有如下三點(diǎn):(1)進(jìn)一步完善和擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)和控制功能。如采用SVPWM技術(shù)，采用電子齒輪比技術(shù)，擴(kuò)展通訊網(wǎng)絡(luò)功能等。(2)高功率密度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。(3)閉環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。為了徹底克服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)一些根本性的弱點(diǎn)，如振蕩的傾向及失步等，可改為閉環(huán)系統(tǒng)，但這種改變的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)已起了質(zhì)的變化，不再是本來(lái)意義上的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而成為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)，或交流伺服電機(jī)(AC servo）

16、。1.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和主要性能指標(biāo)步進(jìn)電機(jī)又稱電脈沖馬達(dá)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。4XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前，我國(guó)使用的步進(jìn)電機(jī)多為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。在反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)中，有軸向分相和徑向分相兩種。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組，由環(huán)形分配器送來(lái)的電脈沖對(duì)多相定子繞組輪流進(jìn)行勵(lì)磁。轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子本身沒(méi)有勵(lì)磁繞組的叫做“反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)”，用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的叫做“永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)”。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的

17、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1.1所示，定子有六個(gè)磁極，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)磁極構(gòu)成一相控制繞組，轉(zhuǎn)子上有均布的四個(gè)齒。圖1.1三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)：最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax(N·m) 它表示了步進(jìn)電機(jī)承受負(fù)載的能力。Mjmax越大，其帶負(fù)載能力越強(qiáng)，運(yùn)行的快速性及穩(wěn)定性也越好?？蛰d起動(dòng)頻率fq(步/秒) 它是衡量步進(jìn)電機(jī)快速性能的重要技術(shù)數(shù)據(jù)。起動(dòng)矩頻特性 起動(dòng)頻率fq隨負(fù)載力矩M下降的關(guān)系曲線稱為起動(dòng)矩頻特性空載運(yùn)行頻率fmax(步/秒)運(yùn)行矩頻特性它是衡量步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承載能力的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。5XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.3步進(jìn)電機(jī)的工作原理（1）基本工作原理步進(jìn)電動(dòng)

18、機(jī)的工作原理，其實(shí)就是電磁鐵的工作原理，如圖1.2所示.a)U相通電 b)V相通電 c)W相通電圖1.2單三拍通電方式時(shí)轉(zhuǎn)子的位置a當(dāng)U相通電，V、W相不通電，如圖1.2a所示，1、3齒與U相對(duì)齊；b當(dāng)V相通電，U、W相不通電，如圖1.2b所示，2、4齒與V相對(duì)齊；c當(dāng)W相通電，U、V相不通電，如圖1.2c所示，1、3齒與W相對(duì)齊；由此可見(jiàn)，當(dāng)通電順序?yàn)閁VWUV時(shí)，轉(zhuǎn)子便順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)，通電狀態(tài)每換接一次，轉(zhuǎn)子前進(jìn)一步，一步對(duì)應(yīng)的角度稱為步距角。電流換接三次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個(gè)齒距的位置，一個(gè)齒距所對(duì)應(yīng)的角度稱為齒距角（此例中齒距角為90度）。當(dāng)改變通電順序時(shí)，將改變轉(zhuǎn)子的

19、轉(zhuǎn)向。（2）通電方式1)單相輪流通電方式每次切換前后只有一相繞組通電。在這種通電方式下，電動(dòng)機(jī)工作的穩(wěn)定性較差，容易失步。例如UVWUV即為單向輪流通電方式，稱為三相單三拍通電。6XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2）雙相輪流通電方式每次有兩相繞組通電，通電狀態(tài)切換時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，且輸出力矩較大，這種通電方式定位精度高而且不易失步。以三相反應(yīng)式電動(dòng)機(jī)為例，雙相輪流通電方式為：UVVWWUUV稱為三相雙三拍通電。a)U相通電 b)U、V相通電 c)U相通電 d)V、W相通電圖1.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式3）單雙相輪流通電方式上述兩種通電方式的組合。即通UUVVVWWWUU稱為三相六拍通電，如圖1.3

