基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、（論文）目 錄基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中文摘要3關(guān)鍵詞3ABSTRACT:4KEY WORDS:4 前 言5 1.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)6 1.2步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)5 1.3步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)6 1.4 步進(jìn)電機(jī)的分類10 1.5 步進(jìn)電機(jī)詳細(xì)調(diào)速原理：10第2章 本次設(shè)計(jì)的基本要求11 2.1基本要求 11第3章 方案的論證 11 3.1 控制方式的確定11 3.2 驅(qū)動(dòng)方式的確定13 3.3 驅(qū)動(dòng)電路的選擇13 3.4 基本方案的確定14第4章 硬件電路的設(shè)計(jì)14 4.1 單片機(jī)的選擇 15 4.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 17 4.3 驅(qū)動(dòng)電路的選擇 23 4.4 顯示電路與鍵盤的選擇

2、25 4.5 反饋電路的選擇28第5章 算法的設(shè)計(jì)：30 5.1 PID控制算法30第6章 軟件的設(shè)計(jì) 356.1 顯示子程序的設(shè)計(jì)356.2 鍵盤子程序的設(shè)計(jì)366.3 驅(qū)動(dòng)程序流程的設(shè)計(jì)：376.4 正反轉(zhuǎn)程序流程圖38第7章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 417.1 有關(guān)參數(shù)的計(jì)算與分析417.2 理論與實(shí)際的分析41附錄43第8章 總 結(jié)56參考文獻(xiàn)57致 謝58基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中文摘要:步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步

3、距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速一般是改變輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)每給一個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這樣就可以通過控制步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)改變脈沖的頻率，延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)具體控制步進(jìn)角來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。在本設(shè)計(jì)方案中采用AT89C51型單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器改變CP脈沖的頻率從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速與正反轉(zhuǎn)的功能。關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機(jī)， 單片機(jī)， 調(diào)速系統(tǒng) 前 言步進(jìn)電機(jī)最早是在1920年由

4、英國(guó)人所開發(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。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。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。

5、步進(jìn)電機(jī)可以直接用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，使用非常方便。一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每給它一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)還具有快速啟動(dòng)、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn)，因而在數(shù)控機(jī)床，繪圖儀，打印機(jī)以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流

6、電動(dòng)機(jī)以外的第三類電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。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?，F(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(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)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，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了

7、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(dòng)方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。第1章 步進(jìn)電機(jī)概述1.1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)

8、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)該有加速過程，即啟動(dòng)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?gòu)牡退偕礁咚伲?1.2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)

9、轉(zhuǎn)換成相位移的電機(jī) ,其機(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(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^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。1.3步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)： 1.3.1步進(jìn)電機(jī)的基本參數(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

10、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86BYG250A型電機(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

11、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°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選 擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿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) 將變得沒有意義，用戶只需在驅(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

12、。由于步進(jìn)電機(jī)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2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有 特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。1.3.2步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)：1) 步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同， 四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。 2) 失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 3) 失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的 誤差，

13、采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 4) 最大空載起動(dòng)頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起 動(dòng)的最大頻率。 5) 最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 6) 運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩特 性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。 如下 圖1-1所示：圖1-1 力矩頻率曲線7) 電機(jī)的共振點(diǎn)：  步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角

14、為0.9度），電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)流）平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。如下圖1-2所示：圖1-2 力矩頻率特性曲線其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。 1.4步進(jìn)電

15、機(jī)的分類 1.4.1 步進(jìn)電機(jī)分為三大類 ： 1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VAriABle ReluCtAnCe，簡(jiǎn)稱 VR）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型。 2)永磁式步進(jìn)電機(jī)（PermAnent MAgnet），簡(jiǎn)稱 PM永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步進(jìn)角比較大，它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小（相比反應(yīng)式），但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電。 3)混合式步進(jìn)電機(jī)（HyBrid，簡(jiǎn)稱 HB） 混合式步進(jìn)電

