步進(jìn)電機(jī)控制
步進(jìn)電機(jī)控制,步進(jìn),電機(jī),機(jī)電,控制,節(jié)制
步進(jìn)電機(jī)原理及使用說(shuō)明
一、前言
???? 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(kāi)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(guò)一個(gè)步距角。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。
???? 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。
???? 目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開(kāi)發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒(méi)有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶(hù)在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例。敘述其基本工作原理。望能對(duì)廣大用戶(hù)在選型、使用、及整機(jī)改進(jìn)時(shí)有所幫助。
二、感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)工作原理
（一）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理
由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。
1、結(jié)構(gòu)：
????? 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(kāi)。
0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開(kāi)1/3て，C與齒3向右錯(cuò)開(kāi)2/3て，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(kāi)圖：
?
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)子向右移過(guò)1/3て，此時(shí)齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。
如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(guò)1/3て，此時(shí)齒4與A偏移為1/3て對(duì)齊。
?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(guò)1/3て
???? 這樣經(jīng)過(guò)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(guò)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）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。
???? 由此可見(jiàn)：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。
???? 不過(guò)，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-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。
??? 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。??
3、力矩：
???? 電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開(kāi)一定角度產(chǎn)生力
F與（dФ/dθ）成正比
S
其磁通量Ф=Br*S??
Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積??????
????????????? F與L*D*Br成正比
????????????? L為鐵芯有效長(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑
????????????? Br=N·I/R
N·I為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。
力矩=力*半徑
力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*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。
（二）感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)
1、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)，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(guò)程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。
????? 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，八相運(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=,D=.
一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(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。
2、分類(lèi)
????? 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(BYG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)。
3、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)
相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。
拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱(chēng)整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱(chēng)半步）。
定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）
靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。
????? 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。
4、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(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：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?xún)?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(chēng)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，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(chēng)為運(yùn)行矩頻特性，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)。如下圖所示：
?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)電流），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。
如下圖所示：
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)。
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。
?8、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：
????? 當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳B-BC-CD-DA或()時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈A-CA-BC-AB或()時(shí)為反轉(zhuǎn)。
三、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成
????? 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：
1、脈沖信號(hào)的產(chǎn)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。
2、信號(hào)分配
????? 我廠生產(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)工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為,步距角為1.8度；二相八拍為,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-DA,(步距角為0.9度）。
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。
????? 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。我廠生產(chǎn)的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：
說(shuō)明：
??? CP????? 接CPU脈沖信號(hào)（負(fù)信號(hào)，低電平有效）
??? OPTO????接CPU+5V
??? FREE?????脫機(jī)，與CPU地線相接，驅(qū)動(dòng)電源不工作
??? 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
??????????接電機(jī)引出線綠線?
???? B???????接電機(jī)引出線黃線
??? ?????? 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：
?4、細(xì)分驅(qū)動(dòng)器
????? 在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿(mǎn)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(guò)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)運(yùn)轉(zhuǎn)的。
四、步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用
（一）步進(jìn)電機(jī)的選擇
????? 步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。
1、步距角的選擇
????? 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。
2、靜力矩的選擇
????? 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）
3、電流的選擇
????? 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）
????? 綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循以下步驟：
??
?
?
