步進電機的微機控制系統(tǒng)設(shè)計

第一章緒論步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^限制脈沖個數(shù)來限制角位移量，從而達到精確定位的目的；同時可以通過限制脈沖頻率來限制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種限制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)限制。步進電機的現(xiàn)狀步進電動機已成為除直流電動機和溝通電動機以外的第三類電動機。傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。可是在人類社會進入自動化時代的今日，傳統(tǒng)電動機的功能已不能滿意工廠自動化和辦公自動化等各種運動限制系統(tǒng)的要求。為適應(yīng)這些要求，發(fā)展了一系列新的具備限制功能的電動機系統(tǒng)，其中較有自己特點，且應(yīng)用特別廣泛的一類便是步進電動機。步進電動機的發(fā)展與計算機工業(yè)親密相關(guān)。自從步進電動機在計算機外圍設(shè)備中取代小型直流電動機以后，使其設(shè)備的性能提高，很快地促進了步進電動機的發(fā)展。另一方面，微型計算機和數(shù)字限制技術(shù)的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進電動機推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如電加工機床、小功率機械加工機床、測量儀器、光學(xué)和醫(yī)療儀器以及包裝機械等。任何一種產(chǎn)品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡化的過程?，F(xiàn)在，步進電動機的發(fā)展已歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式、混合式和爪極結(jié)構(gòu)的永磁式三類。爪極電機價格便宜，性能指標不高，混合式和磁阻式主要作為高辨別率電動機，由于混合式步進電動機具有限制功率小，運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。最典型的產(chǎn)品是二相8極50齒的電動機，步距角1.8°／0.9°（全步／半步）；還有五相10極50齒和一些轉(zhuǎn)子100齒的二相和五相步進電動機，五相電動機主要用于運行性能較高的場合。到目前，工業(yè)發(fā)達國家的磁阻式步進電動機已極少見。步進電動機最大的生產(chǎn)國是日本，如日本伺服公司、東方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等，特殊是日本東方公司，無論是電動機性能和外觀質(zhì)量，還是生產(chǎn)手段，都堪稱是世界上最好的。現(xiàn)在日本步進電動機年產(chǎn)量（含國外獨資公司）近2億臺。德國也是世界上步進電動機生產(chǎn)大國。德國B.L.公司1994年五相混合式步進電動機專利期滿后，推出了新的三相混合式步進電動機系列，為定子6極轉(zhuǎn)子50齒結(jié)構(gòu)，配套電流型驅(qū)動器，每轉(zhuǎn)步數(shù)為200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步進電動機的辨別率，還可以在此基礎(chǔ)上再10細分，辨別率提高10倍，這是一種很好的方案，充分運用了電流型驅(qū)動技術(shù)的功能，讓三相電動機同時具有二相和五相電動機的性能。2.步進電機的特點步進電動機有如下特點：1.步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，因此，當它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。]2.由步進電動機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既特別簡潔、廉價，又特別牢靠。同時，她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)。3.步進電動機的動態(tài)響應(yīng)快，易與起停、正反轉(zhuǎn)及變速。4.速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)整，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干脆驅(qū)動負載。5.步進電動機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能干脆運用溝通電源和直流電源。6.步進電動機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必需對限制系統(tǒng)和機械負載實行相應(yīng)的措施。7.步進電動機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的實力較差。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，步進電機已廣泛運用在須要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信任性等敏捷限制性高的機械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很簡潔發(fā)覺步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置限制、須要精確操作各項指令動作的敏捷限制性場合步進電機用得最多。3.步進電機的發(fā)展趨勢一.是接著沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必需越來越小，在57、42機座號的電動機應(yīng)用了多年后，現(xiàn)在其機座號向39、35、30、25方向向下延長。瑞士ESCAP公司最近還研制出外徑僅10mm的步進電動機。二.是改圓形電動機為方形電動機。由于電動機采納方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。同樣機座號的電動機，方形的力矩比圓形的將提高30％～40％。三.對電動機進行綜合設(shè)計。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設(shè)計在一起，這樣使其能便利地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的限制性能。四.向五相和三相電動機方向發(fā)展。目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅(qū)動電路比三相電動機困難，因此三相電動機系統(tǒng)的性能價格比要比五相電動機更好一些。4.