基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、1基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制江寧校區(qū)08機(jī)電二 姓名周峰指導(dǎo)教師 丁紅【摘要】當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的腳步愈變愈快，科學(xué)技術(shù)也是日新月異。同時(shí)，對(duì)于生活工 作要求簡(jiǎn)單化、智能化、系統(tǒng)化。對(duì)于各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)備要操作簡(jiǎn)單，功能齊全應(yīng)用自 如等等苛刻的要求。在眾多條件的促使下，弓I入了步進(jìn)電機(jī)，而且使之被系統(tǒng)化操作?，F(xiàn) 今已有如步進(jìn)電機(jī) 控制器和 驅(qū)動(dòng)器為一體的步進(jìn)電 機(jī)控AT89C51和脈沖分 配器PMM8713完成步進(jìn)電機(jī)的各種運(yùn)行控制。矚慫潤(rùn)厲釤瘞睞櫪廡賴。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，通過人機(jī)交互換接口能設(shè)置，操作簡(jiǎn)單，易于掌握。該系統(tǒng)可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)在機(jī)電一體多數(shù)場(chǎng)合。聞創(chuàng)溝燴鐺險(xiǎn)愛氌譴凈

2、。更多的實(shí)踐證明，基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)比傳統(tǒng)的步進(jìn)控制器具有更加簡(jiǎn)單、方便、可靠。本設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象就是開環(huán)伺服系統(tǒng)中最器件一一步進(jìn)電機(jī)。殘騖樓諍錈瀨濟(jì)溆塹籟?！娟P(guān)鍵詞】步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)，正反轉(zhuǎn)控制，加減速控制，XY工作臺(tái)2目錄第一章 緒論 .3釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。1.1步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展鹵廡。1.2本文研究?jī)?nèi)容.薔。.33彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣3第二章 步進(jìn)電機(jī)的工作原理、分類、特性及指標(biāo) .32.1反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理 . .4廈礴懇蹣駢時(shí)盡繼價(jià)騷。2.2感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)： .分類 .5.4煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈2.3淚。第三章賴。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) . .5鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛3

3、.1練淨(jìng)。脈沖信號(hào)的產(chǎn)生 .5籟叢媽羥為贍僨蟶3.2驊糴。信號(hào)分配 .5預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝3.3硯錦。功率放大 .5滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)3.4頂廡。細(xì)分驅(qū)動(dòng)器 .6鐃誅臥瀉噦圣騁貺第四章步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 .74.1爛薔。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成 .7擁締鳳襪備訊顎輪4.2鎵騷。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理 .7贓熱俁閫歲匱閶鄴4.3氈淚。脈沖分配 .7壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴4.4步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口電路.9第五章步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制 .105.1鈰贅。步進(jìn)電機(jī)的速度控制 .10蠟變黲癟報(bào)倀鉉錨5.2擷凄。步進(jìn)電機(jī)的位置控制 .10買鯛鴯譖曇膚遙閆5.3轔糴。步進(jìn)電機(jī)的加減速控制 .10綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋第六章步進(jìn)電

4、機(jī)的 XY 工作臺(tái).126.1憂錦。設(shè)計(jì)目標(biāo) .12驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴6.2 X、Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 .12貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。46.3程序框圖.13婭薔。6.4匯編程序.14話騖。設(shè)計(jì)總結(jié).16號(hào)澩。蜆贅。第一章緒論1.1步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展步進(jìn)電機(jī)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(jī)構(gòu)中，這被認(rèn)為最早的步進(jìn)電機(jī)。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，對(duì)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(jī)本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。步進(jìn)電機(jī)往后 經(jīng)過不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛

5、運(yùn)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(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動(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)作的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。識(shí)饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。1.2本文研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)主要是研究基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制，采用單片機(jī)AT89C51和脈沖分配器PMM8713空制步進(jìn)電機(jī)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，以 實(shí)現(xiàn)基于步進(jìn)電機(jī)的XY工作臺(tái)兩點(diǎn)間的位移控制。凍鈹鋨勞臘錯(cuò)癇婦脛糴。第二章 步進(jìn)電機(jī)的工作原理、分類、特性及指標(biāo)2.1反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理2.1.1結(jié)構(gòu)：

