買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 優(yōu)秀設(shè)計(jì) 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）說(shuō) 明 書 題 目 步進(jìn)電機(jī)指數(shù)規(guī)律升降速的 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 生 系 別 機(jī) 電 工 程 系 專 業(yè) 班 級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化機(jī)電 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 老 師 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 設(shè)計(jì)（論文）題目： 步進(jìn)電機(jī)指數(shù)規(guī)律升降速的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系： 機(jī)電工程系 專業(yè)： 機(jī)電一體化 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 學(xué)生： 指導(dǎo)教師： 接受任務(wù)時(shí)間 教研室主任 （簽名） 系主任 （簽名） 1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行三相六拍的控制，通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)指數(shù)規(guī)律升降速。 (1) 系統(tǒng)總體方案擬定； (2) 數(shù)學(xué)模型建立，求控制算法； (3) 硬件設(shè)計(jì)； (4) 軟件設(shè)計(jì)； 編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書，完成系統(tǒng)控制硬件圖 1張 A 2； 2指定查 閱的主要參考文獻(xiàn)及說(shuō)明 (1) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) (2) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) (3) 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì) (4) 電子電工技術(shù) (5) C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) (6) 機(jī)床電氣控制 3進(jìn)度安排 設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 查閱資料，進(jìn)行總體方案擬定，完成開題報(bào)告 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，求控制算法 進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì) 編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書 準(zhǔn)備畢業(yè)答辯 ：本表在學(xué)生接受任務(wù)時(shí)下達(dá) 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 摘 要 從步進(jìn)電機(jī)的矩 動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，帶動(dòng)負(fù)載的能力越差。當(dāng)啟動(dòng)頻率較高時(shí)，啟動(dòng)時(shí)會(huì)造成失步，而停止時(shí)由于慣性作用又會(huì)發(fā)生過(guò)沖，所以在步進(jìn)電機(jī)控制中必須要采取升降速控制措施。本文根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程和矩建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用指數(shù)規(guī)律的升降速算法，以單片機(jī)為核心對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行并行控制。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由 言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。并設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)用于對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和步數(shù)的檢測(cè)。最后，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：在顯示器的提示下，由鍵盤輸入運(yùn)行的步數(shù)和穩(wěn)定運(yùn)行的速度；由各個(gè)功能鍵控制系統(tǒng)的運(yùn)行，按啟動(dòng)鍵后，步進(jìn)電機(jī)按照輸入的步數(shù)進(jìn)行走步；如在運(yùn)行期間按停止鍵，則步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行。研究表明，采用指數(shù)規(guī)律的升降速曲線將大大地提高微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率，大大縮短所需的升降速時(shí)間。 關(guān)鍵詞 ：步進(jìn)電機(jī) ,單片機(jī) ,速度 控制 ,言 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 to of is of is it of it to on of of is by of It of of is of is 51 is to of to ED by s is by to if is if is of of 文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 目 錄 中文摘要 . I 英文摘要 . 一章 緒 論 . 1 第二章 系統(tǒng)工作原理和總體方案擬定 . 3 . 3 進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成 . 3 進(jìn)電機(jī)的串行和并行控制 . 3 . 4 應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理 . 4 進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性 . 6 . 7 進(jìn)電機(jī)的失步 . 7 進(jìn)電機(jī)升降速曲線的分析 . 8 第三章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué) 模型 . 9 進(jìn)電機(jī)升速的控制算法 . 9 進(jìn)電機(jī)升速過(guò)程的離散處理 .進(jìn)電機(jī)降速過(guò)程的離散處理 . 12 進(jìn)電機(jī)升速過(guò)程運(yùn)行參數(shù)的計(jì)算 . 12 第四章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) . 14 統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) . 14 統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) . 15 處理器及存儲(chǔ)器的配置 . 15 盤與顯示接口電路的設(shè)計(jì) . 16 時(shí)和報(bào)警電路的設(shè)計(jì) . 20 進(jìn)電機(jī)的脈沖分配 . 20 展存儲(chǔ)器及擴(kuò)展芯片地址的確定 . 24 件系統(tǒng)的合成及其原理圖 . 