4、力矩與功率換算
???? 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下：
??????????????? ? P= Ω·M
????????????????? Ω=2π·n/60
?????????????????? P=2πnM/60
???? 其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米
?????????????? P=2πfM/400(半步工作）
???? 其中f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)PPS)
(二）、應(yīng)用中的注意點(diǎn)
????? 1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過(guò)1000轉(zhuǎn)，（0.9度時(shí)6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。
????? 2、步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。
????? 3、由于歷史原因，只有標(biāo)稱(chēng)為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過(guò)要考慮溫升。
????? 4、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。
????? 5、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。
????? 6、高精度時(shí)，應(yīng)通過(guò)機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用5相電機(jī)，不過(guò)其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說(shuō)法是外行話(huà)。
????? 7、電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過(guò)改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。
????? 8、電機(jī)在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。
??????? 9、應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。
五、其他說(shuō)明
???? 有關(guān)低頻振動(dòng)、升降速、機(jī)械共振、工作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的誤差、平面圓弧X、Y插補(bǔ)誤差以及其他問(wèn)題。具體解決辦法恕不便在此敘述，我廠用戶(hù)可來(lái)電咨詢(xún)，可根據(jù)具體情況解決。
???? 不同廠家的電機(jī)在設(shè)計(jì)、使用材料及加工工藝方面差別很大，選用步進(jìn)電機(jī)應(yīng)注重可靠性而輕性能、重品質(zhì)而輕價(jià)格。
???? 最好采用同一生產(chǎn)廠家的控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。這樣便于最終客戶(hù)的維護(hù)。
一 概述
機(jī)電產(chǎn)品一般由機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，電氣設(shè)備控制機(jī)械的正確運(yùn)作。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，采用單片機(jī)控制機(jī)械系統(tǒng)越來(lái)越普遍，采用微機(jī)控制后不僅提高了生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量也得到了提高，而且使機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“智能”化。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是運(yùn)用微機(jī)控制的典型，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)軟件編程來(lái)控制刀架的換刀，單片機(jī)是整個(gè)部件的核心。在本設(shè)計(jì)中采用CH250芯片硬件環(huán)分，單片機(jī)主要控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，單片機(jī)采用8031并用2764片外存儲(chǔ)器擴(kuò)展，74LS373地址鎖存，8255I/O擴(kuò)展。在該系統(tǒng)中能夠體現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)采用單片機(jī)控制的“智能”性，能判斷最佳的換刀方案。
二 控制原理
自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的控制部分采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，MCS-51系列單片機(jī)控制系統(tǒng)，硬件環(huán)分，由鍵盤(pán)輸入實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要驅(qū)動(dòng)電源對(duì)其各相繞組按照一定的運(yùn)行方式送入脈沖電流，才能正常工作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源一般由變頻信號(hào)源，環(huán)行分配器和功率放大器三部分。
1．總體方案設(shè)計(jì)
當(dāng)車(chē)床發(fā)出換刀指令后將換刀指令及即將使用的刀具的編號(hào)傳送到單片機(jī)系統(tǒng)，再由單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)一定的處理程序判斷電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)就近換刀，當(dāng)確定完電機(jī)的正反轉(zhuǎn)后就調(diào)用其各自的子程序，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由單片機(jī)所用的晶振頻率及電動(dòng)機(jī)每秒鐘運(yùn)行的步數(shù)決定，本設(shè)計(jì)將采用定時(shí)器產(chǎn)生延時(shí)。
2、硬件環(huán)分
由機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為75BF003，分配方式為三相六拍，功率為120w，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1250r/min，步距角1.5°。由于步進(jìn)電機(jī)采用三相六拍分配方式，選用三相步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用的環(huán)行分配器CH250，其工作狀態(tài)如表：
