畢業(yè)論文-8051單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制

PAGEPAGEI濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)題目單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制系別機(jī)電系專業(yè)班級(jí)姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師日期2007年12月本中心為大學(xué)生提供免費(fèi)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)參考資料QQ：249796576設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制設(shè)計(jì)要求：1.初步了解步進(jìn)電機(jī)的分類、工作原理，重點(diǎn)掌握反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)，矩頻特性以及常見的驅(qū)動(dòng)電路。2.以8051為主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的簡單控制：電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)三種狀態(tài)的任意切換；電機(jī)的加減速控制。3.以自動(dòng)門的設(shè)計(jì)為實(shí)例，講解了步進(jìn)電機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)生活中的運(yùn)用設(shè)計(jì)進(jìn)度要求：第一周：搜集資料，研究步進(jìn)電機(jī)的種類，工作原理以及運(yùn)用場合。第二周：掌握步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)行特性。第三周：查找步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的種類，掌握一種最常用的驅(qū)動(dòng)電路。第四周：溫習(xí)單片機(jī)有關(guān)知識(shí)：常用程序語句、定時(shí)器的使用。第五周：研究步進(jìn)電機(jī)的簡單控制，寫出正反轉(zhuǎn)程序、調(diào)速程序。第六周：簡單介紹一實(shí)際運(yùn)用。指導(dǎo)教師（簽名）：前言步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。它是用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，因此又被稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。給一個(gè)電脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度或前進(jìn)一步，其角位移量θ（或位移S）與脈沖數(shù)k成正比，如圖0.0（a）所示。它的轉(zhuǎn)速n（或線速度v）與脈沖頻率f成正比，如圖0.0（b）所示。這些關(guān)系在負(fù)載能力范圍內(nèi)不因電壓與負(fù)載大小以及環(huán)境條件的波動(dòng)而變化。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，如快速、起-停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)。圖0.0步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)、頻率與步距角轉(zhuǎn)速關(guān)系近年來，電子技術(shù)及衛(wèi)星計(jì)算機(jī)的迅發(fā)展為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。在自控系統(tǒng)中，常常要有數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或心位移的電磁裝置，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是工作特點(diǎn)恰好符合此要求。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)既可以在某一固定頻率脈沖電源作用下作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行，也可以在某一受控脈沖作用下作為伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)它作為自控系統(tǒng)中的執(zhí)行元件時(shí)，系統(tǒng)對(duì)它的基本要求是：（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在脈沖信號(hào)下要能快速起動(dòng)、停轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)及在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速。（2）要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距精度高，不得丟步或越步。（3）快速響應(yīng)，即起動(dòng)、停轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)要迅速。（4）能直接帶負(fù)載，輸出一定的轉(zhuǎn)距。