16、機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。混合式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，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)，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)、噪聲低、低頻振動(dòng)小。這種電動(dòng)機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動(dòng)用的交流同步機(jī)設(shè)計(jì)的，后來(lái)發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動(dòng)機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動(dòng)。由于能夠開環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，因此這種電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用 。 1.4.2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

17、依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)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(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3，C與齒3向右錯(cuò)開2/3，A'與齒5相對(duì)齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開如圖1-3所示：圖1-3 定子展開圖 電動(dòng)機(jī)定子鐵心和一般電機(jī)一樣由硅鋼片疊成，鐵心內(nèi)孔表面有開口槽。轉(zhuǎn)子裝有一個(gè)軸向磁化永磁體用以產(chǎn)生一個(gè)單向磁場(chǎng)。永磁體產(chǎn)生的磁通，在每一個(gè)氣隙圓周上都是單方向通過氣隙的，這時(shí)作用在氣隙中的磁勢(shì)是同極性的，稱為單極磁勢(shì)。而轉(zhuǎn)子包括兩段，一段經(jīng)永磁體磁化成N 極，另一段磁化為S 極，每段轉(zhuǎn)子齒以一個(gè)齒距間隔均勻分布，但兩段轉(zhuǎn)子的齒

18、相互錯(cuò)開1/2 個(gè)轉(zhuǎn)子齒距。A) N 極段截面圖 B) S 極段截面圖如圖1-4所示:A) N 極段截面圖 B) S 極段截面圖 圖1-4 三相混合式步進(jìn)電機(jī)截面圖1.5 步進(jìn)電機(jī)詳細(xì)調(diào)速原理：步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速一般是改變輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)每給一個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這樣就可以通過控制步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)改變脈沖的頻率，延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)具體控制步進(jìn)角來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電的調(diào)速。具體的延時(shí)時(shí)間可以通過軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就需要采用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制,實(shí)際上就是改變輸出脈沖的時(shí)間間隔,單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)加減法運(yùn)轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)的

19、方法有軟件和硬件兩種 ,軟件方法指的是依靠延時(shí)程序來(lái)改變脈沖輸出的頻率,其中延時(shí)的長(zhǎng)短是動(dòng)態(tài)的,軟件法在電機(jī)控制中, 要不停地產(chǎn)生控制脈沖, 占用了大量的CPU 時(shí)間,使單片機(jī)無(wú)法同時(shí)進(jìn)行其他工作;硬件方法是依靠單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,在每次進(jìn)入定時(shí)中斷后,改變定時(shí)常數(shù),從而升速時(shí)使脈沖頻率逐漸增大,減速時(shí)使脈沖頻率逐漸減小,這種方法占用CPU 時(shí)間較少,在各種單片機(jī)中都能實(shí)現(xiàn),是一種比較實(shí)用的調(diào)速方法。第2章本次設(shè)計(jì)的基本要求 研究步進(jìn)電機(jī)的特性、工作原理、及其具體的調(diào)速原理。2.1基本要求 步進(jìn)電機(jī)采用三相步進(jìn)電機(jī)，功率為1W。調(diào)速范圍為0到1000r/min最高轉(zhuǎn)速時(shí)，精度2%要基本

20、上完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，作到步進(jìn)電機(jī)能精確的調(diào)速，正反轉(zhuǎn)、并能在起動(dòng)時(shí)不失步，基本上沒有振蕩，能完成完整的硬件電路圖，軟件設(shè)計(jì)。第3章 方案的論證 3.1 控制方式的確定步進(jìn)電機(jī)控制雖然是一個(gè)比較精確的，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的CP脈沖的頻率或者換向周期實(shí)際上就是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。一種是延時(shí)，一種是定時(shí)。延時(shí)方法是在每次換向之后調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，待延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的CP脈沖或換向周期。延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間與換向程序所用的時(shí)間和，就是CP脈沖的周期