CH250工作狀態(tài)
R1 R2 CL EN J3r J3l J6r J6l 功能
0 0 0 下降沿 0 0 1 0
六拍（1-2相） 正轉(zhuǎn)
0 0 0 下降沿 0 0 0 1 反轉(zhuǎn)
設(shè)計(jì)采用CH250各端口的工作狀態(tài)來(lái)控制電機(jī)，要使電機(jī)正、反轉(zhuǎn)只要改變J6r、J6l的狀態(tài)，
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)子程序：
zz: ；正轉(zhuǎn)子程序(采用循環(huán)嵌套)
mov p1,A
lcall yszcx
loop1: move Rl ,A
mov p1,A
inc R0
cjneR0,#0FFh,yszcx
movR0,#00h
inc R1
cjne R1,#030h,loop1
mov R1,#00h
jxzz: mov p1,A
jxzz1: move Rl, A
mov p1,A
djnz R2,yszcx1
djnz R4,fin
步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)子程序：
fz: ；反轉(zhuǎn)子程序(采用循環(huán)嵌套)
mov p1,A
lcall yszcx
loop3: move Rl ,A ；循環(huán)30ffh次
mov p1,A
inc R0
cjne R0,#0FFh,yszcx
mov R0,#00h
inc R1
cjne R1,#030h,loop3
mov R1,#00h
jxfz: mov p1,A
jxfz1: move Rl, A ；循環(huán)bfh次
mov p1,A
djnz R2,yszcx1
djnz R4,fin
4．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的確定
控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出的步進(jìn)脈沖的頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可以采用兩種辦法來(lái)確定步進(jìn)脈沖的周期，一種是軟件延時(shí)，另一種是用定時(shí)器。軟件延時(shí)的方法是通過(guò)調(diào)用延時(shí)子程序的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，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)。在本設(shè)計(jì)中采用8031內(nèi)的定時(shí)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能。
當(dāng)槽輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)一圈帶動(dòng)轉(zhuǎn)塔軸使刀架轉(zhuǎn)過(guò)45度時(shí)，二級(jí)齒輪傳動(dòng)中的大齒輪剛好轉(zhuǎn)過(guò)一圈。已知傳動(dòng)比為14/65和14/96，步距角為1.5°，因此當(dāng)大齒輪轉(zhuǎn)過(guò)360度時(shí)所需要的脈沖數(shù)為：
n=360°/[1.5°×（14×14）/（65×96）]=7641
電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度為每秒1250步，即為1250pps，則周期為50us，系統(tǒng)采用的晶振頻率為12MHz，則機(jī)器周期為1us。定時(shí)器應(yīng)該每50個(gè)周期停止一次，用定時(shí)器TIMER0來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。由于定時(shí)器實(shí)行加計(jì)數(shù)，因此將50轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制數(shù)為32H，再轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼為FFCEH，在此基礎(chǔ)上加上50即產(chǎn)生溢出。
但由于采用這種定時(shí)程序只能產(chǎn)生不精確的定時(shí)，這是由于從定時(shí)器裝載完成重新啟動(dòng)開(kāi)始到申請(qǐng)中斷共經(jīng)過(guò)50個(gè)機(jī)器周期，而從申請(qǐng)中斷到系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，再到中斷服務(wù)程序中對(duì)定時(shí)器進(jìn)行加載都需要花一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間形成附加的延時(shí)，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度與實(shí)際設(shè)定不相符。因此，為了實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)需要將上述時(shí)間計(jì)算在內(nèi)，所以應(yīng)將定時(shí)器中TL0與TH0兩字節(jié)中已經(jīng)計(jì)入的機(jī)器周期加在裝載值的補(bǔ)碼上，同時(shí)，在裝載過(guò)程中需要停定時(shí)器，裝載完成后再開(kāi)定時(shí)器，實(shí)際的裝載值也應(yīng)當(dāng)將這段時(shí)間算在內(nèi)，經(jīng)計(jì)算可以知道，定時(shí)器需停7個(gè)機(jī)器周期，因此把50的步碼FFCEH加上7后得FFD6H作為裝載值先存在中間單元R6和R7內(nèi)，R6中存低8位，R7中存高八位，程序?yàn)椋?
yszcx: ；延時(shí)子程序,延時(shí)50us
mov Tmod,#01H ；使用方式1
mov TH0,#0FFH ；賦給定時(shí)器的初值
mov TL0,#D6H
setb TR0
loop2:JNB TF0,jxzz1
sjmp loop2
ret setb TR1 ；開(kāi)定時(shí)器
loop:JNB TF0,loop1 ；中斷查詢(xún)
sjmp loop
ret
yszcx1:mov Tmod,#01h
mov TH0,#0FFh
mov TL0,#D6h
setb TR0
setb TR1
4．換刀方向的判斷
當(dāng)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在進(jìn)行換刀時(shí)應(yīng)選擇就近換刀，即當(dāng)前使用的刀具為1#刀時(shí)，若要換成第8#刀則應(yīng)當(dāng)先選擇最近的換刀路線為1#--8#而非1#--2#--3#--4#--5#--6#--7#--8#，因此需要先判斷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，這樣可以節(jié)省換刀時(shí)間，提高效率。
判斷轉(zhuǎn)向子程序?yàn)椋?