20、所示。三相六拍通電方式的步距角減小一倍。1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類1.4.1按工作原理分類1 可變磁阻型(VR型Variable Reluctivity Type)又稱作反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)其定子與轉(zhuǎn)子由鐵芯構(gòu)成，沒(méi)有永久磁鐵，定子上嵌有線圈。轉(zhuǎn)于在定子與轉(zhuǎn)子磁阻最小位置上轉(zhuǎn)動(dòng)，并由此而得名可變磁阻型。這類電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速響應(yīng)。由于該類電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子均不含永久磁鐵，故無(wú)勵(lì)磁時(shí)沒(méi)有保持力。這種電機(jī)具有制造成本高、效率低、轉(zhuǎn)子的阻尼差、噪聲大等缺點(diǎn)。 制造材料費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、步距角小。2 永磁型(PM型一Permanent Magnet Type)7XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)

21、計(jì)PM型步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵、定于采用軟磁鋼制成，繞組輪流通電，建立的磁場(chǎng)與永久磁鐵的恒定磁場(chǎng)相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這種電機(jī)由于采用了永久磁鐵，即使定子繞組斷電也能保持一定轉(zhuǎn)矩，故具有記憶能力，可用作定位驅(qū)動(dòng)。PM型電機(jī)的特點(diǎn)是勵(lì)磁功率小、效率高、造價(jià)便宜，因此需要量也大。由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制，難于制造，故步距角較大。與VR型相比轉(zhuǎn)矩大，但轉(zhuǎn)子慣量也較大。3 混合型(HB型一Hybrid Type)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體上嵌有永久磁鐵，可以說(shuō)是永磁型和可變磁阻型相結(jié)合的一種形式。故稱為混合型步進(jìn)電機(jī)。它不僅具有VR型步進(jìn)電機(jī)步距角小、響應(yīng)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有PM型步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁功率小、

22、效率高的優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的步進(jìn)電機(jī)。圖1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的典型分類8XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.4.2按輸出轉(zhuǎn)矩的大小分類（1）快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一般為0.074Nm，可以控制小型精密機(jī)床的工作臺(tái)，例如線切割機(jī)床。（2）功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一般為540Nm，可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件。此外，按勵(lì)磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相、等等。相數(shù)越多，步距角越小，但結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。按運(yùn)動(dòng)方式分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)等。按定子排列還可分為徑向式（單段式）和軸向式（多段式），軸向式的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，快速性和穩(wěn)定性好，功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多為軸向式。9XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)

23、計(jì)2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是受其輸入信號(hào)，既一系列的電脈沖控制而動(dòng)作的。脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)，通過(guò)環(huán)形分配器按一定的順序加到電動(dòng)機(jī)的各相繞組上。為使電動(dòng)機(jī)能夠輸出足夠的功率，經(jīng)環(huán)形分配器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)還需要進(jìn)行功率放大。環(huán)形分配器、功率放大器以及其他控制線路組合稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，它對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是不可分割的一部分。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源和控制器構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。如圖2.1所示。圖2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)框圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）控制性能好；（2）誤差不長(zhǎng)期積累；（3）步距值不受各種干擾因素的影響。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率，總位移

24、量取決于總的脈沖信號(hào)數(shù)；故它作為伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于控制系統(tǒng)時(shí)，往往可以使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，工作可靠，而且可以獲得較高的控制精度。在多數(shù)情況下，可以代替直流伺服電動(dòng)機(jī)。近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的采用，促進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在機(jī)械、電子、紡織、輕工、化工、石油、冶金、文教和衛(wèi)生等行業(yè)，特別是在數(shù)控機(jī)床上都獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程一般由控制器控制，控制器按照設(shè)計(jì)者的要10XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)求完成一定的控制過(guò)程，使驅(qū)動(dòng)電源按照要求的規(guī)律驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。簡(jiǎn)單的控制過(guò)程可以用各種邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但線路復(fù)雜，