21、，該方法簡(jiǎn)單，占用資源少，全部由軟件實(shí)現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實(shí)現(xiàn)不同速度的運(yùn)行。但占用CPU時(shí)間長(zhǎng)，不能在運(yùn)行時(shí)處理其他工作。因此只適合較簡(jiǎn)單的控制過程。定時(shí)方法是利用單片機(jī)系統(tǒng)中的定時(shí)器定時(shí)功能產(chǎn)生任意周期的定時(shí)信號(hào)，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出CP脈沖的周期。當(dāng)定時(shí)器啟動(dòng)后，定時(shí)器從裝載的初值開始對(duì)系統(tǒng)及其周期進(jìn)行加計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時(shí)中斷子程序。將電機(jī)換向子程序放在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，定時(shí)中斷一次，電機(jī)換向一次，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。由于從定時(shí)器裝載完重新啟動(dòng)開始至定時(shí)器申請(qǐng)中斷止，有一定的時(shí)間間隔，造成定時(shí)時(shí)間增加，為了減少這種定時(shí)誤差，實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)，

22、要對(duì)重裝的計(jì)數(shù)初值作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。調(diào)整的重裝初值主要考慮兩個(gè)因素一是中斷響應(yīng)所需的時(shí)間。二是重裝初值指令所占用的時(shí)間，包括在重裝初值前中斷服務(wù)程序重的其他指令因。綜合這兩個(gè)因素后，重裝計(jì)數(shù)初值的修正量取8個(gè)機(jī)器周期，即要使定時(shí)時(shí)間縮短8個(gè)機(jī)器周期。用定時(shí)中斷方式來(lái)控制電動(dòng)機(jī)變速時(shí)，實(shí)際上是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。在控制過程中，采用離散辦法來(lái)逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計(jì)算裝載值的時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的ROM中，系統(tǒng)在運(yùn)行中用查表法查出所需的裝載值，這樣可大幅度減少占用CPU的時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度愿大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)都運(yùn)行在開環(huán)狀態(tài)下，因?yàn)?/p>

23、成本較低，并可提供運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)固有的位置控制，無(wú)須反饋。但是，在某些應(yīng)用中，需要更多的可靠性、安全性或產(chǎn)品質(zhì)量的保證，因此，閉環(huán)控制也是一種選擇.以下是一些實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制的方法： 1) 步進(jìn)確認(rèn)，這是最簡(jiǎn)單的位移控制，使用一個(gè)低值的光學(xué)編碼器計(jì)算步進(jìn)移動(dòng)的數(shù)量。一個(gè)簡(jiǎn)單的回路與指令校驗(yàn)的步進(jìn)電機(jī)比較，驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)到預(yù)計(jì)的位置；2) 反電動(dòng)勢(shì), 一種無(wú)傳感器的檢測(cè)方法，使用步進(jìn)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)（eleCtromotiveforCe，emf）信號(hào)，測(cè)量和控制速度。當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)電壓降至監(jiān)測(cè)探測(cè)水平時(shí)，閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)開環(huán)，完成最終的位移移動(dòng)；3）全伺服控制，指全時(shí)間的使用反饋設(shè)備，用于步進(jìn)電機(jī)

24、-編碼器、解碼器、或其它反饋傳感器上，從而更為精確地控制步進(jìn)電機(jī)位移和轉(zhuǎn)矩。其它的方法包括各種不同的反電動(dòng)勢(shì)控制電機(jī)參數(shù)測(cè)量和軟件技術(shù)，一些制造企業(yè)都會(huì)使用這些方法。這里，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)監(jiān)控和測(cè)量電機(jī)線圈，使用電壓額電流信息提高步進(jìn)電機(jī)控制。正阻尼使用這一信息阻擋振動(dòng)的速度，產(chǎn)生更多的可用的轉(zhuǎn)矩輸出，降低轉(zhuǎn)矩的機(jī)械振動(dòng)損耗。無(wú)編碼器安裝監(jiān)測(cè)采用信息檢測(cè)同步速度的損耗。傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制通常采用反饋設(shè)備和非傳感方法，是有效的實(shí)現(xiàn)帶有安全需求、危險(xiǎn)狀況或高精確度要求的運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的方法。    大多數(shù)基于步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)，一般都運(yùn)行在開環(huán)狀態(tài)下，這樣可提供一個(gè)低成本的方案。 事實(shí)上