25 第五章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) . 26 件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 26 統(tǒng)的程序流程 . 27 序設(shè)計(jì)問(wèn)題分析 . 38 序的初始化及變量的定義 . 38 儲(chǔ)類型與存儲(chǔ)模式的定義 . 39 譯預(yù)處理的定義 . 40 組查表功能 . 40 斷服務(wù)函數(shù)的定義 . 41 關(guān)定時(shí)器精確定時(shí)的實(shí)現(xiàn) . 42 函數(shù)及鍵盤與顯示功能的實(shí)現(xiàn) . 43 第六章 轉(zhuǎn)速和步數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 45 電編碼器的工作原理 . 45 測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) . 45 測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) . 47 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 測(cè)系統(tǒng)的流程圖 . 48 測(cè)系統(tǒng)程序 . 48 第七章 結(jié) 論 . 49 參考文獻(xiàn) . 50 致 謝 . 51 附錄 A：步進(jìn)電機(jī)升速過(guò)程運(yùn)行參數(shù)計(jì)算程序 . 52 附錄 B：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)程序 . 55 附錄 C：步進(jìn)電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)程序 . 63 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 符號(hào)說(shuō)明 B 阻尼系數(shù) C 通電狀態(tài)系數(shù) f 脈沖頻率 Hz Hz Hz Hz 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2 m 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù) N 脈沖數(shù) n 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速 r/ 轉(zhuǎn)盤的窄縫數(shù) T 轉(zhuǎn)矩 N m 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N m 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 N m 0 N m t 時(shí)間 s 轉(zhuǎn)子齒數(shù) 轉(zhuǎn)子的位置角 s步距角 時(shí)間常數(shù) s 角速度 s/ 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 第一章 緒 論 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的機(jī)械角位移的機(jī)電執(zhí)行元件。它具有工作狀態(tài)不易受影響；控制性能好，在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”； 沒(méi)有積累誤差等特 點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并可靠地獲得較好的位置精度，如各類數(shù)控機(jī)床、光學(xué)測(cè)量?jī)x器、打印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器等。隨著單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各機(jī)械智能儀器和裝備中，步進(jìn)電機(jī)也成為主要的電氣執(zhí)行元件之一。 在數(shù)控點(diǎn) 起點(diǎn)至終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定要求。如果要求運(yùn)行頻率 (速度 )小于系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率，則系統(tǒng)可以按要求的頻率 (速度 )直接起動(dòng)，運(yùn)行至終點(diǎn)后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在這樣的運(yùn)行方式下其速度可認(rèn)為是恒定的。但在一般情 況下，系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率是比較低的，而要求的運(yùn)行速度往往較高。從步進(jìn)電機(jī)的矩 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率的上升而下降，啟動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，帶動(dòng)負(fù)載的能力越差，當(dāng)啟動(dòng)頻率較高并已超過(guò)極限起動(dòng)頻率會(huì)發(fā)生丟步或根本不能起動(dòng)的情況，停止時(shí)又會(huì)發(fā)生過(guò)沖。所以，步進(jìn)電機(jī)的升降速是精確控制步數(shù)和速度的關(guān)鍵問(wèn)題，如果升降過(guò)程脈沖頻率變化不合理，會(huì)造成升降時(shí)間延長(zhǎng)，電機(jī)失步，力矩達(dá)不到要求等嚴(yán)重后果。 以前一般的升降速規(guī)律設(shè)計(jì)，常選用直線規(guī)律升降速，這種控制方法簡(jiǎn)單，但是由于它的脈沖變化有個(gè)恒定的加速度， 所以它不能保證在升降速的過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度的變化和它的輸出力矩變化相適應(yīng)，不能很好的發(fā)揮電機(jī)的加速性能。因此有必要對(duì)脈沖頻率進(jìn)行合理性的研究和論證，尋求一種較理想的指數(shù)升降速曲線，使步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中能夠快速定位，并且運(yùn)行步數(shù)準(zhǔn)確。理想的升降速曲線是指數(shù)規(guī)律曲線，本文就是由步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程和矩 樣能夠使得頻率增高時(shí)，保證輸出最大的力矩，能充分發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的工作性能，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。 在完成升降速曲線的參數(shù)計(jì)算得出升降速控制算法后，將要 完成以下工作以具體實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)升降速的并行控制。 先對(duì)升速過(guò)程進(jìn)行離散處理，在程序運(yùn)行前將升速過(guò)程的離散值固化在程序存儲(chǔ)器中，降速過(guò)程則采用運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算定時(shí)器的裝載值。程序運(yùn)行時(shí)采用查表的方法將離散值裝入定時(shí)器來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的換相周期，使得步進(jìn)電機(jī)按照指數(shù)規(guī)律進(jìn)行走步。 