25、控制方案難以改變。目前，主要采用單片機(jī)作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制器進(jìn)行控制，很好地克服了硬件邏輯線路控制器的缺點(diǎn)。1 串行控制具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間具有較少的連線。這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器，其功能框圖如圖2.2所示。圖2.2串行控制功能圖本次設(shè)計(jì)則采用串行控制。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(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行控制。在驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)，不包含環(huán)形分配器，其功能必須由微機(jī)系統(tǒng)完成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖分配器的功能又有兩種方法：1）純軟件方法2）軟、硬件相結(jié)方法并行控制方案的功能框圖如圖2.3所示。圖2.3并行控制功能圖11XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)

26、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖的頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可以用兩種方法確定脈沖的周期（頻率）：1)軟件延時(shí)圖2.4點(diǎn)-位控制的加減法過(guò)程2）定時(shí)器軟件延時(shí)的方法是通過(guò)調(diào)用延時(shí)子程序的方法實(shí)現(xiàn)的，它占用CPU時(shí)間。定時(shí)器方法是通過(guò)設(shè)置定時(shí)時(shí)間常數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制在點(diǎn)位控制過(guò)程中，運(yùn)行速度需要有一個(gè)“加速恒速減速低恒速停止”的加減速過(guò)程。點(diǎn)位控制的加減速過(guò)程如圖2.4所示。2.2 8031單片機(jī)系統(tǒng)概述單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）簡(jiǎn)稱單片機(jī)。它把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件：中央處

27、理器CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、可編程存儲(chǔ)器EPROM、并行及串行輸入輸出I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器等部件集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展、單片機(jī)內(nèi)還包含A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、高速輸入/輸出部件、DMA通道、浮點(diǎn)運(yùn)算等新的特殊功能部件。由于它的結(jié)構(gòu)和功能都是按工業(yè)要求設(shè)計(jì)的，特別適合于工業(yè)控制及與控制有關(guān)的數(shù)據(jù)處理場(chǎng)合，因而目前應(yīng)確切稱為微控制器（Microcontroller）。單片機(jī)的稱謂只是保留了其習(xí)慣稱呼。由于單片機(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格便宜、功耗低、控制功能強(qiáng)12XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)算速

28、度快等特點(diǎn)，因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事及家用電器等各領(lǐng)域均得到了廣泛運(yùn)用。MCS-51系列單片機(jī)是美國(guó)Inter公司于1980年推出的一種8位單 片機(jī)系列。該系列的基本產(chǎn)品是8051、8031和8751。這3種產(chǎn)品之間的區(qū)別只是在片內(nèi)程序存儲(chǔ)器方面。8051的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ROM）是掩模型的，即在制造芯片時(shí)已將應(yīng)用程序固化進(jìn)去；8031片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器；8751的價(jià)格昂貴，因此8031獲得了更為廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中對(duì)單片機(jī)要求不是太高，因此選用Inter公司的8031即可。它有以下幾個(gè)部分組成：1 CPU中央處理器中央處理器是8031的核心，它的功能是產(chǎn)生控制信號(hào)，把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器輸出口或輸入

29、口送到CPU或CPU數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器或送到輸出端口。還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯和算術(shù)的運(yùn)算。2 內(nèi)存內(nèi)部存儲(chǔ)器可分做程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，但在8031中無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 。3 時(shí)鐘電路8031內(nèi)部有一個(gè)頻率最大為12MHZ的時(shí)鐘電路，它為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘序列但需要外接石英晶體做震蕩器和微調(diào)電容。4 定時(shí)/計(jì)數(shù)器8031有兩個(gè)16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成定時(shí)的方式和計(jì)數(shù)的方式，但只能用其中的一個(gè)功能，以定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。5 并行I/O接口MCS-51有四個(gè)8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入或輸出。本設(shè)計(jì)使用8031并行I/O接口P1口中的