25、，步進(jìn)系統(tǒng)可提高位移控制的的性能，且不需要反饋。但是，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在開環(huán)時(shí)運(yùn)行，在命令步幅和實(shí)際步幅之間會(huì)有同步損耗的可能。    閉環(huán)控制，是傳統(tǒng)步進(jìn)控制的一個(gè)部分，能有效地提供更高地可靠性、安全性或產(chǎn)品質(zhì)量。在這些步進(jìn)系統(tǒng)中，反饋設(shè)備或間接參數(shù)傳感方法的閉環(huán)能進(jìn)行校正或控制失步、監(jiān)測(cè)電機(jī)停滯，以及確保更大的可用轉(zhuǎn)矩輸出。近期，步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制（CLC）還能幫助執(zhí)行智能分布運(yùn)動(dòng)架構(gòu)。然而，開環(huán)操作會(huì)有失步的風(fēng)險(xiǎn)，這將產(chǎn)生定位失誤。但與伺服系統(tǒng)中使用的編碼器相比，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)采用的編碼器成本更低。故選擇閉環(huán)控制。3.2 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

26、法，一種是通過CPU直接來(lái)驅(qū)動(dòng)，這種方法一般不宜采用，因?yàn)镃PU的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CPU來(lái)間接驅(qū)動(dòng)，就是把從CPU輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，然后直接驅(qū)動(dòng)或是再通過光電隔離間接來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，這種方法比較安全可靠。固本次設(shè)計(jì)應(yīng)采用CPU間接驅(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，

27、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。3.3 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)，

28、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。所以從提高效率來(lái)看這是一種很好的驅(qū)動(dòng)電路，它可以用較高的電源電壓，同時(shí)無(wú)需外接電阻來(lái)限定期額定電流和減少時(shí)間常數(shù)。但由于其波形頂部呈現(xiàn)鋸齒形波動(dòng)，所以會(huì)產(chǎn)生較大的電磁噪聲。細(xì)分驅(qū)動(dòng)是用脈沖電壓來(lái)供電的，對(duì)于一個(gè)電壓脈沖，轉(zhuǎn)子就可以轉(zhuǎn)動(dòng)一步，一般會(huì)根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞阻會(huì)輪流切換，固可以使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。細(xì)分控制的電路一般分為兩類，一類是采用線性模擬功率放大器的方法獲得階梯形電流，這種方法簡(jiǎn)單，但效率低。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

29、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)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)，并通過軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。3.4 基本方案的確定因本次設(shè)計(jì)的要求，選用三相三拍步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)選用89C51作為控制器。選取用8279來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示和鍵盤。選用8713作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片并通過光電耦合來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。然后由于步進(jìn)電機(jī)同軸的光電編碼器作為反饋元件，并把反饋回的信號(hào)經(jīng)CPU處理后再由顯示器顯示出來(lái)。但由鍵盤輸入的速度數(shù)值了得通過顯示器來(lái)顯示，固本次設(shè)計(jì)要兩排顯示，一排來(lái)顯示給定的轉(zhuǎn)速一排來(lái)顯示實(shí)際的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)原理框圖如3-1所示：圖3-1 系

30、統(tǒng)原理框圖第4章 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CPU選用89C5l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)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬(wàn)次以上使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容MCS5l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（FPEROMFAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(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CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中

31、，ATMEL的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GND。3）XTL1（19）和XTL2（18）：振蕩電路。  單片機(jī)是一種時(shí)序電路，必須有脈沖信號(hào)才能工作，在它的內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個(gè)電容和一個(gè)晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時(shí)，需在XTL2上加外部時(shí)鐘信號(hào)（詳細(xì)的內(nèi)容將在以后的課程中專門介紹）。4）PSEN（29）：片外ROM選通信號(hào)，低電平有效。5）ALE/PROG（30）：