硬買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 件設(shè)計(jì)中進(jìn)行單片機(jī)和存儲(chǔ)器的配置、鍵盤與顯示電路的設(shè)計(jì)、定時(shí)和報(bào)警電路的設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和存 儲(chǔ)器地址映像工作，生成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件原理圖。 51語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，可產(chǎn)生緊湊代碼。本系統(tǒng)軟件用 大大的加快軟件的開發(fā)速度，明顯的增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，可以很容易地進(jìn)行單片機(jī)的程序移植工作，有利于產(chǎn)品中的單片機(jī)的重新選型。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能劃分程序模塊，按照各個(gè)模塊繪制程序流程圖，進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)，并對(duì)其中一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行具體的論述。 行步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和步數(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。論述檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理，并進(jìn)行 檢測(cè) 系 統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 第二章 系統(tǒng)工作原理和總體方案擬定 制方案論證與比較 步進(jìn)電機(jī)的工作過(guò)程一般由控制器控制，控制器按照設(shè)計(jì)者的要求完成一定的控制過(guò)程，是功率放大電路按照要求的規(guī)律驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。舊式的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器、步進(jìn)控制器、功率放大器和步進(jìn)電機(jī)組成，如圖 進(jìn)控制器包括緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯，其作用主要是將輸入脈沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和正反轉(zhuǎn)的控制。功率放大器的作用是將步進(jìn) 控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種控制方案由于是用各種邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，線路復(fù)雜、控制方案改變困難、成本高。 圖 進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成 隨著單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展和普及，為設(shè)計(jì)功能很強(qiáng)而價(jià)格低廉的步進(jìn)電機(jī)控制器提供了條件。采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。這不僅簡(jiǎn)化了線路，降低了成本，而且操作方便，提高了可靠性。圖 圖 片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 使用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制有串行和并行兩種方式。 串行控制：具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間，具有較少的買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 連線將信號(hào)送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器。這種控制方式的示意圖如圖 圖 行控制示意圖 并行控制：用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)個(gè)端口直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行控制。 在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，而其并行控制功能必須由微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成。這種控制方案示意圖見圖 圖 行控制示意圖 本系統(tǒng)考慮到使用 8255 擴(kuò)展并行接口，主要用軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)分功能，控制電機(jī)為三相，故選用并行控制方案。 進(jìn)電機(jī)工作原理和動(dòng)態(tài)特性分析 圖 步進(jìn)電機(jī)外形圖。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、 1/3L、 2/3L,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為 齒距以 即 A 與齒 1 相對(duì)齊， B 與齒 2 向右錯(cuò)開 1/3L， C 與齒 3 向右錯(cuò)開2/3L， 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： 圖 進(jìn)電機(jī)外觀 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 圖 轉(zhuǎn)子展開圖 旋轉(zhuǎn)時(shí)， 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 時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò) 1/3L，此時(shí)齒 3 與 ，齒 4與 L） =2/3L。如 ， 3應(yīng)與 時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò) 1/3L，此時(shí)齒 4與 。如 B， 4與 子又向右移過(guò) 1/3L。 這樣經(jīng)過(guò) A、B、 C、 4（即齒 1前一齒）移到 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） 1/3L,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A， C，B， A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。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 樣將原來(lái)每步 1/3L 改變?yōu)?1/6L。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其 1/3L 變?yōu)?1/12L， 1/24L，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依。不難推出：電機(jī)定子上有 軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移 1/m,2/m (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 ，本設(shè)計(jì)選用三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)步距角的大小是由轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、控制繞組的相數(shù)和通電方式?jīng)Q定，它們之間存在以下關(guān)系： r 360 (2式中， s 為步距角： 采用單相或雙相通電方式時(shí)， C=1； 而采用單、雙相輪流通電方式時(shí)， C=2； m 為步進(jìn)電機(jī)定子的相數(shù)； 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)。 