本論文的主要工作實現(xiàn)單片機對步進電機進行限制。單片機發(fā)出脈沖信號限制步進電機的啟動﹑停止及單三拍雙三拍運行。通過編程，單片機能夠?qū)崿F(xiàn)對步進電機正反兩個方向運行的限制。雖然，步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象一般的直流電機，溝通電機在常規(guī)下運用。它必需由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成限制系統(tǒng)方可運用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等很多專業(yè)學(xué)問。其次章步進電動機的相關(guān)學(xué)問2.1步進電動機的分類和結(jié)構(gòu)1.步進電動機的分類步進電動機可分為3大類。（1）反應(yīng)式步進電動機（variablereluctance,簡稱VR）反應(yīng)式步進電動機的轉(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)簡潔，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。（2）永磁式步進電動機（permanentmagnet,簡稱PM）永磁式步進電動機的的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。它的輸出轉(zhuǎn)距大，動態(tài)性能好。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。需供應(yīng)正負脈沖信號。（3）混合式步進電動機（hybrid,簡稱HB）混合式步進電動機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，它的輸出轉(zhuǎn)距大，動態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)困難，成本較高。由于反應(yīng)式步進電動機的性能價格比比較高，因此這種步進電動機應(yīng)用的特別廣泛，在單片機系統(tǒng)中尤其大量運用。2.反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)圖2-1是一個三相反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，它分成轉(zhuǎn)子和定子兩部分。定子是由硅鋼片疊成的。定子上有6個磁極（大極），每2個相對的磁極（N，S極）組成一對，共有3對。每對磁極都纏有同一繞組，也即形成一相，這樣3對磁極有3個繞組，形成三相。每個磁極的內(nèi)表面都分布著多個小齒，它們大小相同，間距相同。轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，其外表面也勻稱分布著小齒，這些小齒與定子磁極上的小齒的齒距相同，形態(tài)相像。由于小齒的齒距相同，所以不管是定子還是轉(zhuǎn)子，它們的齒距角都可以由下式來計算：ΘZ=2π/Z（2—1）式中Z——轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。例如，假如轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為40，則齒距角為ΘZ=2π/40=9°反應(yīng)式步進電動機運動的動力來自于電磁力。在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子被強行推動到最大磁導(dǎo)率（或者最小磁阻）的位置（如圖2-2（a）所示，定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對齊的位置），并處于平衡狀態(tài)。對三相步進電動機來說，當某一相的磁極處于最大磁導(dǎo)位置時，另外兩相必需處于非最大磁導(dǎo)位置（如圖2-2（b）所示，定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒不對齊的位置）。圖2—1三相反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)圖2—2定子齒與轉(zhuǎn)子齒間磁導(dǎo)現(xiàn)象我們把定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對齊的狀態(tài)稱為對齒；把定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒不對齊的狀態(tài)稱為錯齒。錯齒的存在是步進電動機能夠旋轉(zhuǎn)的前提條件，所以，在步進電動機的結(jié)構(gòu)中必需保證有錯齒存在，也就是說，當某一相處于對齒狀態(tài)時，其他相必需處于錯齒狀態(tài)。我們接著上例。假如轉(zhuǎn)子有40個齒，則轉(zhuǎn)子的齒距角為9°，因為定子的齒距角與轉(zhuǎn)子相同，定子的齒距角也是9°。所不同的是，轉(zhuǎn)子的齒是圓周分布的，而定子的齒只分布在磁極上，屬于不完全齒。當某一相處于對齒狀態(tài)時，該相磁極上定子的全部小齒都與轉(zhuǎn)子上的小齒對齊。三相步進電動機的每一組磁極在空間上相差120°。假如當前A相處于對齒狀態(tài)，以A相位置作為參考點，B相與A相相差120°，C相與A相相差240°。下面我們可以計算當A相處于對齒狀態(tài)時，B、C兩相的錯齒程度。圖2—3A相對齒時B、C相的錯齒將A相磁極中心線看成0°，在0°處的轉(zhuǎn)子齒為0號齒，則在120°處的B相磁極中心線上對應(yīng)的轉(zhuǎn)子齒號為120°/9°=13.3，即B相磁極中心線處于轉(zhuǎn)子第13號齒再過1/3齒距角的地方，如圖2-3所示。這說明白B相錯了1/3個齒距角，也即錯齒3°。同理，與A相相差240°的C相磁極中心線上對應(yīng)的齒號為240°/9°=26.6，即C相磁極中心線處于轉(zhuǎn)子第26號齒再過2/3齒距角的地方，如圖2-3所示。這說明C相錯齒6°。2.2反應(yīng)式步進電動機的工作原理1.反應(yīng)式步進電動機的步進原理假如給處于錯齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（或磁阻最?。┑奈恢棉D(zhuǎn)動，即向趨于對齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動。步進電動機就是基于這一原理轉(zhuǎn)動的。圖2—4步進電動機的步進原理步進電動機的過程也可通過圖2-4進一步說明。當開關(guān)K合上時，A相繞組通電，使A相磁場建立。A相定子磁極上的齒與轉(zhuǎn)子的齒形成對齒，同時，B相，C相上的齒與轉(zhuǎn)子形成錯齒。將A相斷電，同時將K合上，使處于錯1/3個齒距角的B相通電，并建立磁場。轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，向與B相成對齒的位置轉(zhuǎn)動。