32、地址鎖存信號(hào)輸出端/EPROM編程脈沖輸入端。6）RST/VPD（9）：復(fù)位信號(hào)輸入端/備用電源輸入端。 7）EA/VPP（31）：內(nèi)/外部ROM選擇 端                               8）P0口（39-32）：雙向I/O口。9P1口（1-8）：準(zhǔn)雙

33、向通用I/0口。9）P2口（21-28）：準(zhǔn)雙向I/0口。原理圖如4-1所示：圖4-1 AT89C51的引腳圖4.1.2 主要特性：與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源 、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 1) 振蕩器特性：  XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接

34、。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。2) 芯片擦除：  整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)

35、硬件復(fù)位為止。4.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 因本次設(shè)計(jì)的要求，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)選用三相三拍的步進(jìn)電機(jī)，關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的具體說明如下；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所產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)的所以也稱為磁阻式步進(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)為例說明其工作原理.圖4-2是一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理圖定子鐵芯為凸極式共有三對(duì)六個(gè)磁極每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極上繞有一相控制繞組轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成也是凸極結(jié)構(gòu)只有四個(gè)齒齒寬等于定子的極靴寬下面通過幾種基本的控制方式來(lái)說明其工作原理.圖4-2 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理圖4.2.1 三相單三拍通電方式當(dāng)A 相控制繞組通電,其余兩相均不通電,

36、電機(jī)內(nèi)建立以定子A 相極為軸線的磁場(chǎng).由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn),使轉(zhuǎn)子齒1, 3 的軸線與定子A 相極軸線對(duì)齊,如圖4-4 (A)所示.若A 相控制繞組斷電,B 相控制繞組通電時(shí),轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下,逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過30,°使轉(zhuǎn)子齒2,4 的軸線與定子B 相極軸線對(duì)齊,即轉(zhuǎn)子走了一步,如圖4-4(B)所示, 若再斷開B相,使C相控制繞組通電,轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過30° 使轉(zhuǎn)子齒1,3 的軸線與定子C相極軸線對(duì)齊,如圖4-4(C)所示.如此按A-BC-A 的順序輪流通電,轉(zhuǎn)子就會(huì)一步一步地按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng),其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率,旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪

37、流通電的順序若按A-C-B-A 的順序通電,則電機(jī)按順時(shí)針反方向轉(zhuǎn)動(dòng).上述通電方式稱為三相單三拍運(yùn)行,”三相”是指三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī),”單”是指每次只有一相控制繞組通電,控制繞組每改變一次通電方式稱為一拍,三拍是指經(jīng)過三次改變通電方式為一個(gè)循環(huán),我們稱每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為步距角.三相單三拍運(yùn)行時(shí)的步距角為30度.其原理圖如4-2所示:圖4-2-1定轉(zhuǎn)子展開圖（A相繞組通電）4.2.2 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)A B 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

38、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，可見雙三拍運(yùn)行時(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A B 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)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而B 相磁拉力卻起有阻止轉(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4-2-2所示： (A)AB 相導(dǎo)通 (B)BC 相導(dǎo)通 圖4-2-2 三相雙三拍運(yùn)

39、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4-3中曲線A 所示穩(wěn)定平衡點(diǎn)為O，點(diǎn)B 相通電時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/3 齒距相當(dāng)于轉(zhuǎn)過2/3 電角度,它的穩(wěn)4-3中曲線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)開一個(gè)用電角度表示的步矩角 (4-1)同理可得到三相單雙六拍通電方式時(shí)的矩角特性族如圖4-4與4-5 所示：圖4-3三拍時(shí)的矩角特性族圖4-4六

40、拍時(shí)的矩角特性族步進(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1-12中的曲線A 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)處，如果將A相通電改變?yōu)锽相通電，那么矩角特性應(yīng)向前移動(dòng)一個(gè)步距角變?yōu)榍€B，點(diǎn)為新的穩(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=0的位置，對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩卻由O 突變?yōu)榍€B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)點(diǎn)為止對(duì)應(yīng)它的