30、P1.0和P1.1兩個(gè)端口。 6 串行I/O接口它有一個(gè)全雙工的串行口，它可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)間或單片機(jī)同其它外設(shè)之間的通信，該并行口功能較強(qiáng)，可以作為全雙工異步通訊的收發(fā)器也可以作為同步移位器用。7 中斷控制系統(tǒng)13XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)8031有五個(gè)中斷源，即外部中斷兩個(gè)，定時(shí)計(jì)數(shù)中斷兩個(gè)，串行中斷一個(gè)，全部的中斷分為高和低的兩個(gè)輸出級(jí)。8031芯片為通過(guò)連接外部元件和環(huán)形分配器，將外部信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，輸送給脈沖分配器。2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器2.3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組是按一定通電方式工作的，為實(shí)現(xiàn)這種輪流通電，需將控制脈沖按規(guī)定的通電方式分配到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每相

31、繞組。這種分配既可以用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)也可以用軟件來(lái)完成。實(shí)現(xiàn)脈沖分配的硬件邏輯電路稱為環(huán)形分配器。在計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，采用軟件完成脈沖分配的方式稱為軟件環(huán)分。經(jīng)分配器輸出的脈沖能保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組按規(guī)定順序通電。但輸出的脈沖未經(jīng)放大時(shí)，其驅(qū)動(dòng)功率很小，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組通常需要相當(dāng)大的功率，包含一定的電流和電壓才能驅(qū)動(dòng)。所以分配器出來(lái)的脈沖還需進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖2.5所示。圖2.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖2.3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器環(huán)形分配器是根據(jù)指令把脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到放大器上，使各相繞組按一定的順序和時(shí)間導(dǎo)通和關(guān)斷，并根據(jù)指令使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或

32、反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)行方式。因此，環(huán)形分配器由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的14XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)勵(lì)磁繞組數(shù)（相數(shù)）和工作方式來(lái)決定。環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種方式。硬件環(huán)形分配器有較好的響應(yīng)速度，且具有直觀、維護(hù)方便等特點(diǎn)；軟件環(huán)分往往受到微機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時(shí)難以滿足高速、實(shí)時(shí)控制的要求。1 硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器由門電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路構(gòu)成。隨著元器件的發(fā)展，目前，已經(jīng)有各種專用集成環(huán)形分配器芯片可供選用。（1）集成脈沖分配器CH250是專為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的環(huán)形分配器。這種集成電路采用CMOS工藝，集成度高、可靠性好。它的管腳圖及三相六拍工作時(shí)的接線圖如圖2.6所示

33、。a)管腳圖b)三相六拍接線圖圖2.6 CH250環(huán)形分配器CH250有A、B、C三個(gè)輸出端，當(dāng)輸入端CL或EN加上時(shí)鐘脈15XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)沖后，輸出波形將符合三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求。若采用CL脈沖輸入端時(shí)，是上升沿觸發(fā)，同時(shí)EN為使能端，EN1時(shí)工作，EN0時(shí)禁止。反之，采用EN作時(shí)鐘端，則下降沿觸發(fā)，此時(shí)CL為使能端，CL0時(shí)工作，CL1時(shí)禁止。R和R*分別為雙三拍運(yùn)行和六拍運(yùn)行的復(fù)位端。當(dāng)R加上正脈沖，ABC的狀態(tài)為110，而R*加上正脈沖后，ABC的狀態(tài)為100，以避免ABC出現(xiàn)000或111非法狀態(tài)。目前市場(chǎng)上出售的環(huán)形脈沖分配器專用集成電路芯片一般還包括許多其它