其結(jié)果是：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動了1/3個齒距角；B相與轉(zhuǎn)子形成對齒；C相與轉(zhuǎn)子錯1/3個齒距角；A相與轉(zhuǎn)子錯2/3個齒距角。相像地，在B相斷電的同時，合開關(guān)K給C相通電建立磁場，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)動了1/3個齒距角，與C相形成對齒，并且A相與轉(zhuǎn)子錯1/3個齒距角，B相與轉(zhuǎn)子錯2/3個齒距角。當C相斷電，再給A相通電時，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)動了1/3個齒距角，與A相形成對齒，與B，C兩相形成錯齒。至此，全部的狀態(tài)與最初時一樣，只不過轉(zhuǎn)子累計轉(zhuǎn)過了一個齒距?？梢姡捎诎碅—B—C—A依次輪番給各相繞組通電，磁場按A—B—C方向轉(zhuǎn)過了360°，轉(zhuǎn)子則沿相同方向轉(zhuǎn)過一個齒距角。同樣，假如變更通電依次，即按與上面相反的方向（A—C—B—A的依次）通電，則轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向也變更。假如對繞組通電一次的操作稱為一拍，那么前面所述的三相反應(yīng)式步進電動機的三相輪番通電就須要三拍。轉(zhuǎn)子每拍走一步，轉(zhuǎn)一個齒距角須要3步。轉(zhuǎn)子走一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角ΘN，可用下式計算ΘN=ΘZ/N=2π/NZ（2—2）式中N——步進電動機工作拍數(shù)。例如，對于轉(zhuǎn)子有40個齒的三相步進電動機來說，轉(zhuǎn)過一個齒距角相當于轉(zhuǎn)過9°，共用了3步，每換相一次走一步，這樣每步走了3°，步距角為3°。從以上分析可知，反應(yīng)式步進電動機對結(jié)構(gòu)的要求是：=1\*GB3①定子繞組磁極的分度角（如三相的120°和240°）不能被齒距角整除，否則無法形成錯齒；=2\*GB3②定子繞組磁極的分度角被齒距角除后所得的余數(shù)，應(yīng)是步距角的倍數(shù)，而且倍數(shù)值與相數(shù)不能有公因子，否則無法形成對齒。2.單三拍工作方式三相步進電動機假如按A——B——C——A方式循環(huán)通電工作，就稱這種工作方式為單三拍工作方式。其中“單”指的是每次對一個相通電；“三拍”指的是磁場旋轉(zhuǎn)一周須要換相3次，這時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距角。假如對多相步進電動機來說，每次只對一相通電，要使磁場旋轉(zhuǎn)一周就須要多拍。以單三相工作方式工作的步進電動機，其步距角按式（2-2）計算。在用單三拍方式工作時，各相通電的波形如圖2-5所示。其中電壓波形是方波，而電流波形則是由兩段指數(shù)曲線組成。這是因為受步進電動機繞組電感的影響，當繞組通電時，電感阻擋電流的快速變更；當繞組斷電時，儲存在繞組中的電能通過續(xù)流二極管放電。電流的上升時間取決于回路中的時間常數(shù)。我們希望繞組中的電流也能像電壓一樣突變，這一點與其他電動機不同，因為這樣會使繞組在通電時能快速建立磁場，斷電時不會干擾其他相磁場。為了達到這一目的可以有很多方法。在續(xù)流二極管回路中串聯(lián)一個電阻是其中一種有效的方法。它可以在繞組斷電時，通過續(xù)流二極管將儲存在繞組中的電能消耗在電阻上，表現(xiàn)為電流波形下降的速度加快，下降時間減小。3.雙三拍工作方式三相步進電動機的各相除了采納單三拍方式通電工作外，還可以有其他通電方式。雙三拍是其中之一。圖2—5單三拍工作方式時的相電壓、電流波形雙三相的工作方式是：每次對兩相同時通電，即所謂“雙”；磁場旋轉(zhuǎn)一周須要換相3次，即所謂“三拍”，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距角，這與單三拍是一樣的。在雙三拍工作方式中，步進電動機正轉(zhuǎn)的通電的依次為：AB—BC—CA；反轉(zhuǎn)的通電依次為：BA—AC—CB。因為在雙三拍工作方式中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距角須要的拍數(shù)也是“三拍”，所以。它的步距角與單三拍時一樣，仍舊用式（2-2）求得。在用雙三拍方式工作時，各相通電的波形如圖2-6所示。由圖可見，每一拍中，都有兩相通電，每一相通電時時間都持續(xù)兩拍。所以，雙三拍通電的時間長，消耗的電功率大，當然，獲得的電磁轉(zhuǎn)距也大。圖2—6雙三拍工作方式時的相電壓、電流波形雙三拍工作時，所產(chǎn)生的磁場形態(tài)與單三拍時不一樣，如圖2-7所示。圖2—7雙三拍工作時的磁場狀況B圖2—8雙三拍時轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置與單三拍另一個不用之處是：雙三拍工作時的磁導(dǎo)率最大位置并不是轉(zhuǎn)子處于對齒的位置。當AB兩相通電時，最大磁導(dǎo)率的位置是轉(zhuǎn)子齒與A，B兩相磁極的齒分別錯1/6個齒矩角的位置，此時轉(zhuǎn)子齒與C相錯1/2個齒距角，如圖2-8（a）所示。也就是說，在最大磁導(dǎo)率位置時，沒有對齒存在。在這個位置，A和B′（或A′和B）兩個磁極所產(chǎn)生的磁場，使定子與轉(zhuǎn)子相互作用的電磁轉(zhuǎn)距大小相等，方向相反，使轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)。同樣，當BC兩相通電時，平衡位置是轉(zhuǎn)子齒與B，C兩相磁極的齒分別錯1/6個齒矩角的位置，如圖2-8（b）所示；當CA兩相通電時，平衡位置是轉(zhuǎn)子齒與C，A兩相磁極的齒分別錯1/6個齒距角的位置，如圖2-8（c）所示。雙三拍方式還有一個優(yōu)點，這就是不易產(chǎn)生失步。這是因為當兩相通電后，由圖2-6和圖2-8可見，兩相繞組中的電流幅值不同，產(chǎn)生的電磁力作用方向不同。所以，其中一相產(chǎn)生的電磁力起了阻尼作用。繞組中電流越大，阻尼作用就越大。這有利于步進電動機在低頻區(qū)的工作。而單三拍由于是單相通電勵磁，不會產(chǎn)生阻尼作用，因此當工作在低頻區(qū)時，由于通電時間長而使能量過大，易產(chǎn)生失步現(xiàn)象。2.3步進電動機的特性1.步進電動機的振蕩，失步及解決方法步進電動機的振蕩和失步是一種普遍存在的現(xiàn)象，它影響應(yīng)用系統(tǒng)的正常運行，因此要盡力避開。下面對振蕩和失步的緣由進行分析，并給出解決方法。1.振蕩步進電動機的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于：步進電動機工作在低頻區(qū)；步進電動機工作在共振區(qū)；步進電動機突然停車時。