41、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.原理圖如4-5所示:圖4-5 穩(wěn)定響應(yīng)曲線3)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，若A 相控制繞組通電則轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置為圖1-13 A中曲線A 上的點(diǎn)，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

42、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)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)在該轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角到達(dá)新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)OB´，如圖4-6所示:(a)圖4-6 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的確定 如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大為，且，如圖4-14（B）則初始平衡位置為點(diǎn)，但在改變通電狀態(tài)的瞬間電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩為，由于，轉(zhuǎn)子不能到達(dá)新的穩(wěn)定平衡位置點(diǎn)，而是向失調(diào)角減小的方向滑動(dòng)，電機(jī)不能帶動(dòng)負(fù)載作步進(jìn)運(yùn)行，這時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際上是處于失控狀態(tài)，由此可見只有負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于相鄰兩個(gè)矩角特性交點(diǎn)S 所對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩才能保證電機(jī)正常的步進(jìn)運(yùn)行，把稱為最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩也稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩當(dāng)

43、然它比最大靜轉(zhuǎn)矩可求得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩公式4-2-1。 (4-2-14.3驅(qū)動(dòng)電路的選擇 因從CPU輸出的脈沖信號(hào)特別小，固應(yīng)先經(jīng)過PWM8713脈沖分配器對(duì)脈沖進(jìn)行分配并經(jīng)過放大然后再經(jīng)過光耦驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)進(jìn)電機(jī)。具體的連接圖如4-3-1所示：圖4-3-1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖PWM8713芯片介紹如下；PMM8713是日本三洋電機(jī)公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器。該器件采用DIP 16封裝，適用于二相或四相步進(jìn)電機(jī)。PMM8713在控制二相或四相步進(jìn)電機(jī)時(shí)都可選擇三種勵(lì)磁方式(1相勵(lì)磁，2相勵(lì)磁，3相勵(lì)磁三種勵(lì)磁方式之一)，每相最小的拉電流和灌電流為20mA，它不但可滿足后級(jí)功率放大器的要求，而且在所有

44、輸人端上均內(nèi)嵌有施密特觸發(fā)電路，抗干擾能力很強(qiáng)，其原理框圖如圖1所示，表1所列是PMM8713的引腳功能。在PMM8713的內(nèi)部電路中，時(shí)鐘選通部分用于設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)脈沖輸入法。PMM8713有兩種脈沖輸人法:雙脈沖輸人法和單脈沖輸人法。采用雙脈沖輸人法的連線方式如圖4-3-2(A)所示，其中CPI CA兩端分別輸人步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制脈沖。當(dāng)采用單脈沖輸人法時(shí)，其連線方式如圖2所示； 圖4-3-2 8713圖4-3-3 PWM8713的引腳圖PMM8713 功能介紹PMM8713 是專用的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)脈沖產(chǎn)生芯片,它適用于三相和四相步進(jìn)電機(jī)。如圖1 所示PMM8713 的引腳,Cu

45、為加脈沖輸入端,它使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn),Cp 為減脈沖輸入端,它使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn),Ck為脈沖輸入端,當(dāng)脈沖加入此引腳時(shí),Cu 和Cp 應(yīng)接地,正反轉(zhuǎn)由U/ D 的電平控制,EA 和EB 用來(lái)選擇勵(lì)磁方式的,可以選擇的方式有一相勵(lì)磁、二相勵(lì)磁和一二相勵(lì)磁,C 用來(lái)選擇三、四相步進(jìn)電機(jī),Vss 為芯片工作地,R 為芯片復(fù)位端,41 為四相步進(jìn)脈沖輸出端,31 為三相步進(jìn)脈沖輸出端,Em 為勵(lì)磁監(jiān)視端,Co 為輸入脈沖監(jiān)視端,VDD為芯片的工作電源( + 4 + 18V).其具體的原理框圖如4-3-4所示: 圖4-3-4 驅(qū)動(dòng)電路框圖4.4 顯示電路與鍵盤的選擇 顯示電路的用8279芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)，8279芯片