6、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。0、1/3T、2/3T,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以T表示），即A與齒1相對(duì)鍬籟饗逕瑣筆襖鷗構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦輒嶧陽(yáng)檉籪癤網(wǎng)儂參考文獻(xiàn).17堯側(cè)閆繭絳闕絢勵(lì)圖1.1步進(jìn)電機(jī)的外觀圖5齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3，C與齒3向右錯(cuò)開2/3T，A與齒5相對(duì)齊，（A就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。6圖2.1定轉(zhuǎn)子的展開圖2.1.2、旋轉(zhuǎn)：如A相通電，B,C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)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(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右

7、移過1/3L，此 時(shí)齒3與C偏移為1/3T，齒4與A偏移（T-1/3T）=2/3T。女口C相通電，A，B相不通電， 齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3T，此時(shí)齒4與A偏移為1/3T對(duì)齊。鯊腎鑰詘漣鉀 溈懼統(tǒng)庫(kù)。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3T，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(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果 不斷地按A, B, C,A通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3T,向右旋轉(zhuǎn)。如按A, C, B, A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成- 對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決

8、定。 不過， 出于對(duì)力矩、 平穩(wěn)、 噪音及減少角度等方面考慮。 往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步1/3T改變?yōu)?/6T。甚至于通過二相 電流不同的組合，使其1/3T變?yōu)?/12T,1/24T，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。閿 擻輳嬪諫遷擇植秘騖。不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m（m-1）/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制-這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等 多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。氬嚕躑竄貿(mào)懇彈濾頷澩。2.1.3力矩：電

9、機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力F與（d/d B）成正比其磁通量=BrX S圖2.2轉(zhuǎn)子與定S子錯(cuò)開角度圖B1IA7Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積F與LX DX Br成正比L為鐵芯有效長(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑Br=N X I/RN- I為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。力矩=力乂半徑力矩與電機(jī)有效體積X安匝數(shù)X磁密成正比（只考慮線性狀態(tài)）。因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。2.2感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)：感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提 供軟磁材料的工作點(diǎn)，

10、而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能， 因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自 身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。慫闡譜鯪逕導(dǎo)嘯畫長(zhǎng)涼。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四 相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例 如：四相，八拍運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式.不難發(fā) 現(xiàn)其條件為C=A ,D= B.諺辭調(diào)擔(dān)鈧諂動(dòng)禪瀉類。為了方便使用，靈活改變電機(jī)的一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，

11、小功 率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相）， 這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。2.3分類感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為： 二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。 以機(jī)座號(hào)（電機(jī)外徑）可分為：42BYG（BY為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號(hào)）、57BYG 86BYG 110BYG（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)），而像70BYG 90BYG 130BYG等均為國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機(jī)庫(kù)。第三章 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下:圖3.1步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)3.1脈沖信號(hào)的產(chǎn)

12、生脈沖信號(hào)一般由單片機(jī)或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為0.3-0.4左右，電 機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。3.2信號(hào)分配8很多生產(chǎn)的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以二、四相電機(jī)為主，二相電機(jī)工作萬(wàn)式有二相四 拍和二相八拍二種， 具體分配如下： 二相四拍為AB入BAB-AB,步距角為1.8度；二相八拍為ABBAB-A-AB-B-AB-A AB,步距角為0.9度。四相電機(jī)工作方式 也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,（步距角為0.9度）。紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖。3.3功率放大功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電

13、機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機(jī)力矩越 大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。因而不同的場(chǎng)合采取不 同的的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū) 動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。穎芻莖峽餑億頓裊賠瀧。為盡量提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，將信號(hào)分配、功率放大組成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。 像SH系列二相恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及電機(jī)接線圖如下：濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。3圖3.2硬件接線示圖說明：CP接CPLB沖信號(hào)（負(fù)信號(hào)，低電平有效）OPTO接CPU+5VFREE脫機(jī)，與CPU地線相接，驅(qū)動(dòng)電源不工作

14、DIR方向控制，與CPU地線相接，電機(jī)反轉(zhuǎn)VCC直流電源正端GND直流電源負(fù)端A接電機(jī)引出線紅線A接電機(jī)引出線綠線B接電機(jī)引出線黃線百接電機(jī)引出線藍(lán)線步進(jìn)電機(jī)一經(jīng)定型，其性能取決于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力距越 大則要求電機(jī)的電流越大， 驅(qū)動(dòng)電源的電壓越高。電壓對(duì)力矩影響如下：銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼力矩脈沖信號(hào)單片機(jī)或CPUCPUCPOPTOFREEDIRvccA真BEGMD高壓堇9頻率10圖3.3電壓頻率特性圖3.4細(xì)分驅(qū)動(dòng)器在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)， 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場(chǎng)的夾角來(lái)控制步 進(jìn)電機(jī)