34、功能，如斬波控制等。環(huán)形脈沖分配器專用集成電路芯片的種類特別多，功能也十分齊全。如用于兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)斬波控制的L297(L297A)、PMM8713和用于五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)機(jī)斬波控制的PMM8714等。表2.1 CH250狀態(tài)表16XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）EPROM在環(huán)形分配器中的應(yīng)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按類型、相數(shù)劃分，種類繁多。不同種類，不同相數(shù)，不同通電方式的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器如都必須有不同的環(huán)形分配器，可見(jiàn)所需要的環(huán)形分配器品種很多。含有EPROM的環(huán)形分配器如圖2.7所示。其基本思想是：結(jié)合驅(qū)動(dòng)電源線路按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表求出所需的環(huán)形圖分配器輸出狀態(tài)表（輸出狀態(tài)表與狀態(tài)

35、轉(zhuǎn)換表相對(duì)應(yīng)），以二進(jìn)制碼的形式依次存入EPROM中，在線路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，則EPROM的輸出端即依次表示各勵(lì)磁狀態(tài)。一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以有多種勵(lì)磁方式，狀態(tài)表也各不相同，可以將存貯器地址分為的高位地址線選通這些不同的區(qū)域，則同若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域存儲(chǔ)一個(gè)狀態(tài)。運(yùn)行中用EPROM的高位地址線選通這些不同的區(qū)域，則同樣的計(jì)數(shù)器輸出就可以運(yùn)行不同的狀態(tài)表。圖2.7含有EPROM的環(huán)形分配器用EPROM設(shè)計(jì)的環(huán)形分配器具有以下特點(diǎn)：1）線路簡(jiǎn)單，僅有可逆計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)器兩部分；2）一種線路可實(shí)現(xiàn)多種勵(lì)磁方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲(chǔ)不同的狀態(tài)表，除軟件工作外，硬件線

36、路不變；3）可徹底排除非法狀態(tài)；4）可有多種輸入端，便于同控制器接口。17XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)W相 V相 U相圖2.8 I/O接口圖2 軟件環(huán)分一般微機(jī)系統(tǒng)需要進(jìn)行如下設(shè)置：（1）設(shè)置輸出接口設(shè)輸出口的A0接U相；A1接V相；A2接W相。其簡(jiǎn)單接口如圖2.8所示。（2）設(shè)計(jì)環(huán)形分配子程序?yàn)榱耸共竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)按照如前所述順序通電，首先必須在存儲(chǔ)器中建立一個(gè)環(huán)形分配表，存儲(chǔ)器各單元中存放對(duì)應(yīng)繞組通電的順序數(shù)值。當(dāng)運(yùn)行程序時(shí)，依次將環(huán)形分配表中的數(shù)據(jù)，也就是對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容送到A口，使A0、A1、A2依次送出脈沖信號(hào)，從而使電動(dòng)機(jī)繞組輪流通電。表2.2為環(huán)形分配表，K為存儲(chǔ)單元基地址。由表2

37、.1可見(jiàn)，要使18XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，只需依次輸出表中各單元的內(nèi)容即可。當(dāng)輸出狀態(tài)已是表底狀態(tài)時(shí)，則修改地址指針使下一次輸出重新為表首狀態(tài)。如要使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，則只需反向依次輸出各單元的內(nèi)容。當(dāng)輸出狀態(tài)到達(dá)表首狀態(tài)時(shí)，則修改指針使下一次輸出重新為表底狀態(tài)。（3）設(shè)計(jì)延時(shí)子程序設(shè)計(jì)延時(shí)子程序來(lái)控制步進(jìn)頻率。2.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路1 單電壓限流型驅(qū)動(dòng)電路圖2.9所示是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一相的驅(qū)動(dòng)電路，晶體管VT可認(rèn)為是一個(gè)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，它的理想工作狀態(tài)應(yīng)使電流流過(guò)繞組的波形盡可能接近矩形波。但由于電感線圈中的電流不能突變，在接通電源后繞組中的電流按指數(shù)規(guī)律上升，其時(shí)間常數(shù)=L/r(L