控制繞組通電狀態(tài)的改變，是由外加輸入脈沖驅(qū)動(dòng)電路來(lái) 實(shí)現(xiàn)的。每當(dāng)外電路送入一個(gè)脈沖，控制繞組的通電狀態(tài)即改變一次，與此對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)將轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。因買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 此步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的步距角數(shù)等于外加脈沖數(shù)，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： fn 2式中 f 為步進(jìn)電機(jī)通電的脈沖頻率，單位為 位為 r/ 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速用步距角表示為： 63 6 03 6 0603 6 03 6 060 (2由式（ 2（ 2知，電機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)越多，則步距角就越小，電機(jī)在脈沖頻率一定時(shí)的轉(zhuǎn)速也越低。當(dāng)電機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和輸入的脈沖頻率成正比。因此，改變輸入的脈沖頻率就可以改變轉(zhuǎn)速，改變通電狀態(tài)順序就可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。由于這些特性，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，能夠按照控制命令實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、升速、降速、正反轉(zhuǎn)等操作。 進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性 機(jī)械負(fù)載位置的變化往往需要步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)子必須產(chǎn)生足夠大的力矩，以克服摩擦和加速總慣量，電機(jī)無(wú)能力產(chǎn)生足夠大的力矩時(shí)可 能引起電機(jī)的失速，造成轉(zhuǎn)子步進(jìn)與相勵(lì)磁之間失去同步，從而產(chǎn)生不正確的負(fù)載定位。因此步進(jìn)電機(jī)加速、減速、恒速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載的最高速度等特性至關(guān)重要。這些特性常以失步轉(zhuǎn)矩 /頻率特性曲線表示。 矩 頻特性和運(yùn)行矩 們之間關(guān)系的典型曲線如圖 示。啟動(dòng)矩 行矩 當(dāng)工作在區(qū)范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)可以停止和再啟動(dòng)，或者反向轉(zhuǎn)動(dòng)，而不會(huì)失步。步進(jìn)電機(jī)在區(qū)的工作速度上所產(chǎn)生的最大力 矩坐標(biāo)位于啟動(dòng)矩 動(dòng)矩 橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為最大啟動(dòng)頻率。區(qū)為單向工作區(qū)，在此區(qū)電機(jī)不能直接啟動(dòng)，若電機(jī)不停止、啟動(dòng)和換向，在此區(qū)域內(nèi)圖 動(dòng)矩頻特性及運(yùn)行矩頻特性曲線關(guān)系圖 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 工作，電機(jī)不會(huì)失步。為了在區(qū)內(nèi)工作，電機(jī)必須首先在區(qū)內(nèi)工作，然后利用控制加速度斜坡，轉(zhuǎn)變到區(qū)。若達(dá)到不失步停止時(shí)，也要在限制加速度的條件下，由區(qū)轉(zhuǎn)移到區(qū)，在減速時(shí)慣性反作用力矩為負(fù)，對(duì)電機(jī)有利。區(qū)為失步區(qū)域，在任何情況下都是不允許的。 進(jìn)電機(jī)升降速控制討論 在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程 中，將可能出現(xiàn)失步，其失步原因有兩種 ： 就是低于換相速度而產(chǎn)生的。 這是因?yàn)檩斎腚姍C(jī)的電能不足，在步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生的同步力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟 隨定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，從而引起失步。 時(shí)定子通電勵(lì)磁的時(shí) 間較長(zhǎng)，大于轉(zhuǎn)子步進(jìn)一步所需要的時(shí)間，則轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過(guò)程中獲得過(guò)多的能量， 從而產(chǎn)生前沖和后沖的擺動(dòng)振蕩，當(dāng)振蕩足夠嚴(yán)重時(shí)就會(huì)導(dǎo)致失步。 以步進(jìn)電機(jī)三相單三拍通電方式為例分析步進(jìn)電機(jī)的失步。如圖 B 相斷電，接通 C 相時(shí)，轉(zhuǎn)子齒 2、 4 與 B 相磁極對(duì)齊而轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子齒 1、 3 與 C 相磁極對(duì)齊 (圖 c)，若是由于某一原因造成轉(zhuǎn)子的阻轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩的作用，則轉(zhuǎn)子齒 1、3 沒(méi)有轉(zhuǎn)到與 C 相磁極對(duì)齊的位置，而停留在原處未動(dòng)的位置 (圖 b)那么當(dāng) C 繞組斷電再接通 A 相時(shí)，受 A 相磁極影響最大的轉(zhuǎn)子齒 1、 3 仍返回到與 A 相磁極對(duì)齊 (圖 a)。由此可見，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)發(fā)生失步時(shí)，往往丟掉一個(gè)通電循環(huán)的步數(shù)或其整數(shù)倍。也就是說(shuō)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)失步的規(guī)律是，所失的步數(shù)是通斷電循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。 圖 動(dòng)矩頻特性及運(yùn)行矩頻特性曲線關(guān)系圖 同理在停止過(guò)程中，如果負(fù)載超過(guò)步進(jìn)電機(jī)的極限制動(dòng)能力，步進(jìn)電機(jī)將產(chǎn)生滑步或過(guò)沖。丟掉的步數(shù)也是循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。 所以要使步進(jìn)電機(jī)快速的達(dá)到所要求的速度又不失步或過(guò)沖，其關(guān)鍵在于使加速過(guò)程中加速度所要求的轉(zhuǎn)矩既能充分利用各個(gè)運(yùn)行頻率下步進(jìn)電機(jī)所提供的轉(zhuǎn)矩，又不能買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 超過(guò)這個(gè)轉(zhuǎn)矩。 