15、運(yùn)轉(zhuǎn)的。擠貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類。圖3.4細(xì)分驅(qū)動(dòng)器原理圖第四章步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制4.1步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成圖4.1用微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)：一、 用微型機(jī)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(shí)現(xiàn) 方向控制。二、 只要負(fù)載是在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍之內(nèi)，每個(gè)脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定 的步距角度。三、 根據(jù)步距角的大小及實(shí)際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進(jìn)電 機(jī)的最終位置。4.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理4.2.1脈沖序列的生成1i圖4.2脈沖的生成圖脈沖幅值：由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。TTL 05V11CMOS 0接通和斷開時(shí)間可用延時(shí)的辦法控制。要

16、求：確保步進(jìn)到位。422方向控制步進(jìn)電機(jī)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?yàn)椋赫D(zhuǎn)：AA4 BBS CCA反轉(zhuǎn)：AACCCM BBA改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向4.3脈沖分配實(shí)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4.3.1通過軟件實(shí)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(jī)的I/O向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖，下面以三相六拍為例：賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈。上面提到了三相六拍工作方式通電換相得正序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CA-A,，反序?yàn)锳-AC-C-CB-B-BA-A圖4.3用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖注：P1.0:A相驅(qū)動(dòng)

17、P1.1:B相驅(qū)動(dòng)P1.2:C相驅(qū)動(dòng)三相六拍控制字如下表所示：表4.1三相六拍工作方式的控制字通電狀擊Pl. 2Pl. 1n.D擰制亍A00LOlHAH0Li0311酉0L0L0OfiJfCI00CHHCA10LOSH注：0代表使繞組斷電，1代表使繞組通電10V12在程序中，只要依次將這10個(gè)控制字送到P1口，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角，每送一個(gè)控制字，就完成一拍，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊(cè)庫(kù)。軟件法在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的CPU時(shí)間，可能使單片機(jī)無(wú)法同時(shí)進(jìn)行其他工作（如監(jiān)測(cè)等），所以，人們更喜歡用硬件法。裊樣祕(mì)廬廂顫諺鍘羋藺。4.3.2通過硬件實(shí)

18、現(xiàn)脈沖分配所謂硬件法實(shí)際上就是使用脈沖分配器8713,來(lái)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(jī)， 我們選擇的是三相六拍工 作方式。8713可以選擇單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)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， 使用418V直流電源，輸出電流為20mA。本例選用單時(shí)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(gè)引腳的輸入均由單片機(jī)提供和控制，選用對(duì)三 相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行六拍方式控制，所以5、6腳接高電平，7腳接地。倉(cāng)嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驚。如圖4.4所示：歩進(jìn)辱沖圖4

19、.4 89C51單片機(jī)系列和8713脈沖分配器的接口圖由于采用了脈沖分配器，單片機(jī)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(lái)自動(dòng)完成，因此，CPU的負(fù)擔(dān)減輕許多。綻萬(wàn)璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。4.4步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口電路由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大，所以微型機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都需要專門的接口及驅(qū) 動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)器可用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動(dòng)器?？傊?，只要按一定的順序改變8713脈沖分配器的13腳15腳 三位通電的狀況，即可控制步進(jìn)電機(jī)依選定的方 向步進(jìn)。由于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)功率較大，可在微型機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間增加一級(jí)光電隔離器（是抗干擾，二是電隔離。）以防強(qiáng)功率的干擾信

20、號(hào)反串進(jìn)主控系統(tǒng)。驍顧燁鶚巰瀆蕪領(lǐng)鱺賻。電路圖如圖4.5所示：13二、 因?yàn)槲覀冇懻摰氖侨嗔牡墓ぷ鞣绞剑訮0.4和P0.6接高電平，P0.7接低電平。三、P0.0輸出步進(jìn)脈沖。四、P0.1控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。第五章 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制5.1步進(jìn)電機(jī)的速度控制步進(jìn)電機(jī)的速度控制是通過單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于軟脈沖分配方式， 可以采用調(diào)整兩個(gè)控制字之間的時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，對(duì)于硬脈沖分配方式，可以控制步 進(jìn)脈沖的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。瑣釙濺曖惲錕縞馭篩涼。一、 軟件延時(shí)法：改變延時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度就可以改變輸出脈沖的頻率，但這種方法CPU長(zhǎng)時(shí)間等待，占用大量的機(jī)時(shí)，因此沒有實(shí)踐價(jià)值。鎦詩(shī)涇