在該設(shè)計(jì)中我們選用單片機(jī)8051做為步進(jìn)電機(jī)的控制器,用它來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的空載時(shí)的正反轉(zhuǎn)\帶負(fù)荷時(shí)的正反轉(zhuǎn)以及各自速度的控制,在設(shè)計(jì)的最后我們研究了在自動(dòng)門中單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制.摘要步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用脈沖信號(hào)控制的，步距角和轉(zhuǎn)速大小不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受各種環(huán)境條件諸如溫度、壓力、振動(dòng)、沖擊等影響，而僅僅與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低可以大范圍地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)，而且有自鎖的能力，不需要機(jī)械制動(dòng)裝置，不經(jīng)減速器也可獲得低速運(yùn)行。它每轉(zhuǎn)過一周的步數(shù)是固定的，只要不丟步，角位移誤差不存在長期積累的情況，主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運(yùn)行可靠。如采用位置檢測(cè)和速度反饋，亦可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。圖0.1步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控機(jī)床中的運(yùn)用在機(jī)電一體化中，步進(jìn)電機(jī)是最常用的一種執(zhí)行電機(jī)，它實(shí)現(xiàn)了機(jī)械中的角度、位移的數(shù)字化控制，從而使機(jī)械控制的精度大大提高?，F(xiàn)代控制技術(shù)中普遍采用的方式為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單成本低但其精度不是太高；閉環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)高精度的控制，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜投入成本高。步進(jìn)電機(jī)的出現(xiàn)解決了這一技術(shù)難題，它使得開環(huán)控制的精度和速度大大提高，由它組成的步進(jìn)式伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化機(jī)械生產(chǎn)過程。數(shù)控機(jī)床便是這一技術(shù)的成功體現(xiàn)，伺服系統(tǒng)的性能是決定數(shù)控機(jī)床加工精度和生產(chǎn)效率的主要因素之一。由步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行的機(jī)床結(jié)構(gòu)見圖1-1所示.除數(shù)控機(jī)床廣泛采用步進(jìn)電機(jī)外，在數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、自動(dòng)記錄儀、鐘表、印刷設(shè)備等中亦有應(yīng)用。本設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象就是開環(huán)伺服系統(tǒng)中最常用的執(zhí)行器件——步進(jìn)機(jī)。關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī)，脈沖信號(hào)，步距角，開環(huán)控制，閉環(huán)控制，伺服控制目錄TOC\o"1-3"\u前言 I摘要 III目錄 IV1步進(jìn)電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)、工作原理 11.1步進(jìn)電機(jī)的分類和結(jié)構(gòu) 11.2工作原理 22步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)行特性 52.1靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài) 52.2步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài) 62.3連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 83步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 103.1步進(jìn)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求 103.2常見提高驅(qū)動(dòng)電源的措施 103.3步進(jìn)電機(jī)電源的分類 114實(shí)現(xiàn)輕負(fù)載時(shí)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn) 124.1控制要求 124.2所需器材 124.3設(shè)計(jì)原理 124.4正反轉(zhuǎn)控制程序流程 134.5步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)程序 145步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 