46、分別接兩排顯示器，每排為4位顯示，分別用來(lái)顯示步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速。8279與CPU的連接框圖如4-11所示：圖4-4 8279與CPU的接線圖8279芯片的具體介紹如下；1) DB0DB7：雙向數(shù)據(jù)總線。在CPU于827數(shù) 據(jù)與命令的傳送。2) CLK：8279的系統(tǒng)時(shí)鐘，100KHZ為最佳選擇。3) RESET：復(fù)位輸入線，高電平有效。當(dāng) RESET 輸入端出現(xiàn)高電平時(shí)，8279被初始復(fù)位。4) /CS：片選信號(hào)。低電平使能，使能時(shí)可將命令寫入8279或讀取8279的數(shù)據(jù)。5) A0：用于區(qū)分信息的特性。當(dāng)A0=1時(shí)，CPU向8279寫入命令或讀取8279的狀態(tài)；當(dāng)A0為0時(shí)，讀寫

47、一數(shù)據(jù)。6) /RD：讀取控制線。/RD=0,8279會(huì)送數(shù)據(jù)至外部總線。7) /WR：寫入控制線。/WR=0,8279會(huì)從外部總線捕捉數(shù)據(jù)。8) IRQ：中斷請(qǐng)求輸出線，高電平有效。當(dāng)FIFO RAM 緩沖器中存有鍵盤上閉合鍵的鍵碼時(shí)，IRQ線升高，向CPU請(qǐng)求中斷，當(dāng)CPU將緩沖器中的輸入鍵數(shù)的數(shù)據(jù)全部讀取時(shí)，中斷請(qǐng)求線下降為低電平。9) L0SL3：掃描輸出線，用于對(duì)鍵盤顯示器掃 描?？梢允蔷幋a模式（16對(duì)1）或譯碼模式（4對(duì)1）。10) RL7：反饋輸入線，由內(nèi)部拉高電阻拉成高電平，也可由鍵盤上按鍵拉成低電平。11) FT、CNTL/STB ：控制鍵輸入線，由內(nèi)部拉高電 阻拉成高電平，

48、也可由外部控制按鍵拉成低電平。12) TB03、OUTA03：顯示段數(shù)據(jù)輸出線，可分別作為兩個(gè)半字節(jié)輸出，也可作為8位段數(shù)據(jù)輸出口，此時(shí)OUTB0為最低位， OUTA3位最高位。13) 消隱輸出線，低電平有效。當(dāng)顯示器切換時(shí)或使用消隱命令時(shí)，將顯示消隱。具體芯片理框圖如4-4-1所示：圖4-4-1 8279的引腳圖鍵盤的連接一般有兩種方式，一種是獨(dú)立式鍵盤；一種是行列式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤就是各個(gè)鍵相互獨(dú)立，每個(gè)鍵盤接一根輸入線，通過檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)來(lái)確定那個(gè)鍵按下。這種鍵盤的輸入線較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般適用于按鍵較少操作速度較高的場(chǎng)合。而行列式鍵盤是由行和列線交義組成，一般用于按鍵較多的場(chǎng)合。

49、本次設(shè)計(jì)一共用9個(gè)鍵因此采用行列式鍵盤。具體的原理圖如4-4-2所示: 圖4-4-2 鍵盤連接圖顯示電路的選擇顯示電路選用兩排LED顯示，每排分別為四位。能滿足設(shè)計(jì)的要求，轉(zhuǎn)速范圍為0至1000。LED顯示電路有兩種接法，一種為共陰極，一種為共陽(yáng)極。原理圖如4-14所示:、圖44-3 顯示器接線圖4.5 反饋電路的選擇應(yīng)選用光電編碼器作為反饋元件，光電編碼器與步進(jìn)電機(jī)是同軸的輸出經(jīng)過放大送到計(jì)算機(jī)。并通過顯示器顯示出步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。關(guān)于光電編碼器的說明如下；4.5.1光電編碼器原理光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵

50、盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖1所示；通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖4-5-1 光電編碼器的原理圖根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。本次設(shè)計(jì)用絕對(duì)式編碼器其原理如下：絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心磁道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目