38、為繞組電感，r為繞組電阻），須經(jīng)3時(shí)間后才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組本身的電阻很?。╮約為零點(diǎn)幾），所以時(shí)間常數(shù)很大，從而嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率。為了減小時(shí)間常數(shù)，在勵(lì)磁繞組中串接電阻Rc，這樣時(shí)間常數(shù)=L/(r+R)就大大減小，縮短了繞組中電流上升的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，從而提高了工作速度。圖2.9單電壓驅(qū)動(dòng)電路在電阻Rc兩端并聯(lián)電容C,是由于電容上的電壓不能突變，在繞組由截止到導(dǎo)通的瞬間，電源電壓全部降落在繞組上，使電流上升更快，所以電容C又稱為加速電容。19XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二極管VD在晶體管VT截止時(shí)起續(xù)流和保護(hù)作用，以防止晶體管截止瞬間繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)造成管子擊穿，串聯(lián)

39、電阻R0使電流下降更快，從而使繞組電流波形后沿變陡。這種電路的特點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單，成本低，低頻時(shí)響應(yīng)較好；缺點(diǎn)是效率低，尤其在高頻工作的電動(dòng)機(jī)效率更低。在實(shí)際中較少使用，只有在小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)且在簡(jiǎn)單應(yīng)用中才使用。a)電路圖b)波形圖圖2.10雙電壓驅(qū)動(dòng)20XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2 雙電壓驅(qū)動(dòng)電路雙電壓驅(qū)動(dòng)電路習(xí)慣上稱為高低壓切換電路，其最后一級(jí)如圖2.10a所示。這種電路的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)繞組主電路中采用高壓和低壓兩種電壓供電，一般高壓為低壓的數(shù)倍。不論電動(dòng)機(jī)工作頻率如何，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的前沿上升率，而在前沿過(guò)后用低壓來(lái)維持繞組的電流。 若加在VT1和VT2管基極的電壓

40、Ub1和Ub2如圖2.10b所示，則在t1t2時(shí)間內(nèi)，VT1和VT2均飽和導(dǎo)通，+80V的電壓源經(jīng)Rc加到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組L1上，使其電流迅速上升；當(dāng)時(shí)間t2到達(dá)（采用定時(shí)方式）時(shí)，或電流迅速上升到某一數(shù)值（采用定流方式）時(shí)，Uh2變?yōu)榈碗娖?，VT2管截止，電動(dòng)機(jī)繞組上的電流由+12V電源經(jīng)VT1管來(lái)維持；此時(shí)，電動(dòng)機(jī)繞組電流下降到電動(dòng)機(jī)額定電流。值到t3時(shí)，Ub1也為低電平，VT1管截止，電流下降至零。一般電壓Ub1由脈沖分配器經(jīng)幾級(jí)電流放大獲得；電壓Ub2由單穩(wěn)定時(shí)或定流裝置再經(jīng)脈沖變壓器獲得。驅(qū)動(dòng)電路中串聯(lián)的電阻Rc一般按低壓進(jìn)行計(jì)算，因此阻值不大。雙電壓驅(qū)動(dòng)加大了繞組電流的注入量，以提高

41、其功率，適用于大功率和高頻工作的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。但由于高壓的沖擊作用在低頻工作時(shí)也存在，使低頻輸入能量過(guò)大而造成低頻振蕩加劇。同時(shí)，高低壓使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸銜接處的電流波動(dòng)呈凹形（見(jiàn)圖2.10b）,使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降。因此，雙電壓驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是：功耗小，起動(dòng)力矩大，突跳頻率和工作頻率高，高頻端出力較大。缺點(diǎn)是低頻振蕩加劇，波形呈凹形，輸出轉(zhuǎn)矩下降；大功率管的數(shù)量要多用一倍，增加了驅(qū)動(dòng)電源。3 斬波驅(qū)動(dòng)電路斬波電路的出現(xiàn)是為了彌補(bǔ)雙電壓電路波形呈現(xiàn)凹形的缺陷，改善了輸出轉(zhuǎn)矩的下降，使勵(lì)磁繞組中的電流維持在額定值附近，其電路圖和輸出波形圖如圖2.11所示。斬波驅(qū)動(dòng)又稱斬波恒流。它可分為自激式和他激