175.1轉(zhuǎn)速控制原理 175.2轉(zhuǎn)速控制程序流程 185.3轉(zhuǎn)速控制程序 186自動(dòng)門的設(shè)計(jì) 236.1自動(dòng)門設(shè)計(jì)功能與要求 236.2自動(dòng)門設(shè)計(jì)的思路： 236.3硬件電路的設(shè)計(jì)與器件選擇 236.4軟件程序設(shè)計(jì) 277設(shè)計(jì)小結(jié) 33致謝 34參考文獻(xiàn) 351步進(jìn)電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)、工作原理1.1步進(jìn)電機(jī)的分類和結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的形式很多,其分類方式也很多,常見的分類方式是按產(chǎn)生力矩的原理,按輸出力矩的大小以及定子和轉(zhuǎn)子的數(shù)量分類等.根據(jù)不同的分類方式,可將步進(jìn)電機(jī)分為多種類型.見表1.1所示.表1.1步進(jìn)電機(jī)的分類分類型式具體類型按力矩產(chǎn)生的原理反應(yīng)式:轉(zhuǎn)子無繞組,由被勵(lì)磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行.勵(lì)磁式:定,轉(zhuǎn)子均有勵(lì)磁繞組(或轉(zhuǎn)子用永久磁鋼制成)由電磁力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行.按輸出力矩的大小伺服式:輸出力矩在幾百~幾KN.cm,只能驅(qū)動(dòng)較小的負(fù)載,要與液壓扭矩放大器配用,才能驅(qū)動(dòng)大負(fù)載.功率式:輸出力矩在5~50N.m以上,可以直接驅(qū)動(dòng)大負(fù)載.按定轉(zhuǎn)子數(shù)(1)單定子式;(2)雙定子式;(3)三定子式;(4)多定子式.按各相繞組分布徑向分相式:電機(jī)各相按圓周依次排列軸向分相式:電機(jī)各相按軸向依次排列目前,我國使用的步進(jìn)電機(jī)主要是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).如下圖1-2所示,這是一臺(tái)典型的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).圖1.1三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)它的定子和轉(zhuǎn)子是用硅鋼片和其他軟磁材料制成的.定子上共有六個(gè)磁極,每個(gè)磁極上都有許多小齒.在徑向相對(duì)的兩個(gè)磁極上的線圈串聯(lián)起來組成一相繞組,沿周圍也有許多小齒.根據(jù)工作要求,定子磁極上的小齒的齒距與轉(zhuǎn)子磁極上的小齒必須相等,而且轉(zhuǎn)子上齒數(shù)有一定的限制.1.2工作原理反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是利用凸極轉(zhuǎn)子橫軸阻與直軸不同所產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)。為便于討論,先以一臺(tái)最簡單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例。圖1-3所示為一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),定子有六個(gè)磁極,不帶小齒,相對(duì)的兩個(gè)磁極繞有一相繞組,三相繞組接成星形。轉(zhuǎn)子上沒有繞組,只有四個(gè)齒,定子與轉(zhuǎn)子齒寬相同.當(dāng)A相繞組通電而B,C相繞組不通電時(shí),由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn),因而轉(zhuǎn)子1齒和3齒的軸線與定子A相磁極軸線對(duì)齊,如圖1-4所示.當(dāng)A相繞組斷電,B相繞組通電時(shí),在B相繞組建立的磁場作用下,轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過300,使轉(zhuǎn)子2齒和4齒軸線與B相磁極軸線對(duì)齊,如圖1-5所示.同理,當(dāng)B相繞組斷電,C相繞組通電時(shí),轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過300,使轉(zhuǎn)子1齒和3齒的軸線與C相磁極軸線對(duì)齊.按此順序不斷地使各相繞組輪流通電和斷電,轉(zhuǎn)子就會(huì)逆時(shí)針方向一步一步地轉(zhuǎn)下去.每一步轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角,用θb表示.轉(zhuǎn)子相鄰兩齒軸線間的夾角稱為齒距角,用θt表示.若用Zr表示轉(zhuǎn)子齒數(shù),則θt=3600/Zr.圖1.2三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的三相單三拍運(yùn)行方式上述過程中,如果A相斷電時(shí),不是給B相通電而是給C相通電,則在C相繞組建立的磁場作用下,轉(zhuǎn)子將順時(shí)針轉(zhuǎn)過300,使轉(zhuǎn)子2齒和4齒的軸線與C相磁極軸線對(duì)齊.當(dāng)C相繞組斷電,B相繞組通電時(shí),轉(zhuǎn)子又順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過300,使轉(zhuǎn)子1齒和3齒的軸線與B相軸線對(duì)齊.