zx: ；判斷轉(zhuǎn)向子程序
mov Rl ,A
inc R4
cjne A,30h,zx ；30h的地址空間內(nèi)存放當(dāng)前使用刀具的代碼
mov 30h,31h ；換刀后的當(dāng)前使用刀具
mov A,R4 ；將移位的次數(shù)賦給A
subb A,#04h ；判斷移位的次數(shù)是否大于4次,以判斷正反轉(zhuǎn)
jnz jxfz ；如果移位次數(shù)大于四次則跳轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)子程序
cpl A
add A,#01h
mov R4,A
mov R0,#00h
mov R1,#00h
mov R2,#0bfh
clr c
mov 20h,#0f8h ；電機(jī)a相通電時(shí)p1口的狀態(tài)
mov A,20h
5．鍵盤(pán)掃描子程序：
KEY1：MOV A，#00H
MOV SBUF，A ；使掃描鍵盤(pán)的輸出為00H，使
所有列線為0
KL0：JNB TI，KL0 ；串行輸出完否？
CLR TI ；清0中斷標(biāo)志
KL1：JNB PB.0,PK1 ；第一行鍵中有閉合鍵嗎？如有，跳PK1進(jìn)行處理
JB PB.1,KL1 ；在第二行鍵中有閉合鍵嗎？
PK1：ACALL DL10 ；調(diào)用延時(shí)子程序DL10
JNB PB.0,PK2 ；是否抖動(dòng)引起的？
JB PB.1，KL1
PK2：MOV R7，#04H ；不是抖動(dòng)引起的
MOV R6，#0FEH ；判別是那一個(gè)鍵按下
MOV R3，#00H
MOV A，R6
KL5：MOV SBUF，A
KL2；JNB PB.0，PKONE ；是第一行某鍵否
JB PB.1，NEXT ；是第二行某鍵否
MOV R4，#04H ；第二行鍵中有鍵被按下
AJMP PK3
PKONE：MOV R4，00H ；第一行鍵中有鍵按下
PK3：MOV SBUF，#00H ；等待鍵釋放
KL3：JNB PB.0，KL3
JNB PB.1，KL3
MOV A，R4
ADD A，R3
RET
NEXT：MOV A，R6
RL A
MOV R6，A
INC R3
DJNZ R7，KL5 ；四列鍵都檢查完否？
AJMP KEYI ；掃描完畢，開(kāi)始下一個(gè)掃描周期
DLI0：MOV R7，0AH ；延時(shí)10ms子程序
DL： MOV R6，#0FFH
DL6：DJNZ R6，DL6
DJNZ R7，DL
RET
6．自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架單片機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)
綜上所述，采用單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速的程序?yàn)椋?
org 00f0h
mov R4,#00h
lcall yszcx；r4中將存放刀具轉(zhuǎn)過(guò)工位的個(gè)數(shù)
mov A,31h ；31h的地址空間內(nèi)存放即將換上的刀具的編號(hào)
mov DPTR,#00f0h ；存放刀具代碼的表格的首地址
movc A,@A+DPTR
mov 31h,A ；將即將換上的刀具的代碼存放到31h
clr c
zx: ；判斷轉(zhuǎn)向子程序
mov Rl, A
inc R4
cjne A,30h,zx ；30h的地址空間內(nèi)存放當(dāng)前使用刀具的代碼
mov 30h,31h ；換刀后的當(dāng)前使用刀具
mov A,R4 ；將移位的次數(shù)賦給a
subb A,#04h ；判斷移位的次數(shù)是否大于4次,以判斷正反轉(zhuǎn)
jnz fz ；如果移位次數(shù)大于四次則跳轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)子程序
cpl A
add A,#01h
mov R4,A
mov R0,#00h
mov R1,#00h
mov R2,#0BFh
clr c
mov 20h,#0F8h ；電機(jī)a相通電時(shí)p1口的狀態(tài)
mov A,20h
zz: ；正轉(zhuǎn)子程序(采用循環(huán)嵌套)
mov p1,A
lcall yszcx
loop1: mov Rl ,A
mov p1,A
inc R0
cjne R0,#0FFh,yszcx
mov R0,#00h
inc R1
cjne R1,#D6h,loop1
mov R1,#00h
jxzz: mov p1,A
jxzz1: mov Rl ,A
mov p1,A
djnz R2,yszcx1
djnz R4,fin
yszcx: ；延時(shí)子程序,延時(shí)200us
mov Tmod,#01h ；使用方式1
mov TH0,#0FFh ；賦給定時(shí)器的初值
mov TL0,#D6h
setb TR0
setb TR1 ；開(kāi)定時(shí)器
loop:jnb TF0,loop1 ；中斷查詢(xún)
sjmp loop
ret
yszcx1:mov Tmod,#01h
mov TH0,#0FFh
mov TL0,#D6h
setbTR0
setb TR1