21、艷損樓紲鯗餳類。二、定時(shí)器中斷法：在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖輸出操作，調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這種方法占有的CPU寸間較少，在各種單片機(jī)中都能實(shí)現(xiàn)，是一種比較 實(shí)用理想的調(diào)速方法。櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。5.2步進(jìn)電機(jī)的位置控制步進(jìn)電機(jī)的位置控制，指的是控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個(gè)位置精確地運(yùn)行到另 一個(gè)位置，步進(jìn)電機(jī)的位置控制是步進(jìn)電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，它可以不用借助位置傳感器而只 需要簡(jiǎn)單的開環(huán)控制就能達(dá)到足夠的位置精度，因此應(yīng)用很廣。步進(jìn)電機(jī)的位置控制需要 兩個(gè)參數(shù)。轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應(yīng)。一、 步進(jìn)電機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)（我們稱為絕對(duì)位置），絕對(duì)位置時(shí)有極限的，其極限時(shí)執(zhí)行

22、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的范圍，超越了這個(gè)極限就應(yīng)報(bào)警。峴揚(yáng)爛滾澗輻灄興渙藺。二、從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置的距離我們可以用折算的方式將這個(gè)距離折算成步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)，這個(gè)參數(shù)是外界通過鍵盤或可調(diào)電位器旋鈕輸入的，所以折算的工作應(yīng)該14在鍵盤程序或A/D轉(zhuǎn)換程序中完成。詩(shī)叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。對(duì)步進(jìn)電機(jī)位置控制的一般作法是：步進(jìn)電機(jī)每走一步，步數(shù)減1,如果沒有失步存在,當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，步數(shù)正好減到0,因此，用步數(shù)等于0來(lái)判斷是否移動(dòng)到目 標(biāo)位，作為步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行的信號(hào)。則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。5.3步進(jìn)電機(jī)的加減速控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從A點(diǎn)到B點(diǎn)移動(dòng)的時(shí)，要經(jīng)歷升速，恒速，減速過程，如果 啟動(dòng)時(shí)一次將

23、速度升到給定速度，由于啟動(dòng)頻率超過極限啟動(dòng)頻率，步進(jìn)電機(jī)就有失步現(xiàn) 象，因此會(huì)造成不能正常啟動(dòng)，如果到終點(diǎn)時(shí)突然停下來(lái)，由于慣性作用，步進(jìn)電機(jī)會(huì)發(fā)生過沖現(xiàn)象，會(huì)造成位置精度降低。如果升速非常緩慢的升降速，步進(jìn)電機(jī)雖然不會(huì)發(fā) 生失步和過沖現(xiàn)象，但影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率，所以，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的加減速要有嚴(yán)格的 要求，那就是保證在不失步和過沖的前提下，用最快的速度（或最短的時(shí)間）移動(dòng)到有可 能指定位置。為滿足加減速要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行通常按照加減速曲線進(jìn)行。圖5.1是加減速運(yùn)行曲線。加減速運(yùn)行曲線沒有一個(gè)固定的模式，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)得到的。最簡(jiǎn)單的是勻加速和勻減速曲線，其加減速曲線都是直線，因此容易編

24、程實(shí)現(xiàn)。按直線加 速時(shí)，加速度是不變的，因此要求轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該是不變的。但是，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn) 矩玉轉(zhuǎn)速時(shí)非曲線關(guān)系，因而加速度玉頻率也應(yīng)該是非曲線關(guān)系。因此，實(shí)際上當(dāng)轉(zhuǎn)速增 加時(shí)，轉(zhuǎn)矩下降，所以，按直線加速時(shí)，有可能造成因轉(zhuǎn)矩不足而產(chǎn)生失步的現(xiàn)象。脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻。如圖5.1所示：圖5.1加減速曲線圖采用指數(shù)加、減速曲線或S形（分段指數(shù)曲線）加、減速曲線是最好的選擇。步進(jìn) 電機(jī)的運(yùn)行可以根據(jù)距離的長(zhǎng)短分如下三種情況處理：鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減。一、短距離由于距離較短，來(lái)不及升到最高速，因此，在這種情況下，步進(jìn)電機(jī)以潔凈啟動(dòng)頻率 運(yùn)行，運(yùn)行過程沒有加、減速。稟虛嬪賑維嚌妝擴(kuò)踴糶。二、中、短