顯然,按A-C-B-A的順序通電,則轉(zhuǎn)子將按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn).可見,步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向由三相繞組輪流通電的順序決定.步進(jìn)電機(jī)按上述A-B-C-A(或A-C-B-A)的方式運(yùn)行,稱為三相單三拍運(yùn)行方式.”三相”是指步進(jìn)電機(jī)具有三相定子繞組;”單”是指每個(gè)通電狀態(tài)只有一相繞組通電;”三拍”是指經(jīng)過三次切換繞組的通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán),第四次通電時(shí)又重復(fù)第一拍的通電狀態(tài).在這種運(yùn)行方式中,步距角θb=300.三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)除三相單三拍運(yùn)行方式外,還有三相雙三拍與三相單雙六拍運(yùn)行方式.當(dāng)采用三相雙三拍運(yùn)行方式時(shí),每次有兩相繞組同時(shí)通電,其通電順序?yàn)锳B-BC-CA-AB或AC-CB-BA-AC.當(dāng)AB兩相繞組同時(shí)通電時(shí),轉(zhuǎn)子的齒既不與A相磁極軸線對(duì)齊,也不與B相磁極軸線對(duì)齊,其步距角θb=300,與單三拍時(shí)相同.把上述兩種運(yùn)行方式結(jié)合起來,有A-AB-B-BC-C-CA-A或A-AC-C-CB-B-BA-A運(yùn)行方式,即一相與兩相間隔輪流通電,完成一個(gè)循環(huán)有六個(gè)通電狀態(tài).經(jīng)過六個(gè)通電狀態(tài)完成一個(gè)循環(huán),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角,步距角θb=900/6=150（見下圖1-5所示）.可見三相單雙六拍運(yùn)行時(shí)步距角比三相三拍(無論是單三拍還是雙三拍)小一半.因此,同一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)采用不同的通電方式,步距角有兩個(gè)不同的值.如上所述的簡單結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī),三拍運(yùn)行時(shí),θb=300;六拍運(yùn)行時(shí),θb=150.圖1.3三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的三相單雙六拍運(yùn)行方式綜上所述，我們可以得到步進(jìn)電機(jī)步距角和轉(zhuǎn)速關(guān)系式如下：θb=3600/NZr式（1.1）n=60fθb/3600=60f/NZr式（1.2）（1.1）式中：Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；N為運(yùn)行拍數(shù)。（1.2）式中：f為脈沖頻率；Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；N為運(yùn)行拍數(shù)。2步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)行特性反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性根據(jù)各種運(yùn)行狀態(tài)分別闡述。2.1靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電情況的運(yùn)行狀態(tài)稱為靜態(tài)運(yùn)行。電機(jī)定子齒與轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角叫做失調(diào)角，用電角度表示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靜態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子受到的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩叫做靜轉(zhuǎn)矩，通常以使增加的方向?yàn)檎?。步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的關(guān)系叫做矩角特性。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的控制繞組通電狀態(tài)變化一個(gè)循環(huán)，轉(zhuǎn)子正好轉(zhuǎn)過一齒，故轉(zhuǎn)子一個(gè)齒對(duì)應(yīng)電角度為，在步進(jìn)電機(jī)某一相控制繞組通電時(shí)，如果該相磁極下的定子齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊，那么失調(diào)角，靜轉(zhuǎn)矩，如圖7.14a所示；如果定子齒與轉(zhuǎn)子齒未對(duì)齊，即，出現(xiàn)切向磁力，其作用是使轉(zhuǎn)子齒與定子齒盡量對(duì)齊，即使失調(diào)角減小，故為負(fù)值，如圖7.14b所示。如果為空載，那么反應(yīng)轉(zhuǎn)矩作用的結(jié)果是使轉(zhuǎn)子齒與定子齒完全對(duì)齊；如果某相控制繞組通電時(shí)轉(zhuǎn)子齒與定子齒剛好錯(cuò)開，即，轉(zhuǎn)子齒左右兩個(gè)方向所受的磁拉力相等，步進(jìn)電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為0，如圖1-6所示。(a)