loop2:jnb TF0,jxzz1
sjmp loop2
ret
fz: ；反轉(zhuǎn)子程序(采用循環(huán)嵌套)
mov p1,A
loop3: mov Rl, A ；循環(huán)30ffh次
mov p1,A
inc R0
cjne R0,#0FFh,yszcx
mov R0,#00h
inc R1
cjne R1,#D6h,loop3
mov R1,#00h
jxfz: mov p1,A
jxfz1: mov Rl ,A ；循環(huán)bfh次
mov p1,A
djnz R2,yszcx1
djnz R4,fin
fin: nop
tab: DB 01h,02h,04h,08h,10h,20h,40h,80h
end
7．程序流程圖
8．單片機(jī)的擴(kuò)展
對(duì)于8031單片機(jī)片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，需和鎖存器74LS373、片外程序存儲(chǔ)器（本設(shè)計(jì)采用2764）構(gòu)成單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)。
8031單片機(jī)的擴(kuò)展電路（詳見(jiàn)圖紙0101右部分）
元件列表：
元件名稱(chēng) 型號(hào) 數(shù)量
單片機(jī) 8031KB 1
鎖存器 74LS373 1
程序存儲(chǔ)器 2764 1
9．光電隔離電路的設(shè)計(jì)
為了防止強(qiáng)電干擾及其它干擾信號(hào)通過(guò)I/O控制電路進(jìn)入計(jì)算機(jī)，影響其工作，通常的辦法是首先采用濾波吸收，抑制干擾信號(hào)的產(chǎn)生，然后采用光電隔離的辦法，使微機(jī)與強(qiáng)電部分不共地，阻斷干擾信號(hào)的傳導(dǎo)。光電隔離電路主要由光電藕合器的光電轉(zhuǎn)換元件組成?？刂戚敵鰰r(shí)微機(jī)輸出的控制信號(hào)經(jīng)74LS04非門(mén)反相后，加到光電偶合器的發(fā)光二極管正端。當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，經(jīng)反相后加到發(fā)光二極管正端的電平為低電平，因此發(fā)光二極管不導(dǎo)通，沒(méi)有光發(fā)出，這時(shí)光敏三極管截止，輸出信號(hào)幾乎等于加在光敏三極管集電極的電源電壓。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，光敏三極管接收發(fā)光二極管發(fā)出的光導(dǎo)通，于是輸出的電平幾乎為零。信息通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，單向傳遞，又由于光電偶合器輸入與輸出之間的絕緣電阻非常大，寄生電容很小，因此干擾信號(hào)很難從輸出端反饋到輸入端，從而起到隔離作用。在自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架控制電路中使用光電隔離可以防止強(qiáng)電對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的干擾，提高了電路的可靠性。本設(shè)計(jì)共采用了四套光電隔離電路。
光電耦合電路圖（圖紙部分）所示
元件列表：
元件名稱(chēng) 型號(hào)（大?。?數(shù)量
非門(mén) 74LS04 3
發(fā)光二極管 3
光敏三極管 3
電阻1 1KΩ 3
電阻2 3.3KΩ 3
10．驅(qū)動(dòng)電路的選擇
根據(jù)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀時(shí)間及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)可知其運(yùn)行頻率較高，因此需采用性能較好的功率放大電路。本設(shè)計(jì)采用高低壓功率放大電路（電路圖圖紙左下角部分）。
采用脈沖變壓器TI組成的高壓控制電路原理圖。無(wú)脈沖輸入是，VT1、VT2、VT3、VT4均截止，電動(dòng)機(jī)繞組W無(wú)電流通過(guò)，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。有脈沖輸入時(shí)，VT1、VT2、VT3、VT4飽和導(dǎo)通，在VT2由截止到飽和期間，其集電極電流，也就是脈沖變壓TI的一次電流急劇增加，在變壓器二次側(cè)感生一個(gè)電壓，使VT3飽和導(dǎo)通，60V的高壓經(jīng)高壓管VT3加到繞組W上，使電流迅速上升，當(dāng)VT2進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，TI一次側(cè)電流暫時(shí)恒定，無(wú)磁通量變化，二次側(cè)的感應(yīng)電壓為零，VT3截止。這時(shí)，12V低壓電源經(jīng)VD1加到電動(dòng)機(jī)繞組W上并維持繞組中的電流。輸入脈沖結(jié)束后VT1、VT2、VT3、VT4又都截止，儲(chǔ)存在W中的能通過(guò)18Ω的電阻和VD2放電，18Ω電阻的作用是減小放電電路回路的時(shí)間常數(shù)，改善電流波形的后沿。該電路由于采用高壓驅(qū)動(dòng)，電流增長(zhǎng)加快，脈沖電流的前沿變陡，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距和運(yùn)行頻率都得到了提高。