25、距離在這樣的距離里，步進(jìn)電機(jī)只有加、減速過程，而沒有恒速過程。三、中、長(zhǎng)距離在這樣的距離里，步進(jìn)電機(jī)不經(jīng)有加、減速過程，而且還有恒速過程。由于距離較長(zhǎng)，要盡量縮短用時(shí)，保證快速反應(yīng)性。因此，在加速時(shí)，盡量用接近啟 動(dòng)頻率啟動(dòng)，在恒速時(shí)，盡量工作在最高速。單片機(jī)在用定時(shí)器法調(diào)速時(shí)，用改變定時(shí)常 數(shù)的方法來(lái)改變輸入步進(jìn)脈沖頻率，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的，對(duì)于MCS-51系列單片機(jī)，其15定時(shí)器屬于加1定時(shí)器。因此，在步進(jìn)電機(jī)加速時(shí)，定時(shí)常數(shù)應(yīng)增加；減速時(shí)，定時(shí)常 數(shù)應(yīng)減小。如果采用非線性加、減速曲線，要用離散法將加減速曲線離散化，將離散所得 的轉(zhuǎn)速序列所對(duì)應(yīng)的定時(shí)常數(shù)序列，做成表格存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器重。在

26、程序運(yùn)行中，使用 查表得方式重裝定時(shí)常數(shù)，這樣做比用計(jì)算機(jī)節(jié)省時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。陽(yáng)簍埡鮭罷規(guī)嗚舊巋錟。在下章的程序中，參數(shù)除了有速度級(jí)數(shù)N和極步數(shù)NC以外，還有以下參數(shù)：一、 加速過程的總步數(shù)：電動(dòng)機(jī)在升速過程中每走一步，加速總步數(shù)就減1，直到減為0，加速過程結(jié)束，進(jìn)入恒速過程。溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應(yīng)。二、 恒速過程的總步數(shù)：電動(dòng)機(jī)在恒速過程中每走一步，恒速總步數(shù)就減1,直到減為0，恒速過程結(jié)束，進(jìn)入減速過程。鋇嵐縣緱虜榮產(chǎn)濤團(tuán)藺。三、 減速過程的總步數(shù)：電動(dòng)機(jī)在減速過程中每走一步，減速總步數(shù)就減1，直到減為0，減速過程結(jié)束，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。懨俠劑鈍觸樂鷴燼觶騮。第六章 步進(jìn)電機(jī)的 XY

27、 工作臺(tái)6.1設(shè)計(jì)目標(biāo)利用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成X、丫坐標(biāo)系，并分別控制工作臺(tái)上X軸和丫軸的步進(jìn)脈沖, 實(shí)現(xiàn)從起點(diǎn)A點(diǎn)到預(yù)定點(diǎn)B點(diǎn)的走向控制。謾飽兗爭(zhēng)詣繚鮐癩別濾。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制要求：一、判斷旋轉(zhuǎn)方向；二、按順序傳送控制脈沖；三、判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。6.2 X、丫工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)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(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減少工作 臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。咼鉉們歟謙鴣餃競(jìng)蕩賺。考慮電機(jī)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

28、慮步進(jìn)電 機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)，系統(tǒng)總體框圖如下：瑩諧齷蘄賞組靄縐嚴(yán)減。圖6.1步進(jìn)電機(jī)控制XY軸系統(tǒng)總體框圖如圖6.1所示，分別用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制XY軸工作臺(tái)，具體控制圖如下16所示:圖6.2絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)如圖6.2所示，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠和工作臺(tái)紋合，致使工作 臺(tái)直線位移。為了方便計(jì)算，本文以90BF001系列磁阻式步進(jìn)電機(jī)中的90BF003三相步進(jìn)電機(jī)為例：麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶。表6.1 90BF003步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表型號(hào)主要技術(shù)移數(shù)步觸(Deg.)電圧柑電怵（A）率他）卓（Hz分配方式31.5* fl605L煩80003相&拍外形尺寸mm重量長(zhǎng)度k90