(b)

(c)圖2.1

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角呈周期性變化，變化的周期為轉(zhuǎn)子的齒距，也就是電角度。實(shí)踐表明，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系近似為式（2.1）式中為常數(shù)，與控制繞組、控制電流、磁阻等有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)某相繞組通電時(shí)矩角特性如圖1-7所示。圖2.2步進(jìn)電機(jī)的矩角特性步進(jìn)電機(jī)在靜轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)子必然有一個(gè)穩(wěn)定平衡位置，如果步進(jìn)電機(jī)為空載即，那么轉(zhuǎn)子在失調(diào)角處穩(wěn)定，即在通電相，定子齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊的位置穩(wěn)定。在靜態(tài)運(yùn)行情況下，如有外力使轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒，，則在外力消除后，轉(zhuǎn)子在靜轉(zhuǎn)矩的作用下仍能回到原來的穩(wěn)定平衡位置。當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)子齒左右兩邊所受的磁拉力相等而相互抵消，靜轉(zhuǎn)矩，但只要轉(zhuǎn)子向左或向右稍有一點(diǎn)偏離，轉(zhuǎn)子所受的左右兩個(gè)方向的磁拉力不再相等而失去平衡，故是不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。在兩個(gè)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)之間的區(qū)域構(gòu)成靜穩(wěn)定區(qū)，即，如圖1-7所示。矩角特性上靜轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。2.2步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)接入控制繞組的脈沖頻率較低，電機(jī)轉(zhuǎn)子完成一步之后，下一個(gè)脈沖才到來，電機(jī)呈現(xiàn)出一轉(zhuǎn)一停的狀態(tài)，故稱之為步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載（即空載）時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)如圖1-8所示，通電順序?yàn)?，?dāng)相通電時(shí)，在靜轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在相的穩(wěn)定平衡點(diǎn)，顯然圖2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行狀態(tài)失調(diào)角，靜轉(zhuǎn)矩。當(dāng)相斷電，相通電時(shí)，矩角特性轉(zhuǎn)為曲線，曲線落后曲線一個(gè)步距角，轉(zhuǎn)子處在相的靜穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，為矩角特性曲線上的點(diǎn)，此處，轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，停在穩(wěn)定平衡點(diǎn)處，此處又為0。同理，當(dāng)相通電時(shí)，又由轉(zhuǎn)到點(diǎn)，然后停在曲線的穩(wěn)定平衡點(diǎn)處，接下來相通電，又由轉(zhuǎn)到并停在處，一個(gè)循環(huán)過程即為。相通電時(shí)，為靜穩(wěn)定區(qū)，當(dāng)相繞組斷電轉(zhuǎn)到相（圖中）,在換接的瞬間，轉(zhuǎn)子的位置只要停留在此區(qū)域內(nèi)，就能趨向新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)，所以區(qū)域（，）稱為動(dòng)穩(wěn)定區(qū)，顯而易見，相數(shù)增加或極數(shù)增加，步距角愈小，動(dòng)穩(wěn)定區(qū)愈接近靜穩(wěn)定區(qū),即靜、動(dòng)穩(wěn)定區(qū)重疊愈多，步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定性愈好。上面是步進(jìn)電機(jī)空載步進(jìn)運(yùn)行的情況，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶上負(fù)載運(yùn)行時(shí)情況有所不同。帶上負(fù)載后，轉(zhuǎn)子每走一步不再停留在穩(wěn)定平衡點(diǎn)，而是停留在靜轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的點(diǎn)上，如圖1-9中、、、處，，轉(zhuǎn)子停止不動(dòng)。具體分析如下：當(dāng)相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到時(shí)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)距，兩轉(zhuǎn)矩平衡，轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)，相斷電相通電，改變通電狀態(tài)的瞬間，因?yàn)閼T性轉(zhuǎn)子位置來不及變化，于是轉(zhuǎn)到曲線上的點(diǎn)，由于點(diǎn)的靜轉(zhuǎn)矩，故轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)到點(diǎn)，在點(diǎn)轉(zhuǎn)子停止，接下來相通電的運(yùn)轉(zhuǎn)情況類似。一個(gè)循環(huán)的過程為。圖2.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)如果負(fù)載較大，轉(zhuǎn)子未轉(zhuǎn)到曲線、的交點(diǎn)就有，轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，當(dāng)相斷電相通電，轉(zhuǎn)到曲線后，電機(jī)不能作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。顯而易見，步進(jìn)電機(jī)能夠帶負(fù)載作步進(jìn)運(yùn)行的最大值即是兩相矩角曲線交點(diǎn)處的電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩。若增加相數(shù)或拍數(shù)，那么靜動(dòng)穩(wěn)定區(qū)重疊增加，兩相曲線交點(diǎn)升高，最大電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩增加。2.3連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)當(dāng)脈沖頻率較高時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子未停止而下一個(gè)脈沖已經(jīng)到來，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)不是一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，而是呈連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。脈沖頻率升高，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩將減小。主要是因?yàn)轭l率升高時(shí)，脈沖間隔時(shí)間小，由于定子繞組電感有延緩電流變化的作用，控制繞組的電流來不及上升到穩(wěn)態(tài)值。頻率越高，電流上升到達(dá)的數(shù)值也就越小，因而電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也越小。另外，隨著頻率的提高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)鐵芯中的渦流增加很快，也使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩下降。總之步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率的升高而減小，步進(jìn)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)電源脈沖頻率的關(guān)系叫做矩頻特性，如圖1-10所示。圖2.5