元件列表：
元件名稱(chēng) 型號(hào)（大小） 數(shù)量
三極管1 VT 9
三極管2 2SB566 3
二極管 VD 15
限流電阻 12Ω 3
續(xù)流電阻 3
電阻1 100Ω 3
電阻2 1KΩ 3
三設(shè)計(jì)總結(jié)
機(jī)電一體化產(chǎn)品是機(jī)與電的有機(jī)結(jié)合，執(zhí)行部件需要機(jī)械的組合，而機(jī)械的運(yùn)作需要電的控制，全面了解機(jī)電一體化產(chǎn)品即要懂電又要懂機(jī)，更重要的是懂得機(jī)與電的綜合運(yùn)用。隨著科技的發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架就是其中的典型，采用八工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架不僅減少換刀時(shí)間，同時(shí)也提高了對(duì)刀的精度，減輕了勞動(dòng)者勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)率。
此次長(zhǎng)達(dá)五個(gè)星期的課設(shè)，包括機(jī)械部分設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)控制部分設(shè)計(jì)，兩部分的結(jié)合即為一個(gè)完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)面對(duì)的困難也不少，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用了機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子技術(shù)等多方面的知識(shí)，靈活運(yùn)用他們對(duì)于初級(jí)者是比較困難的，需要花很多時(shí)間熟悉各個(gè)部分以便靈活運(yùn)用，剛開(kāi)始由于面對(duì)的困難多，不能沉著思考，容易浮躁，所以一項(xiàng)設(shè)計(jì)需要一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S和清醒的頭腦，沉著的思考是設(shè)計(jì)良好的開(kāi)端，特別是對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的分析，這樣才能形成一個(gè)設(shè)計(jì)的理念。它不僅能考查學(xué)生的思維理論也能夠鍛煉一個(gè)人的實(shí)踐和借鑒能力，也能將我們以前所學(xué)的知識(shí)巧妙的運(yùn)用到生活、實(shí)踐中去。
通過(guò)對(duì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)，我了解了機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程和規(guī)范，但個(gè)人各方面的能力有限，設(shè)計(jì)中存在許多不足，在機(jī)械部分的設(shè)計(jì)中主要暴露出專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)不扎實(shí)，在計(jì)算機(jī)控制部分的設(shè)計(jì)過(guò)程中主要是對(duì)電工學(xué)知識(shí)的欠缺。當(dāng)然，學(xué)到的也不少，在以后的學(xué)習(xí)工作過(guò)程中我一定會(huì)有針對(duì)的學(xué)習(xí)。
最后，感謝龔老師和劉老師的指導(dǎo)。
四 參考文獻(xiàn)
1．張建民主編，《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》第二版，高等教育出版社，2001年
2．鐘約先、林亨編著，《機(jī)械系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制》，清華大學(xué)出版社，2001年
3．劉寶庭、程樹(shù)康等編著，《步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997年
4．吳石增編著，《機(jī)電一體化系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》，中國(guó)電力出版社，1998年
5．張毅坤、陳善久、裘雪紅編著，《單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用》，西安電子科技大學(xué)出版社，1998年
6．熊世和主編，《機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制工程》，電子科技大學(xué)出版社，1999年
收藏