51、是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國(guó)內(nèi)已有16位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。絕對(duì)式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（格雷碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對(duì)編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)位置。編

52、碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)如下：1) 可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值；2) 沒有累積誤差；3) 電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。第5章 算法的設(shè)計(jì)：算法對(duì)于步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)相當(dāng)重在的環(huán)節(jié)，因?yàn)橹挥写_定了算法之后才能對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，并時(shí)也能達(dá)到精確的調(diào)速目的。同時(shí)算法也是編寫軟件的前提與基礎(chǔ)?？刂扑惴ㄓ卸喾N，常用的兩種算法是PID和模糊控制算法。PID 控制與模糊控制是兩種常用的控制方法,但它們還存在一些不足,如一般PID 控制容易產(chǎn)生超調(diào)、模糊控制的穩(wěn)態(tài)精度不

53、高,在這兩種控制方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),可產(chǎn)生多種更好的控制方法。本文采用的復(fù)合PID 控制算法和帶動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪：刂扑惴朔艘陨先毕?取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。5.1 PID 控制算法PID 調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值,按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系,進(jìn)行運(yùn)算,將其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制,將基本PID 算式離散化可得到位置型PID 控制算法,對(duì)位置型PID 進(jìn)行變換可得到增量型PID 控制算法。對(duì)控制精度要求較高的系統(tǒng)一般采用位置型算法,而在以步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器做執(zhí)行器件的系統(tǒng)中,則采用增量型算法。PID是一種工業(yè)控制過程中應(yīng)用較為廣泛的一種控制算法，它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好，適用范圍

54、廣，控制參數(shù)易于整定等優(yōu)點(diǎn)。PID控制不需了解被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,只要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整控制器參數(shù) ,便可獲得滿意的結(jié)果。其不足之處是對(duì)被控參數(shù)的變化比較敏感。但是通過軟件編程方法實(shí)現(xiàn)PID控制 ,可以靈活地調(diào)整參數(shù)。,盡管近年來(lái)出現(xiàn)了很多先進(jìn)的控制算法，但PID控制仍然以其獨(dú)有的特點(diǎn)在工業(yè)控制過程中具有相當(dāng)大的比重，且控制效果相當(dāng)令人滿意。 連續(xù)PID控制器也稱比例積分微分控制器，即過程控制是按誤差的比例（P-ProportionAl）、積分（I-IntegrAl）和微分（D-DerivAtive）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，其系統(tǒng)原理框圖如圖5-1所示： 圖5-1 PID的原理框圖它的控制規(guī)律的數(shù)學(xué)模型如下

55、： (5-1) 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式： (5-2)式中，e(t)：調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與輸出量的偏u(t)：調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)。 Kp：比例系數(shù)； T：積分時(shí)間常數(shù)； T：微分時(shí)間常數(shù)。 將式（2-1）展開，調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)可分成比例部分、積分部分和微分部分，它們分別是: 比例部分 比例部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是,p在比例部分中，Kp是比例系數(shù)，Kp越大，可以使系統(tǒng)的過渡過程越快，迅速消除靜誤差；但Kp過大，易使系統(tǒng)超調(diào)，產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致不穩(wěn)定。因此，此比例系數(shù)應(yīng)選擇合適，才能達(dá)到使系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間短而穩(wěn)定的效果。圖為比例調(diào)節(jié)器 （5-3）比例調(diào)節(jié)器其中： U控制器的輸出 比例系數(shù) E 調(diào)節(jié)器輸入偏差 控制量的基準(zhǔn)比例作用：迅速反應(yīng)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，過大容易引起不穩(wěn)定 積分部分 積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是從它的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以看出，要是系統(tǒng)誤差存在，控制作用就會(huì)不斷增加或減少，只有e(t)=0時(shí)，它的積分才是一個(gè)不變的常數(shù)，控制作用也就不會(huì)改變，積分部分的作用是消除系統(tǒng)誤差。積分時(shí)間常數(shù)