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性3步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)3.1步進(jìn)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求A能夠提供幅值足夠,前后沿較好的勵(lì)磁電流.步進(jìn)電機(jī)的控制繞組是一個(gè)鐵心電感線圈,在接通或短開時(shí),電流不能突變.由于過度過程的存在,使得一個(gè)通電周期中,實(shí)際電流的平均值比理想的矩形波小,從而使電機(jī)運(yùn)行時(shí)的輸出力矩較低.另外隨著電機(jī)運(yùn)行頻率提高,每組繞組通電時(shí)間將減少,而過渡過程的時(shí)間常數(shù)不變,常使得繞組電流還沒有來得及達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,就又被切斷,更使電流平均值變小,輸出力矩下降,使得電機(jī)矩頻特性在高頻時(shí)較軟.同理,電機(jī)繞組突然短電時(shí),電流不能立刻消失,而按指數(shù)規(guī)律下降,殘余電流較大.這樣就出現(xiàn)阻礙步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向下一步的過阻尼現(xiàn)象,也使得電機(jī)的輸出力矩和工作頻率下降.因此,除了在步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的盡量減小繞組電感外,還要求驅(qū)動(dòng)電源采取措施,使得供的電流波形盡量接近矩形波,以提高電機(jī)運(yùn)行性能.B本身的功耗小,效率高.為保證步進(jìn)電機(jī)有一定的輸出力矩和快速性,必須使用較高的驅(qū)動(dòng)電壓.此時(shí)為了減小過度時(shí)間常數(shù)并限制勵(lì)磁電流不超過額定值,往往要串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮?這在電機(jī)勵(lì)磁電流不大時(shí)是允許這樣做的,但對(duì)于大功率的電機(jī)時(shí),電阻消耗的功率就太大了.這時(shí),常采用功耗小,效率高,又能加快過度過程的高低壓供電方式.C能穩(wěn)定運(yùn)行.D成本較低且便于維修.3.2常見提高驅(qū)動(dòng)電源的措施圖3.1就是一個(gè)簡單的功率放大驅(qū)動(dòng)電路.圖3.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖中L,r是步進(jìn)電機(jī)一相繞組的電感和電阻,二極管VD和電阻RD組成放電回路,以防止晶體管VT關(guān)斷瞬間繞組反電勢(shì)可能造成管子的擊穿.R0為限流電阻,保證通電后電流穩(wěn)態(tài)值為額定值.電流C稱為加速電容,動(dòng)態(tài)時(shí),利用它的旁路作用,使電機(jī)繞組電流上升加快,改善電流波形的前沿.由于電機(jī)繞組存在電阻L,當(dāng)晶體管VT突然接通后,繞組電流按指數(shù)規(guī)律上升,其時(shí)間常數(shù)為t1=L/R0+L.當(dāng)晶體管VT突然截止時(shí),電流同樣按指數(shù)規(guī)律下降,此時(shí)時(shí)間常數(shù)為t2=L/RD+r.3.3步進(jìn)電機(jī)電源的分類A按供電方式分類(1)單電壓:一般為12V,27V,60V.(2)雙電壓(又稱高低壓切換),高壓采用30V,110V,160V,220V,300V;低壓采用12V,15V.(3)調(diào)頻調(diào)壓供電.B按功率驅(qū)動(dòng)部分所用元件分類(1)大功率晶體管驅(qū)動(dòng).(2)快速晶閘管驅(qū)動(dòng).(3)可關(guān)斷晶閘管驅(qū)動(dòng).(4)混合驅(qū)動(dòng).