當步進電動機工作在低頻區(qū)時，由于勵磁脈沖間隔的時間較長，步進電動機表現(xiàn)為單步運行。當勵磁起先時，轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下加速轉(zhuǎn)動。在到達平衡點時，電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為零，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最大，由于慣性，轉(zhuǎn)子沖過平衡點。這時電磁力產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在負轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)速漸漸為零，并起先反向轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)過平衡點后，電磁力又產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，迫使轉(zhuǎn)子又正向轉(zhuǎn)動。如此下去，形成轉(zhuǎn)子圍繞平衡點的振蕩。由于有機械摩擦和電磁阻尼的作用，這個振蕩表現(xiàn)為衰減振蕩，最終穩(wěn)定在平衡點。當步進電動機工作在共振區(qū)時，步進電動機的脈沖頻率接近步進電動機的振蕩頻率?0或振蕩頻率的分頻或倍頻，這會使振蕩加劇，嚴峻時造成失步。振蕩失步的過程可描述如下：在第1個脈沖到來后，轉(zhuǎn)子經(jīng)驗了一次振蕩。當轉(zhuǎn)子回擺到最大幅值時，恰好第2個脈沖到來，轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩為負值，使轉(zhuǎn)子接著回擺。接著第3個脈沖到來，轉(zhuǎn)子受正電磁轉(zhuǎn)矩的作用回到平衡點。這樣，轉(zhuǎn)子經(jīng)過3個脈沖仍舊回到原來位置，也就是丟了3步。當步進電動機工作在高頻區(qū)時，由于換相周期短，轉(zhuǎn)子來不及反沖。同時，繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)子沒有獲得足夠的能量，所以在這個工作區(qū)中不會產(chǎn)生振蕩。減小步距角可以減小振蕩幅值，以達到減弱振蕩的目的。2.失步步進電動機的失步緣由有2種。第1種是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢于旋轉(zhuǎn)磁場的速度，或者說慢于換相速度。例如，步進電動機在啟動時，假如脈沖的頻率較高，由于電動機來不及獲得足夠的能量，使其無法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場的速度，所以引起失步。因此，步進電動機有一個啟動頻率，超過啟動頻率啟動時，確定會產(chǎn)生失步。留意，啟動頻率不是一個固定值，提高電動機的轉(zhuǎn)矩，減小負載轉(zhuǎn)動慣量，減小步距角都可以提高步進電動機的啟動頻率。第2種是轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場的速度。這主要發(fā)生在制動和突然換向時，轉(zhuǎn)子獲得過多的能量，產(chǎn)生嚴峻的過沖，引起失步。3.阻尼方法消退振蕩是通過增加阻尼的方法來實現(xiàn)的，主要有機械阻尼法和電子阻尼法兩大類。其中機械阻尼法比較單一，就是在電動機軸上加阻尼器。電子阻尼法則有多種。=1\*GB2⑴多相勵磁法前面介紹過，采納多相勵磁會產(chǎn)生電磁阻尼，會減弱或消退振蕩現(xiàn)象。例如，三相步進電動機的雙三拍和六拍方式。=2\*GB2⑵變頻勵磁法步進電動機在高頻和在低頻時轉(zhuǎn)子所獲得的能量不一樣。在低頻時，繞組中的電流上升時間長，轉(zhuǎn)子獲得的能量大，因此簡潔產(chǎn)生振蕩；在高頻時則相反。所以，可以設(shè)計一種電路，使電壓隨頻率的降低而減小，這樣使繞組在低頻時的電流減小，可以有效地消退振蕩。=3\*GB2⑶細分步法細分步法是將步進電動機繞組中的穩(wěn)定電流分成若干階段，每進一步時，電流升一級，同時，也相對地提高步進頻率，使步進過程平穩(wěn)進行。=4\*GB2⑷反相阻尼法這種方法用于步進電動機制動。在步進電動機轉(zhuǎn)子要過平衡點之前，加一個反向作用力去平衡慣性力，使轉(zhuǎn)子到達平衡點時速度為零，實現(xiàn)精確制動。例如，三相步進電動機工作在單三拍，目前正處于B拍，并希望它停在C拍，則限制換相為B——C——B——C。第2個B拍就是起平衡慣性力作用的，而不是讓電動機走一步。2.步進電動機的矩角特性把轉(zhuǎn)子處于平衡點的位置稱為零位。在勵磁狀態(tài)不變的狀況下，假如讓轉(zhuǎn)子離開零位，轉(zhuǎn)子偏離零位線的夾角稱為失調(diào)角Θe。失調(diào)角Θe是在齒矩角ΘZ范圍內(nèi)變更的，為了表示便利，將齒矩角的范圍看成2π，失調(diào)角就用相對于2π來表示。例如，Θe=1/4ΘZ，則可表示為Θe=π/2或Θe=-π/2。由于轉(zhuǎn)子偏離零位，也就是有失調(diào)角產(chǎn)生，因此就有電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩的大小與失調(diào)角的大小有關(guān)，它們之間的關(guān)系就稱為步進電動機的矩角特性。下面我們來分析電磁轉(zhuǎn)矩沿失調(diào)角的分布。1.單相通電時當失調(diào)角Θe=0時，轉(zhuǎn)子位于零位，定子齒與轉(zhuǎn)子齒之間雖然有電磁力存在，但電磁力在轉(zhuǎn)子的切線方向上沒有分力，所以轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動，如圖2-10（a）所示。假如轉(zhuǎn)子偏離零位，就有失調(diào)角存在，電磁力在轉(zhuǎn)子的切線方向就產(chǎn)生分力，因而形成轉(zhuǎn)矩。隨著失調(diào)角的增加（順時針為正），產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距增大。當Θe=π/2時，轉(zhuǎn)矩最大。轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針的，如圖2-10（b）所示，所以是負轉(zhuǎn)矩。當Θe=π時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個定子齒之間，轉(zhuǎn)子齒受到兩個定子齒的電磁力，在切線方向上受的分力保持平衡，如圖2-10（c）所示，所以轉(zhuǎn)子受的轉(zhuǎn)矩為0。當Θe＞π時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到下一個定子齒旁邊，受該定子齒的作用，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，如圖2-10（d）所示。