29、12594.51764由上表可知，步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.5。，由9 b=9 z/N = 2 n /NZ可得知步進(jìn)電機(jī)的齒數(shù)為40。步進(jìn)電機(jī)的軸周長(zhǎng)為C=2 n R= n D=9冗，所以步進(jìn)電機(jī)走過一個(gè)步距角即1.5 ， 它所連的絲杠走過約為8.5mm設(shè)起點(diǎn)A的坐標(biāo)為（0,0）通過兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別控制XY軸使得軌跡達(dá)到B點(diǎn)（34,34）。納疇鰻吶鄖禎銣膩鰲錟。表6.2步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)分配表電機(jī)SI號(hào)坐贓mm）步坯電機(jī)創(chuàng)（X00S.58.3171725.523*34步進(jìn)電機(jī)O2（Y）08.58.5171723,525.33454圖6.3步進(jìn)電機(jī)絲杠連動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡圖根據(jù)坐標(biāo)分配表可畫出步進(jìn)電機(jī)絲杠連

30、動(dòng)在XY軸上的運(yùn)動(dòng)軌跡圖如圖6.3所示，由 圖可知，步進(jìn)電機(jī)走的不是直線，而是折線。風(fēng)攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟。下面根據(jù)基于XY軸的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的原理對(duì)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的移動(dòng)量、速度和 移動(dòng)方向進(jìn)行控制三個(gè)方面進(jìn)行介紹。滅曖駭諗鋅獵輛覯餿藹。一、工作臺(tái)位移量的控制17數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)發(fā)出的N個(gè)進(jìn)給脈沖， 經(jīng)驅(qū)動(dòng)線路之后， 變成控制步進(jìn)電機(jī)定子繞 組通電、斷電的電平信號(hào)變化次數(shù)N，使步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)變化N次。由步進(jìn) 電機(jī)工作原理可知，定子繞組通電狀態(tài)的變化次數(shù)N決定了步進(jìn)電機(jī)的角位移, （a即步距角）。該角位移經(jīng)絲杠、螺母之后轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的位移量L,（t為螺距）。即進(jìn)給脈沖的數(shù)量N-定子繞

31、組通電狀態(tài)變化次數(shù)N一步 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角工作臺(tái)位移量L。鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱騮。二、工作臺(tái)進(jìn)給速度的控制 機(jī)床控制系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給脈沖的頻率，經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制線路之后，表現(xiàn)為控制步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電、斷電的電平信號(hào)變化頻率，也就是定子繞組通電狀態(tài)變化頻率。而定子繞組 通電狀態(tài)的變化頻率決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速經(jīng)絲杠螺母轉(zhuǎn)換之后，體現(xiàn) 為工作臺(tái)的進(jìn)給速度。即進(jìn)給脈沖的頻率 定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率 步進(jìn)電機(jī) 的轉(zhuǎn)速 工作臺(tái)的進(jìn)給速度。攙閿頻嶸陣澇諗譴隴瀘。三、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的控制 當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給脈沖是正向時(shí)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制線路，使步進(jìn)電機(jī)的定子各繞組按一定的順序依次通電、斷電；當(dāng)進(jìn)給脈沖是負(fù)

32、向時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制線路則使定子各繞組按與進(jìn) 給脈沖是正向時(shí)相反的順序通電、斷電。由步進(jìn)電機(jī)的工作原理可知，通過步進(jìn)電機(jī)定子 繞組通電順序的改變，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)的進(jìn)給 方向的控制。趕輾雛紈顆鋝討躍滿賺。6.3程序框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，可畫出控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，加減速控制，工作方式為雙時(shí) 鐘，程序框圖如圖6.4：18圖6.4基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖6.4匯編程序本程序的資源分配如下：R0中間寄存器；R1儲(chǔ)存速度級(jí)數(shù)；R2儲(chǔ)存級(jí)數(shù)步數(shù)；R3加減速狀態(tài)指針，加速時(shí)指向3AH;32H- 34H存放絕對(duì)參數(shù)（假設(shè)用35H 36H存放加速總步數(shù)（假設(shè)37H- 39H存

33、放恒速總步數(shù)（假設(shè)3AH 3BH存放減速總步數(shù)（假設(shè)35H,恒速時(shí)指向37H，減速時(shí)指向3個(gè)字節(jié)），低位在前；2個(gè)字節(jié)），低位在前；3個(gè)字節(jié)），低位在前；2個(gè)字節(jié)），低位在前；戰(zhàn)豊PU_C1狀爭(zhēng)19P0.0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(shí)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。程序如下：ORG 0000HJNB P0.0 ZZ;JNB P0.1 FZ;ZZ:INC R0CJNE R0,#06H ZZ1;MOV R0,00H;ZZ1:MOV A,R0;MOV DPTR,#ABC;MOVC A,A+DPTR;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