4實(shí)現(xiàn)輕負(fù)載時(shí)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)4.1控制要求A通過按鍵控制電機(jī)的正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn).B電機(jī)在正轉(zhuǎn)與制動(dòng),反轉(zhuǎn)與制動(dòng)之間的切換.C電機(jī)在正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn),制動(dòng)三種狀態(tài)之間的任意切換.4.2所需器材35BY48S03型步機(jī)電機(jī)MCS8051單片機(jī)及其簡單的外圍器件電阻若干功率晶體管3個(gè)穩(wěn)壓二極管三只反相器74LS06二極管3只+12V直流電源導(dǎo)線若干計(jì)算機(jī)一臺(tái)(裝有編程軟件)4.3設(shè)計(jì)原理單片機(jī)的p1口控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，只要在一定的時(shí)間控制p1.0,p1.1,p1.2口的輸出情況就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制。其波形情況如下圖4.1所示。圖4.1步進(jìn)電機(jī)控制方式波形顯示驅(qū)動(dòng)電路選用功率三極管作為驅(qū)動(dòng)元件見圖4.2所示。P1.0,p1.1,p1.2三根線按上圖波形依次道通，它們經(jīng)過反相器74LS06提升至+12V，直接接通功率晶體管的基極。功率晶體管的集電極E1,E2,E3分別經(jīng)6Ω限流電阻接到步進(jìn)電機(jī)的A,B,C三個(gè)繞組上。功率晶體管在時(shí)序脈沖的驅(qū)動(dòng)下道通或截至，使步進(jìn)電機(jī)的三個(gè)繞組分別加電和斷電，完成旋轉(zhuǎn)。在本電路中，二極管D1-D6對(duì)功率晶體管起保護(hù)作用。圖4.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4.4正反轉(zhuǎn)控制程序流程圖4.3正反轉(zhuǎn)控制流程圖4.5步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)程序ORG0000HLJMPMAINORG0030HMAIN：MOVA,#00000011BMOVP0,A;給p0口裝入初值CALLANJAN;調(diào)用按鍵子程序ANJAN：JBP1.0,ZHENGZHUAN;調(diào)用正轉(zhuǎn)子程序JBP1.1,FANZHUAN;調(diào)用反轉(zhuǎn)子程序JBP1.2,MAIN;電機(jī)停轉(zhuǎn)，返回主程序RETZHENGZHUAN:MOVA,#00000011BMOVP0,ACALLDELAYMOVA,#00000110BMOVP0,ACALLDELAYMOVA,#00000101BMOVP0,ACALLDELAYCALLANJANJNBpo,ZHENGZHUANFANZHUAN:MOVA,#0000011BMOVP0,ACALLDELAYMOVA,#00000101BMOVP0,ACALLDELAYMOVA,#00000110BMOVP0,ACALLDELAYCALLANJANJNBpo,FANZHUANDELAY:MOVR5,#1;裝入延時(shí)時(shí)間，控制轉(zhuǎn)速M(fèi)OVR7,#100DJNZR7,$DJNZR6,D1DJNZR5,DELAYRET