當Θe=2π時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到新的零位，受的轉(zhuǎn)矩為0。再轉(zhuǎn)下去，就進入下一個循環(huán)。圖2—10電磁轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角的變更依據(jù)步進電動機的轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角的這種變更規(guī)律，可用曲線來表示，其曲線形態(tài)近似正弦曲線，如圖2-11所示。其中Tmax是最大轉(zhuǎn)距，它表示了步進電動機承受負載的實力，它是步進電動機最主要的性能指標之一。圖2—11步進電機的矩角特性2.多相通電時依據(jù)疊加原理，多相通電時的距角特性可近似地由每相單獨通電時的矩角特性疊加求出。以三相步進電動機雙三拍方式為例，A，B兩相單獨通電時的矩角特性如圖2-12所示，兩條曲線相位差120°，最大轉(zhuǎn)矩分別為TA、TB。A，B兩相的矩角特性曲線疊加，就可以得到AB同時通電時的矩角特性曲線，其最大轉(zhuǎn)矩為TAB。由圖2-12可見，對于三相步進電動機來說，兩相通電時的最大轉(zhuǎn)矩與單相通電時的最大轉(zhuǎn)矩相同，也就是說，三相步進電動機不能靠增加通電相數(shù)來提高最大轉(zhuǎn)矩。圖2-12三相步進電機單相、雙向通電時的矩角特性3.單步運行與最大負載實力步進電動機的矩角特性告知我們，轉(zhuǎn)矩是隨失調(diào)角而變更的，它不是一個固定值。那么，這樣變更的轉(zhuǎn)矩是怎樣驅(qū)動負載的呢？下面我們來進行分析。圖2-13是三相步進電動機單三拍方式時運行的矩角特性。曲線A是A相通電時轉(zhuǎn)矩的變更曲線。假如此時送入一個限制脈沖，切換為B相繞組通電，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個步距角ΘN（1/3個齒距角，相當于失調(diào)角120°的量），轉(zhuǎn)矩的變更規(guī)律為曲線B。很明顯，步進運行所能供應(yīng)連續(xù)的最大驅(qū)動負載轉(zhuǎn)矩為A，B兩條曲線的交點縱坐標，即Tq。只有當負載轉(zhuǎn)矩TL＜Tq時，步進電動機才能帶動負載作步進運動。因此,Tq被稱為最大負載轉(zhuǎn)矩或啟動轉(zhuǎn)矩。圖2—13三相步進電機單三拍運行時的矩角特性明顯，步距角越小，A，B兩條曲線的交點越上移，也就是Tq越接近Tmax，步進電動機帶負載實力越大。所以，減小步距角有利于提高步進電動機的帶負載實力。3.步進電動機的矩頻特性步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與限制脈沖頻率之間的關(guān)系稱為矩頻特性。圖1-14是矩頻特性曲線的一個例子。由圖可見，步進電動機的矩頻特性曲線是一條下降曲線。它以最大負載轉(zhuǎn)矩（啟動轉(zhuǎn)矩）Tq作為起點，隨著限制脈沖頻率?漸漸增加，步圖2—14步進電動機的矩頻特性進電動機的轉(zhuǎn)速逐步上升，而步進電動機的帶負載實力卻逐步下降。圖2—15步進電動機的驅(qū)動電路步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩隨頻率上升而下降的緣由可以這樣說明：由于有繞組電感的影響，繞組中電流的波形如圖2-5所示，電流的上升須要確定時間。以圖2-15的驅(qū)動電路為例，電流上升時驅(qū)動電路的時間常數(shù)てa為てa=L/Ra（2—4）式中L——繞組的電感Ra——通電回路的總電阻，包括繞組線圈電阻，限流電阻R1和晶體管電阻。電流下降時放電回路的時間常數(shù)てb為てb=L/Rb(2—5)式中Rb——放電回路的總電阻，包括繞組線圈電阻，耗能電阻R2和續(xù)流二極管結(jié)電阻。由于時間常數(shù)的存在，繞組中的電流上升和下降都須要確定的時間。當脈沖頻率較低時，繞組中通電的周期較長，電流的平均值較大，電動機獲得的能量較高，因此能維持較高的轉(zhuǎn)矩；當脈沖頻率較高時，繞組中通電的周期較短，電流的平均值較小，電動機獲得的能量較少，因此轉(zhuǎn)矩下降。另外，隨著頻率上升，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升，在定子繞組中產(chǎn)生的附加旋轉(zhuǎn)電勢使電動機受到更大的阻尼轉(zhuǎn)矩，鐵芯的渦損也增加。這些都是使步進電動機輸出轉(zhuǎn)矩下降的因素。矩頻特性曲線上的凹陷可看成是步進電動機的共振區(qū)。由于共振消耗確定的能量，使轉(zhuǎn)矩下降。為了提高矩頻特性的高頻性能，可用如下方法：=1\*GB2⑴減小時間常數(shù)由式（2-4）可以看出，增加電阻Ra可以減小時間常數(shù)；但增加Ra會使通電回路中電流值減小，所以，為了保證通電回路中的電流不變，在增加電阻Ra的同時，還要提高電源電壓。=2\*GB2⑵改進工作方式采納多相勵磁的工作方式，例如，三相步進電動機的雙三拍。由圖2-6和圖2-9可見，多相勵磁工作方式使每一相通電的時間延長了，電動機就能獲得較多的能量，使高頻時輸出的轉(zhuǎn)矩增加。2.4步進電動機的驅(qū)動通過前面的原理介紹，我們知道了步進電動機運用脈沖電源工作。脈沖電源的獲得可通過2-15來說明。開關(guān)管T是依據(jù)限制脈沖的規(guī)律“開”和“關(guān)”，使直流電源以脈沖方式向繞組L供電。這一過程我們稱它為步進電動機的驅(qū)動。步進電動機的驅(qū)動方式有多種，我們可以依據(jù)實際須要來選用。下面就逐個介紹它們的工作原理。1.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潔。圖1-15就是一個例子，它只有一個電源V。電路中的限流電阻確定了時間常數(shù)，但太大會使繞組供電電流減小。這一沖突不能解決時，會使電動機的高頻性能下降?？稍赗1兩端并聯(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在工作中要消耗確定的能量，所以這個電路損耗大，效率低。一般只用于小功率步進電動機的驅(qū)動。2.雙電壓驅(qū)動用提高電壓的方法使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動。雙電壓驅(qū)動有兩種方式：雙電壓法和凹凸壓法。1.雙電壓法雙電壓法的基本思路是：在低頻段運用較低的電壓驅(qū)動，在高頻段運用較高的電壓驅(qū)動。其電路原理如圖2-16所示。當電動機工作在低頻時，給T1低電平，使T1關(guān)斷。這時電動機的繞組由低電壓VL供電，限制脈沖通過T2使繞組得到低壓脈沖電源。當電動機工作在高頻時，給T1高電平，使T1打開。這是二極管D2反向截圖2—16雙電壓驅(qū)動原理圖止，切斷低電壓電源VL，電動機繞組由高電壓VH供電，限制脈沖通過T2使繞組得到高壓脈沖電源。