42、式。圖2.11所示屬自激式，因?yàn)槠鋽夭l率是由繞組的電感，比較器的回差等諸多因素決定的，沒(méi)有外來(lái)的固定頻率。如果用其它方法形成固定的頻率來(lái)斬波，稱為他激式。21XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)a)電路圖b)輸出波形圖1整形電流 2分配器 3控制器4高壓前置放大器 5低壓前置放大器圖2.11斬波驅(qū)動(dòng)4 升頻升壓驅(qū)動(dòng)電路為了減小低頻振動(dòng)，應(yīng)使低速時(shí)繞組電流上升的前沿較平緩，這樣才能使轉(zhuǎn)子在到達(dá)新的穩(wěn)定平衡位置時(shí)不產(chǎn)生過(guò)沖，而在高速時(shí)則應(yīng)使電流有較陡的前沿，以產(chǎn)生足夠的繞組電流，才能提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的帶載能力。這就要求驅(qū)動(dòng)電源低頻時(shí)用較低的電壓供電，高頻時(shí)用較高的電壓供電。升頻升壓驅(qū)動(dòng)電路可以較好地滿足

43、這一要求。22XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1電壓調(diào)整器 2比較器 3鋸齒波發(fā)生器4積分器 5多諧震蕩器 6分配器7前置電壓放大器圖2.12升頻升壓驅(qū)動(dòng)電路5 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路如果要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有更小的步距角，更高的分辨率(即脈沖當(dāng)量)，或者為減小電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、噪聲等原因，可以在每次輸入脈沖切換時(shí)，只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，則電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分，轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行也只有步距角的一部分，繞組電流分成數(shù)個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的次數(shù)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，這種將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)力法，稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。a)先放大后合成b)先合成后放大圖2.13階梯波合成電路圖23XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系

44、統(tǒng)設(shè)計(jì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)：（1）不改變電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小，但細(xì)分后的齒距角精度不高，且驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。（2） 使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高均勻性，并能減弱或消除振蕩。 目前實(shí)現(xiàn)細(xì)分階梯波供電的方法有：1）先放大后疊加，如圖2.13a所示；2）先疊加后放大，如圖2.13b所示。24XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制在XY平面繪圖機(jī)中的設(shè)計(jì)要求： （1）筆架及傳動(dòng)部分折算轉(zhuǎn)矩TL=5N·cm； （2）最大繪圖速度為Vmax=200mm/s； （3）最小步距為Smin=0.1mm； （4）繪圖精度為移動(dòng)距離的0.3%±0.2mm

45、；3.1選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1 確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TstTST=TL/(0.30.5) （3-1） 由式3-1，有Tst=TL/0.4=5/0.4=1.25N.cm2 確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tsmax為滿足最小步距要求,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，根據(jù)表3.1得Tst/Tsmax=0.866，所以，Tsmax=Tst/0.866=14.4N.cm表3.1步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)選擇表3 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出軸上齒輪直徑D我國(guó)生產(chǎn)的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的b,一般選用 b=1.5º.根據(jù)傳動(dòng)關(guān)系有25XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) Smin=D360 b （3-2）Smin360

46、 由式3-2得，D=b 0.10.5=7.6mm4 確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率1）確定步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速nmax=vmax360 D （3-3）=200/7.6=8.4r/s2）確定運(yùn)行頻率fc=360 b3601.5 nmax （3-4） =8.42100步/s綜上所述分析計(jì)算：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Tsmax=14.4N.cm；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出軸齒輪直徑D=7.6mm；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率fc=2100步/s。查表3.2得，取45BF005-型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為宜，其數(shù)據(jù)完全滿足任務(wù)要求，其電參數(shù)電感L=0.0158H，電阻Rm=0.94，相電流In=2.5A45BF005-型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有較好的技術(shù)性能指