正由于步進(jìn)電機(jī)失步的原因，需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行升降速的定位控制，運(yùn)行速度都需要一個(gè)加速 恒速 減速 低恒速 停止的過(guò)程，如圖 示。各種系統(tǒng)在工作的過(guò)程中，都要求升降速過(guò)程時(shí)間盡量的短，恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)到終點(diǎn)運(yùn)行的時(shí)間要求最短，這就必須要求加速、減速的過(guò)程最短，而恒速時(shí)的速度最高。 以前一般的升降速規(guī)律設(shè)計(jì)，常常選擇按直線規(guī)律升降速，它的脈沖頻率的變化有一個(gè)恒定的加速度。在步進(jìn)電機(jī)不失步的條件下，驅(qū)動(dòng)脈沖頻率變化的加速度和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度成正比。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度是由步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩決定的，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨著驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的上升而下降，也就要求步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度隨著脈沖 頻率的上升而下降，而采用直線規(guī)律的升降速卻使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度保持不變。所以，只有在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的上升保持恒定時(shí)，直線規(guī)律的升降速才是理想的升降速曲線，而當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率的上升而下降時(shí) ，它就不是理想的升降速曲線，它不能保證在升降速的過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度的變化和它的輸出力矩變化相適應(yīng)，未能很好的的發(fā)揮電機(jī)的加速性能。如果要求電機(jī)盡可能快的加速，則所有頻率下都必須產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，以這個(gè)轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載并加速系統(tǒng)慣量。 圖 進(jìn)電機(jī)直線規(guī)律升降速曲線 本設(shè)計(jì)按照步進(jìn)電機(jī)的動(dòng) 力學(xué)方程和矩 為矩 在該頻率下作為負(fù)載加給步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。因此把矩 但不能超過(guò) )的最大輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)擬訂升降速脈沖序列的分布規(guī)律，就接近于最大轉(zhuǎn)矩控制的最佳升降速規(guī)律。這樣能夠使得頻率增高時(shí)，保證輸出最大的力矩，即能夠?qū)ψ畲蟮牧剡M(jìn)行跟隨，能充分的發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的工作性能，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。具體的控制算法見第三章。 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 第三章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 由 分析可知，把矩 性作為加速范圍下可以達(dá)到 (但不能超過(guò) )的最大輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)擬訂升降速脈沖序列的規(guī)律，就接近于最大轉(zhuǎn)矩控制的最佳升降速規(guī)律。所以用步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程和矩 用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行離散控制。 進(jìn)電機(jī)升速的控制算法 在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，如圖 3一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。設(shè)輸入為脈沖數(shù) N ，輸出為轉(zhuǎn)角 ，則 (s為步矩角 )，這就是步進(jìn)電機(jī)輸入 /輸出的比例關(guān)系。 圖 進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路特性框圖 步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)物體動(dòng)力學(xué)方程式為： 22 (3式中 T 為輸出力矩， J 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， B 為阻尼系數(shù)， 負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 為轉(zhuǎn)子位置，如 為電機(jī)的回轉(zhuǎn)角速度，則 (3用 表示的方程為： (3如 驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率f 表示，由 ，有 ，則式 (3為： (3如果電機(jī)盡可能快的加速，則所有頻率下都必須產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，由式 (3進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)一定滿足下式： (3式中 步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 假設(shè)矩 電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可由下式求出： M 0 (30k 為假定輸出轉(zhuǎn)矩按直線變化時(shí)的斜率，f 0，mf(k 0)為對(duì)應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 0)下步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率。 可得在速度工作范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)方程為： 0即 0)()(0 (3假設(shè)電機(jī)從零開始升速，即初始值 0,0 ， (3方程的解為： 1 (3式中， ， 0。 (3圖 進(jìn)電機(jī)的矩 如果忽略阻尼轉(zhuǎn)矩，即阻尼系數(shù) 0B ，那么mc ，否則實(shí)際的指數(shù)規(guī)律曲線中的 是決定升速快慢的時(shí)間常數(shù)，其數(shù)值可由 (3理論計(jì)算得出，實(shí)際工作中也可由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。 (3表明驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率 f 應(yīng)隨時(shí)間 t 作指數(shù)規(guī)律上升，這樣就可以在較短的時(shí)間內(nèi)使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升至要求的運(yùn)行速 度。鑒于大多數(shù)的步進(jìn)電機(jī)的矩 以上述的控制規(guī)律為最