這種驅(qū)動方法保證了低頻段仍舊具有單電壓驅(qū)動的特點，在高頻段具有良好的高頻性能，但仍沒擺脫單電壓驅(qū)動的弱點，在限流電阻R上仍舊會產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。2.凹凸壓法凹凸壓法的基本思路是：不論電動機工作的頻率如何，在繞組通電的起先用高壓供電，使繞組中電流快速上升，而后用低壓來維持繞組中的電流。凹凸壓驅(qū)動電路的原理圖如圖2-17所示。盡管看起來與雙電壓法電路特別相像，但它們的原理有很大的差別。圖2—17凹凸壓驅(qū)動原理圖高壓開關(guān)管T1的輸入脈沖UH與低壓開關(guān)管T2的輸入脈沖UL同時起步，但脈寬要窄的多。兩個脈沖同時使開關(guān)管T1、T2導(dǎo)通，使高電壓VH為電動機繞組供電。這使得繞組中電流i快速上升，電流波形的前沿很陡，如圖2-17所示電流波形。當脈沖UH降為低電平常，高壓開關(guān)管T1截止，高電壓被切斷，低電壓VL通過二極管D2為繞組接著供電。由于繞組電阻小，回路中又沒串聯(lián)電阻，所以低電壓只需數(shù)伏就可以為繞組供應(yīng)較大電流。在低頻工作時，由于繞組通電周期長，簡潔產(chǎn)生能量過剩。因此，在設(shè)計中，可通過計算平均電流的方法，來選擇低電壓值。在高頻工作時，由于繞組通電周期短，可能出現(xiàn)UH與UL脈寬相同。因此，在設(shè)計中，要保證在最高工作頻率工作時，UH的脈寬不要大于UL的脈寬。步進電動機與其他電動機不同，它所標稱的額定電壓和額定電流只是參考值；又因為步進電動機以脈沖方式供電，電源電壓是其最高電壓，而不是平均電壓，所以，步進電動機可以超出其額定值范圍工作。這就是為什么步進電動機可以采納凹凸壓工作的緣由。一般高壓選擇范圍是80-150V，低壓選擇范圍是5-20V。選擇時留意不要偏離步進電動機的額定值太遠。凹凸壓驅(qū)動法是目前普遍應(yīng)用的一種方法。由于這種驅(qū)動在低頻時電流有較大的上沖，電動機低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，運用時要留意。3.斬波驅(qū)動凹凸壓驅(qū)動時，電流波形在高壓與低壓交接處有一個凹陷（如圖2-17所示），這會引起輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)下降。另外，雙電壓也會增加設(shè)備的成本。斬波驅(qū)動會很好地解決這些問題。圖2-18（a）是斬波恒流驅(qū)動的原理圖。T1是一個高頻開關(guān)管。T2開關(guān)管的放射極接一只小電阻R，電動機繞組的電流經(jīng)這個電阻到地，所以這個電阻是電流取樣電阻。比較器的一端接給定電壓Uc，另一端接取樣電阻上的壓降，當取樣電壓為0時，比較器輸出高電平。當限制脈沖Ui為低電平常，T1和T2兩個開關(guān)管均截止；當Ui為高電平常，T1和T2兩個開關(guān)管均導(dǎo)通，電源向繞組供電。由于繞組電感的作用，R上的電壓漸漸上升，當超過給定電壓Uc的值時，比較器輸出低電平，使與門輸出低電平，T1截止，電源被切斷；當取樣電阻上的電壓小于給定電壓時，比較器輸出高電平，與門也輸出高電平，T1又導(dǎo)（a）電路原理圖（b）波形圖圖2—18斬波恒流驅(qū)動原理圖通，電源又起先向繞組供電。這樣反復(fù)循環(huán)，直到Ui為低電平。以上的驅(qū)動過程表現(xiàn)為：T2每導(dǎo)通一次，T1導(dǎo)通多次，繞組的電流波形為鋸齒形，如圖2-18（b）所示。在T2導(dǎo)通的時間里，電源是脈沖式供電（見Ua波形），所以提高了電源效率，并且能有效地抑制共振。由于無需外接影響時間常數(shù)的限流電阻，所以提高了高頻性能；但是，由于電流波形為鋸齒形，將會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。4.細分驅(qū)動進電動機各組繞組的電流是依據(jù)工作方式的節(jié)拍輪番通電的。繞組通電的過程特別簡潔，即通電—斷電反復(fù)進行?，F(xiàn)在我們設(shè)想將這一過程困難化一些，例如，每次通電時電流的幅值并不是一次升到位，而是分成階段，逐個階級地上升；同樣，每次斷電時電流也不是一次降到0，而是逐個階級地下降。假如這樣做會發(fā)生什么現(xiàn)象？我們都知道，電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關(guān)。當通電相的電流并不是立刻升到位，而斷電相的電流并不馬上降為0時，它們所產(chǎn)生的磁場合力，會使轉(zhuǎn)子有一個新的平衡位置，這個新的平衡位置是在原來的步距角范圍內(nèi)。也就是說，假如繞組中電流的波形不再是一個近似方波，而是一個分成N個階級的近似階梯波，則電流每升或降一個階級時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一小步。當轉(zhuǎn)子依據(jù)這樣的規(guī)律轉(zhuǎn)過N個小步時，事實上相當于它轉(zhuǎn)過一個步距角。這種將一個步距角細分成若干小步的驅(qū)動方法，就稱為細分驅(qū)動。細分驅(qū)動使實際步距角更小了，可以大大地提高對執(zhí)行機構(gòu)的限制精度。同時，也可以減小或消退振蕩，噪聲和轉(zhuǎn)矩波動。目前，采納細分技術(shù)已經(jīng)可以將原步距角分成數(shù)百份。實際細分的驅(qū)動電路可分成兩類：一類是采納線性模擬功率放大的方法獲得階梯形電流，這種方法電路簡潔，但功率管功耗大，效率低；另一類的用單片機采納數(shù)字脈寬調(diào)制的方法獲得階梯形電流，這種須要困難的計算來使細分后的步距角勻稱一樣。下面我們介紹一種屬于脈寬調(diào)制法的驅(qū)動電路——恒頻脈寬調(diào)制細分電路，它不須要困難的計算，是目前比較流行的方法。恒頻脈寬調(diào)制細分驅(qū)動限制事實上是在斬波恒流驅(qū)動的基礎(chǔ)上的進一步改進。在斬波恒流驅(qū)動電路中，繞組中電流的大小取決于比較器的給定電壓，在工作中這個給定電壓是一個定植?，F(xiàn)在，用一個階梯電壓來代替這個給定電壓，就可以得到階梯形電流。恒頻脈寬調(diào)制細分驅(qū)動電路如圖2-19（a）所示。單片機是限制主體。它通過定時器TO輸出20kHz的方波，送D觸發(fā)器，作為恒頻信號。同時，輸出階梯電壓的數(shù)字信號到D/A轉(zhuǎn)換器，作為限制信號，它的階梯電壓的每一次變更，都使轉(zhuǎn)子走一細分步。恒頻脈寬調(diào)制細分電路工作原理如下：當D/A轉(zhuǎn)換器輸出的Ua不變時，恒頻信號CLK的上升沿使D觸發(fā)器輸出Ub高電平，使開關(guān)管T1，T2導(dǎo)通，繞組中的電流上升，取樣電阻R2上壓降增加。當這個壓降大于Ua時，比較器輸出低電平，使D觸發(fā)器輸出Ub低電平，T1，T2截止，繞組的電流下降。這使得R2上的壓降小于Ua，比較器輸出高電平，使D觸發(fā)器輸出高電平，T1，T2導(dǎo)通，繞組中的電流重新上升。這樣的過程反復(fù)(a)電路圖（b）波形圖圖2—19恒頻脈寬細分電路及波形進行，使繞組電流的波頂鋸齒形。因為CLK的頻率較高，鋸齒形水紋會很小。