47、標(biāo)。其主要特點(diǎn)是氣隙小，定位精度高；步距角小，控制準(zhǔn)確；勵(lì)磁電流較大，要求驅(qū)動(dòng)電源功率大；電動(dòng)機(jī)內(nèi)部阻尼較長(zhǎng)，當(dāng)相數(shù)較小時(shí)，單步運(yùn)行震蕩時(shí)間長(zhǎng)；斷電后無(wú)定位轉(zhuǎn)矩，使用中需要自鎖定位。26XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)表3.2磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)性能數(shù)據(jù)3.2驅(qū)動(dòng)方案的選擇1 為使控制簡(jiǎn)單，采用脈沖分配器輸出控制脈沖；2為保證工作安全，防止噪聲干擾，采用光耦合器將各組電源在線路上隔離。光耦合器選用G0112型，驅(qū)動(dòng)電路圖框如圖3.1所示，三相六拍工作方式控制脈沖波形圖如圖3.2所示。圖3.1驅(qū)動(dòng)電路圖27XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)V相tU相tW相圖3.2脈沖波形圖 t3.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)3.

48、3.1驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)間常數(shù)和電壓1 由三相六拍工作方式的控制脈沖波形可知，每相工作三拍改變一次通電狀，但為了每一拍都能正常工作，沒(méi)拍脈沖寬度的2/3時(shí)間內(nèi)相電流上升到額定電流的60，即I=0.6In=1.5A。負(fù)載回路的時(shí)間常數(shù)為i=L/Rm （3-5）=0.0158/0.94=16.8ms因此i>>c=1/2010ms0.5ms2若選用線路簡(jiǎn)單的串聯(lián)電阻法改善電流上升沿，其時(shí)間常數(shù)為28XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)i'=L/(Rm+Re)；則Re=(L-i'Rm)/i'（3-6）其中所以Re=i=0.5ms'-3-30.0158-0.50.9410

49、0.510=30.7由于計(jì)算需要串聯(lián)如此大的電阻，在該電阻上損失的功率為191.9W，顯然很不經(jīng)濟(jì)合理，所以需要改進(jìn)采用雙電壓供電，其電路原理圖如圖3.3所示。圖3.3雙壓驅(qū)動(dòng)電路由圖3.2b可知，電動(dòng)機(jī)每相工作三拍改變一次通電狀態(tài)，設(shè)要求在控制脈沖2/3寬度時(shí)間內(nèi)相電流達(dá)到額定電流的60%，即29XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)I=0.6In=1.5A，這個(gè)時(shí)間也就是高壓電源工作時(shí)間，即單穩(wěn)反轉(zhuǎn)時(shí)間，其值為tb=2/3fy，fy=2010步/s，所以tb=0.33ms。由于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)功率放大器負(fù)載回路電流（即電動(dòng)機(jī)繞組的電流）為Imt-E 1-ei=Rm （3-7）由式3-7可得高壓電源電壓（式中E換成EH，Im換成I）為EH=IRm-tb1-ei=1.50.941-e-0.3316.8=72.5V 實(shí)取75V。3.3.3器件的確定1為了使電路簡(jiǎn)單、緊湊，功率放大級(jí)VT1和VT2選用復(fù)合管 YZ21C。當(dāng)標(biāo)色綠點(diǎn)時(shí)其性能見(jiàn)表3.3。表3.3 YZ21C性能表2確定R2和R3。從VT1和VT2性能數(shù)據(jù)可知UBE2.5V，故'UR32.5V，而負(fù)載電流IL=2.5A，取IL=3A，VT1基極電流IB1為IB1=IL/hFE=3/3000=1mA,式中，hFE級(jí)管輸入電阻等效電路如圖3.4所示。30XY平面繪圖機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖3.4光耦合器輸出級(jí)等效電路從等效