5步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制以上我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，在空載或輕載時(shí)是不會(huì)失步的，但步進(jìn)電機(jī)力矩是軟特性的，這在負(fù)載較重時(shí)，就有可能會(huì)有失步現(xiàn)象的發(fā)生，這就要求我們可以實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)速的控制。5.1轉(zhuǎn)速控制原理我們只要在其正反轉(zhuǎn)控制的基礎(chǔ)上，將p1.0,p1.1,p1.2口輸出脈沖的頻率改變，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)它轉(zhuǎn)速的控制。本實(shí)驗(yàn)中選用電機(jī)步距角為1.50，控制要求為：A按下S1鍵，電機(jī)啟動(dòng)；B按下S2鍵，電機(jī)停止；C按下S3鍵，電機(jī)速度加1；D按下S4鍵，電機(jī)速度減1.E加減速在25-100轉(zhuǎn)/分分析：電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈需要脈沖數(shù)為：n=3600/1.50=240,則每轉(zhuǎn)一圈要240個(gè)脈沖，若要求25轉(zhuǎn)/分，則每秒要產(chǎn)生脈沖數(shù)為：n1=25/60*240=100。為此我們得出轉(zhuǎn)速與每秒產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)關(guān)系為：N=V/60*240=4V式（5.1）式中V為要控制的速度，Ｎ為所需脈沖個(gè)數(shù)。有了上述關(guān)系我們就不難推出定時(shí)時(shí)間與速度之間的關(guān)系：T=1/N=1/4V式（5.2）若定時(shí)器控制位TMOD=01H，那么定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：X=216-1/4V*foc/12式（5.3）式中foc為晶振頻率。為此我們可以得出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時(shí)器定時(shí)常數(shù)關(guān)系，見下表（表1.2所示）：表1.2步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時(shí)器定器初值設(shè)定表步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時(shí)器定時(shí)常數(shù)關(guān)系速度定時(shí)時(shí)間(us)TH1值TH2值2510000D8F0269615DA71279259DBD5288928DD1F298620DE54308333DF73318064E080……為此我們只要將定時(shí)器的初值寫入表格，利用查表程序就可以完成電機(jī)速度的控制。5.2轉(zhuǎn)速控制程序流程圖5.1轉(zhuǎn)速控制流程圖5.3轉(zhuǎn)速控制程序程序定義如下：START

bit

01H

;起動(dòng)及停止標(biāo)志

MinSpd

EQU25

;起始轉(zhuǎn)動(dòng)速度

MaxSpd

EQU100

;最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度

Speed

DATA23H

;流動(dòng)速度計(jì)數(shù)ORG0000HLJMPDJSDORG0010HLJMPMAINORG0030HMAIN:MOV

SPEED,#MinSpd

;起始轉(zhuǎn)動(dòng)速度送入計(jì)數(shù)器CLR

StartEnd

;停轉(zhuǎn)狀態(tài)MOVTMOD,#00000001BSETBEASETBET1LOOP:

ACALL

KEY

;鍵盤程序

JNB

P0,m_NEXT1

;無鍵繼續(xù)

ACALL

KEYPROC

;否則調(diào)用鍵盤處理程序m_NEXT1:

MOVA,SpeedJBSTART,m_Next2CLRTR1;關(guān)閉電機(jī)

JMPLOOP

ORLP1,#11110000B

m_Next2:

SETBTR1;啟動(dòng)電機(jī)

AJMP

LOOP

;主程序結(jié)束KEYPROC:

MOV

A,B

;獲取鍵值

JB

ACC.0,StartStop

;分析鍵的代碼,某位被按下,則該位為1

JB

ACC.3,KeySty

JB

ACC.1,UpSpd

JB

ACC.2,DowSpd

AJMP

KEY_RET

StartStop:

SETBStartEnd

;啟動(dòng)

AJMP

KEY_RET

KeySty:

CLRStartEnd;停止

AJMP

KEY_RET

UpSpd:

INC

SPEED

MOV

A,SPEED

CJNE

A,#MaxSpd,K1;到了最多的次數(shù)？

DEC

SPEED;是則減去1，保證下次仍為該值

K1:

AJMP

KEY_RET

DowSpd:

DEC

SPEED

MOV

A,SPEED

CJNE

A,#MAXSPD,KEY_RET

;不等（未到最大值），返回

MOVSPEED,#MinSpd;

KEY_RET:

RET

KEY:MOVA,P1MOVB,A

RETDjZS:;定時(shí)器T1用于電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

PUSHACC

PUSHPSW

MOVA,Speed

SUBBA,#MinSpd;減基準(zhǔn)數(shù)

MOVDPTR,#DjH

MOVCA,@A+DPTR

MOVTH1,A

MOVA,Speed

SUBBA,#MinSpd

MOVDPTR,#DjL

MOVCA,@A+D