當Ua上升突變時，取樣電阻上的壓降小于Ua，電流有較長的上升時間，電流幅值大幅增長，上升了一個階級，如圖2-19（b）所示。同樣，當Ua下降突變時，取樣電阻上的壓降有較長時間大于Ua，比較器輸出低電平，CLK的上升沿即使使D觸發(fā)器輸出1也立刻被清0。電源始終被切斷，使電流幅值大幅下降，降到新的階級為止。以上過程重復(fù)進行。Ua的每一次突變，就會使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個細分步。步進電機的單片機限制步進電動機的驅(qū)動電路依據(jù)限制信號工作，在步進電機的單片機限制中，限制信號由單片機產(chǎn)生。其基本限制作用如下：限制換相依次步進電動機的通電換相依次嚴格依據(jù)步進電動機的工作方式進行。通常我們把通電換相這一過程稱為脈沖安排。例如，三相步進電動機的單三拍工作方式，其各相通電依次為A—B—C，通電限制脈沖必需嚴格依據(jù)這一依次分別限制A，B，C相的通電和斷電。脈沖安排的方法大體上可分為兩種：軟件法和硬件法。由于軟件法在電動機運行過程中，要不停地產(chǎn)生限制脈沖，占用了大量的CPU時間，可能使單片機無法同時進行其它工作（如監(jiān)測等），所以，在本系統(tǒng)中我們采納硬件法，即運用脈沖安排器芯片PMM8713。（2）限制步進電動機的轉(zhuǎn)向通過前面介紹的步進電動機原理我們知道，假如按給定的工作方式正序通電換相，步進電動機就正轉(zhuǎn)，假如按反序通電換相，則電動機就反轉(zhuǎn)。例如，三相步進電動機工作在單三拍方式，通電換相的正序是A—B—C，電動機就正轉(zhuǎn)；假如按反序A—C—B，電動機就反轉(zhuǎn)。這一任務(wù)仍用PMM8713脈沖安排器芯片擔(dān)當。限制步進電動機的速度步進電機的速度限制通過限制單片機發(fā)出的步進脈沖頻率來實現(xiàn)。假如給步進電機發(fā)一個限制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它就會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔時間越短，步進電動機就轉(zhuǎn)的越快。因此，脈沖的頻率確定了步進電動機的轉(zhuǎn)速。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖的頻率，就可以對步進電動機進行調(diào)速。依據(jù)調(diào)速原理，限制步進電動機的速度方法可有兩種。第一種是通過軟件延時的方法，變更延時時間長度就可以變更輸出脈沖的頻率；但這種方法使CPU長時間等待，占用大量機時，沒有好用價值。其次種是通過定時器中斷的方法。在中斷服務(wù)子程序中進行脈沖輸出操作，調(diào)整定時器的定時時間常數(shù)就可以實現(xiàn)調(diào)速。這占用的CPU較少，在各種單片機中都能實現(xiàn)，是一種比較好用的方法。本系統(tǒng)采納其次種方法，為了產(chǎn)生所需的步進脈沖，要依據(jù)給定的脈沖頻率和單片機的機器周期來計算定時常數(shù)。當定時時間到而使定時器產(chǎn)生溢出時發(fā)生中斷，在中斷子程序中進行變更P1.0電平狀態(tài)的操作，從而得到一個方波輸出。變更定時常數(shù)，就可以變更方波的頻率，從而實現(xiàn)調(diào)速。這樣單片機只需供應(yīng)步進脈沖，進行速度和轉(zhuǎn)向限制，因此，CPU的負擔(dān)減輕很多。第四章系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計單片機限制步進電機系統(tǒng)由單片機、步進電機驅(qū)動電源（脈沖安排器和功率驅(qū)動）、步進電機等部分組成，其限制框圖如圖4—1所示。在下圖中由單片機給出脈沖信號，經(jīng)脈沖安排器產(chǎn)生步進電機工作方式所需的各相脈沖信號，功率驅(qū)動電路對脈沖安排回路輸出的弱信號進行放大，產(chǎn)生電機所需的激勵電流。圖4—1步進電機的微機限制框圖本限制系統(tǒng)采納MCS-51系列單片機AT89c51作為處理器。89c51內(nèi)部有4K的可編程EPROM、128字節(jié)的RAM（其中有16個字節(jié)既可作一般的RAM單元運用，又可對128位進行位操作）、21個特殊功能寄存器、2個16位的定時器或計數(shù)器以及一個全雙工串行口，對外有4個端口、32條I/O線，它們都具有位尋址功能，運用及其便利。我們通過89c51的P1.1口輸出信號限制步進電機。系統(tǒng)所用的步進電機為45BF005-I型三相反應(yīng)式步進電機，其工作電壓+27V，靜態(tài)電流為2.5A，步距角為1.5。本系統(tǒng)的驅(qū)動電源用日本Sanyo（三洋）電機公司生產(chǎn)的PMM8713作為步進電機的脈沖安排器。它適用于限制三相和四相步進電機，有3種激勵方式：1相、2相、以及1-2相。輸入方式可選擇單時鐘（加方向信號）和雙時鐘（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時鐘）方式，它具有正反轉(zhuǎn)限制、初始化復(fù)位、原點監(jiān)視、激勵方式監(jiān)視和輸入脈沖監(jiān)視等功能。運用的電源為4~18V，相輸出驅(qū)動實力為20Ma。PMM8713的原理框圖如圖4—2所示。此種集成電路內(nèi)部由時鐘選通、激勵方式限制、可逆環(huán)形計數(shù)器等主要部分構(gòu)成。全部輸入端內(nèi)部都設(shè)有施密特電路，具有很高的抗干擾實力。它采納DIP16封裝，其引腳功能及激勵方式選擇和初始狀態(tài)分別如表4—1所示圖4—2PMM8713原理框圖引腳號符號功能說明1Cu輸入脈沖，正轉(zhuǎn)CW時鐘2CD輸入脈沖，反轉(zhuǎn)CCW時鐘3Ck輸入時鐘（單時鐘方式運用）4U/D方向轉(zhuǎn)換，0—反轉(zhuǎn)，1—正轉(zhuǎn)5EA激勵方式限制，當EA、EB為11對應(yīng)1—2相，00對應(yīng)2相，01，10對應(yīng)1相6EB7φc3/4相選擇，0—3相，1—4相8Vss地9R復(fù)位端10φ1φ1、φ2、φ3、φ4，——4相輸出φ2、φ3、φ4，——3相輸出11φ212φ313φ4續(xù)表4—1：引腳號符號功能說明14EM激勵監(jiān)視；0—1相，1—2相，脈沖表示1—2相激勵15CD輸入脈沖監(jiān)視；輸出與時鐘同步脈沖16VDD正電源表4—1PMM8713引腳功能說明運行時，PMM8713作單級性限制。三相步進電機：1-2相激勵6拍運行；1相或2相激勵3拍運行。四相步進電機；1-2相激勵8拍運行；1相或2相激勵4拍運行。由于PMM8713輸出驅(qū)動電流只有20mA，因此須要外接功率驅(qū)動放大電路。當用微處理器輸出去限制大功率電器時，須要將弱電與強電隔離。這里用光電隔離器進行隔離。我們選用光電隔離器的型號為TLP521—4，功放晶體管的型號為P41C（6A、100V、65W、Ice=3A）。輸出隔離電路的原理圖如圖4—3所示。圖4—3隔離電路原理圖Ui來自脈沖安排器的一個輸出端子，Ui經(jīng)驅(qū)動門以后接到發(fā)光二極管的陰極，+5V電源須要接限流電阻，此電阻一般取值為200Ω、1/4W。當Ui為低電平常，經(jīng)同相驅(qū)動門驅(qū)動后依舊是低電平，二極管導(dǎo)通，從而使光敏晶體管T1導(dǎo)通，步進電動機的一相繞組得電運轉(zhuǎn)。當Ui為高電平常，二極管會因為陽極和陰極都為高電平而截止，光敏晶體管T1就會截止，從而使步進電動機的一相繞組失電而停轉(zhuǎn)。須要強調(diào)指出的是，光電耦合的輸入和輸出部分必需分別采納獨立的電源，假如兩端共用一個電源，則光電耦合的隔離作用就將失去意義。PMM8713作脈沖安排器驅(qū)動步進電機的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4—5所示。這里只加上單脈沖，用來限制步進電機朝一個方向運行。由PMM8713產(chǎn)生的脈沖經(jīng)74LS06反向驅(qū)動放大后，再經(jīng)過TLP521-4光電隔離器隔離，最終驅(qū)動步進電機的繞組。I1，I2，I3是三相步進電機的繞組，T1，T2，T3是晶體管功率放大器。變更來自P1.1腳的脈沖信號的頻率就可以限制PMM8713的輸出脈沖頻率，從而變更步進電機的運行速度。圖4—5系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計在步進電機的微機限制系統(tǒng)中單片機的主要作用是產(chǎn)生脈沖序列。它通過89c51的P1.0發(fā)送脈沖限制步進電機的運行，P1.1限制步進電機的轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)軟件編制采納定時器定時中斷產(chǎn)生周期性脈沖序列，不運用軟件延時，不占用CPU。CPU在非中斷時間內(nèi)可以處理其他事務(wù)，唯有到了中斷時間驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一步。在此，定時器T0的工作方式為方式2，定時周期為16μs，即每秒產(chǎn)生62500次中斷。步進電機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)從A點到B點移動時，要經(jīng)驗升速、恒速和減速的過程。假如啟動時一次將速度升到給定速度，由于啟動頻率超過極限頻率fq，步進電機要發(fā)生失步現(xiàn)象，因此會造成不能正常啟動。假如到終點時突然停下來，由于慣性作用，步進電機會發(fā)生過沖現(xiàn)象，會造成位置精度降低。假如特別緩慢的升降速，步進電機雖然不會產(chǎn)生失步和過沖現(xiàn)象，但影響了執(zhí)行機構(gòu)的工作效率。所以，對步進電機的加減速要有嚴格的要求，那就是在保證不失步和過沖的前提下，用最快的速度（或最短的時間）移動到指定位置。步進電機的運行還可依據(jù)距離的長短分為以下3種狀況處理。短距離由于距離較短，來不及升到最高速。因此，在這種狀況下，步進電機以接近啟動頻率運行，運行過程中沒有加、減速。中、短距離在這樣的距離里，步進電機只有加、減速過程，而沒有恒速過程。中、長距離在這樣的距離里，步進電機不僅有加、減速過程，還有恒速過程。由于距離較長，要盡量縮短用時，保證快速反應(yīng)性。因此，在加速時，盡量用接近啟動頻率啟動，盡量工作在最高速。單片機在用定時器法調(diào)速時，用變更定時常數(shù)的方法來變更輸出的步進脈沖頻率，達到變更轉(zhuǎn)速的目的。對于MCS-51系列單片機，其定時器屬于加1定時器。因此，在步進電機加速時，定時常數(shù)應(yīng)增加；減速時，定時常數(shù)應(yīng)減小。假如采納非線性加、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)速序列所對應(yīng)的定時常數(shù)序列，做成表格存儲在程序存儲器中。在程序運行中，運用查表的方式重裝定時常數(shù)，這樣做比用計算法節(jié)約時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。步進電機工作方式為：三相3拍，它有單三拍和雙三拍兩種運行方式。單三拍運行方式通電依次為：A—B—C—A，假如按上述通電依次，步進電機正向轉(zhuǎn)動；反之，假如通電依次相反，則步進電機反向轉(zhuǎn)動。步進電機正轉(zhuǎn)的勵磁邏輯見表4—2。C相B相A相工作狀態(tài)代碼電機拍數(shù)001A01H0010B02H1100C03H2表4—2步進電機正轉(zhuǎn)勵磁表表中的代碼為01H、02H、03H、也稱為勵磁表。在編制程序時，先將代碼按依次存放進存儲器中，由計算機通過接口依次送出相應(yīng)限制代碼，以便限制步進電機運轉(zhuǎn)。在確定步進電機的轉(zhuǎn)動方向之后，只須要變更給定脈沖的頻率就可變更步進電機的轉(zhuǎn)速?？紤]到要使步進電機平穩(wěn)運行，采納定時器定時地輸出限制脈沖，同時將定時器的中斷優(yōu)先級設(shè)定為最高級別，以保證不論微處理器在執(zhí)行哪段程序。定時時間一到就可以無條件地執(zhí)行脈沖輸出子程序。表4—2中每相為1時，電機運行；為0時，電機停止。其加減速限制程序流程圖見附表一。本程序的資源安排如下：R0——中間寄存器；R1——寄存速度級數(shù)；R2——儲存級步數(shù)；R3——加減速狀態(tài)指針，加速時指向37H，減速時指向3AH；32H至34H——存放確定位置參數(shù)（假設(shè)用三個字節(jié)），低位在前；35H、36H——存放加速總步數(shù)（假設(shè)用兩個節(jié)），低位在前；37H至39H——存放恒速步數(shù)（假設(shè)三個字節(jié)），低位在前；3AH、3BH——存放減速總步數(shù)（假設(shè)用兩個字節(jié)），低位在前；定時常數(shù)序列存放在以ABC為起始地址的ROM中。初始R3=35H，R1、R2都有初始值。程序如下：PUSHACCPUSHPSWPUSHBPUSHDPTLPUSHDPTLSETBRSOJNBP1.0，JAJ10CLREAJNBP1.1，JAJ1MOVR0，#32HINC@ROCJNE@R0,#00H.JAJ2INCR0,INC@R0CJNE@R0,#00H,JAJ2CLRTP0LCALLBAOJINGJAJ1：MOVRO，#32HDEC@ROCJNE@RO,#0FFH,JAJ2INCRODEC@ROCJNE@RO,#0FFH,JAJ2INCRODEC@ROCJNE@RO,#0FFH,JAJ2CLRTROLCALLBAOJINGJAJ2:SETBEACJNER3,#35H,JAJ5MOVR0,#35HDEC@ROCJNE@RO,#0FFH,JAJ3INCRODEC@ROJAJ3:DJNZR2,JAJ4INCR1MOVA,R1MOVB,#NMULABMOVR2,AJAJ4:MOVA,35HORLA,36HJNZJAJ10MOVR3,#37HSJMPJAJ10JAJ5:CJNER3,#37H,JAJ7MOVR0,#37HDEC@ROCJNE@RO,#0FFH,JAJ6INCRODEC@ROCJNE@RO,#0FFH,JAJ6INCRO