步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩坐標(biāo)線切割控制

1、一、標(biāo)題：專業(yè)選修課實(shí)訓(xùn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩坐標(biāo)線切割控制1、作品照片2、焊接電路照片二、步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展、電路功能1、設(shè)計(jì)目標(biāo)利用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成 X、Y 坐標(biāo)系，并分別控制工作臺(tái)上 X 軸和 Y 軸的步進(jìn)脈沖，實(shí)現(xiàn)從起點(diǎn) A 點(diǎn)到預(yù)定點(diǎn) B 點(diǎn)的走向控制。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制要求:（1） 判斷旋轉(zhuǎn)方向；（2） 按順序傳送控制脈沖；（3） 判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。2、X、Y 工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減少工作臺(tái)的摩擦系

2、數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性?？紤]電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)，系統(tǒng)總體框圖如下：圖1步進(jìn)電機(jī)控制XY軸系統(tǒng)總體框圖3、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%，角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。2.步進(jìn)電機(jī)外表不允許較高的溫度。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、。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)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)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。5.由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常的可靠。同時(shí)，它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)。6.步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停，正反轉(zhuǎn)及變速。7.速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，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直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。8.步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源

4、和直流電源。9.步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。10.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法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。4、 步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，它是基于最基本的電磁感應(yīng)作用，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。單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、照相機(jī)，大型望遠(yuǎn)鏡，衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)等等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)

5、的進(jìn)步和電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，同時(shí)也對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能提出了更高的要求。步進(jìn)電機(jī)的原始模型起源于 1830 年至 1860 年，1870 年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氬弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中，這被認(rèn)為最早的步進(jìn)電機(jī)。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，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。到 20 世紀(jì) 60 年代后期，在步進(jìn)電機(jī)本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。步進(jìn)電機(jī)往后經(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

6、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。三、電路的組成1、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)圖2 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 2.1 所示，步進(jìn)電機(jī)分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分：1.定子：由硅鋼片疊成的，定子上有 6 大磁極，每 2 個(gè)相對(duì)的磁極（，S）組成一對(duì)，共有 3 對(duì)。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、1/3、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

7、5 就是齒 1）。2.轉(zhuǎn)子：由軟磁材料制成，其外表面也均勻地分布著小齒,與定子上的小齒相同，并且小齒的大小相同，間距相同工作原理：以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例：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 1/3，此時(shí)齒 3 與 C 偏移為 1/3，齒 4 與 A 偏移（-1/3）=2/3。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 1/3，此時(shí)齒 4 與 A 偏移為 1/3 對(duì)齊。 如 A 相通電，B，C 相不通電，齒 4與 A 對(duì)齊，

8、轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3這樣經(jīng)過 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,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。2、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制器的功率接口。3、步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成圖3

9、用微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理系統(tǒng)圖與傳統(tǒng)步進(jìn)控制器相比較有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）.用微型機(jī)代替了步進(jìn)控制器把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實(shí)現(xiàn)方向控制。（2）.只要負(fù)載是在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍之內(nèi)，每個(gè)脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步距角度。（3）.根據(jù)步距角的大小及實(shí)際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進(jìn)電機(jī)的最終位置。4、脈沖序列的生成圖4脈沖的生成脈沖幅值：由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。TTL 0 5V CMOS 0 10V接通和斷開時(shí)間可用延時(shí)的辦法控制。要求：確保步進(jìn)到位。5、方向控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。三相六拍，通電順序?yàn)? 正轉(zhuǎn): AABBBCCCA 反轉(zhuǎn): AACCCBBB

10、A 改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向6、脈沖分配實(shí)現(xiàn)脈沖分配（也就是通電換相控制）的方法有兩種：軟件法和硬件法四、電路設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)主要是研究基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制，采用單片機(jī) AT89C51 和脈沖分配器 PMM8713 控制步進(jìn)電機(jī)在三相六拍工作方式下的啟?？刂?，正反轉(zhuǎn)控制和加減速控制，通過步進(jìn)電機(jī)絲杠連動(dòng)，帶動(dòng) XY 工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)從起點(diǎn) A 點(diǎn)到預(yù)定點(diǎn) B 點(diǎn)的位移控制。2、設(shè)計(jì)分析通過軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過單片機(jī)的 IO向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖，下面以三相六拍為例上面提到了三相六拍工作方式通電換相得正序?yàn)?A-AB-B

11、-BC-C-CA-A,，反序?yàn)?A-AC-C-CB-B-BA-A圖5 用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖注：P1.0：A 相驅(qū)動(dòng)P1.1：B 相驅(qū)動(dòng)P1.2：C 相驅(qū)動(dòng)三相六拍控制字如下表所示：表6三相六拍工作方式的控制字注：0 代表使繞組斷電，1 代表使繞組通電在程序中，只要依次將這 10 個(gè)控制字送到 P1 口，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角，每送一個(gè)控制字，就完成一拍，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。軟件法在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的 CPU時(shí)間，可能使單片機(jī)無法同時(shí)進(jìn)行其他工作（如監(jiān)測(cè)等），所以，人們更喜歡用硬件法。通過硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配所謂硬件法實(shí)際上就是使用脈沖分配器 87

12、13，來進(jìn)行通電換相控制。8713 是屬于單極性控制，用于控制三相和四相步進(jìn)電機(jī)，我們選擇的是三相六拍工作方式。8713 可以選擇單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入，具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)位、工作方式和輸入脈沖狀態(tài)監(jiān)視等功能，所有輸入端內(nèi)部都設(shè)有斯密特整形電路，提高抗干擾能力。選用單時(shí)鐘輸入方式，8713 的 3 腳為步進(jìn)脈沖輸入端，4 腳為轉(zhuǎn)向控制端，這兩個(gè)引腳的輸入均由單片機(jī)提供和控制，選用對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行六拍方式控制，所以 5、6 腳接高電平，7 腳接地。如下圖所示：由于采用了脈沖分配器，單片機(jī)只需提供步進(jìn)脈沖，進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)向控制，脈沖分配的工作交給 8713 來自動(dòng)完成，因此，CPU 的負(fù)

13、擔(dān)減輕許多。3、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（采用單電壓驅(qū)動(dòng)）單電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只用一個(gè)電壓電源對(duì)繞組供電，它的特點(diǎn)是電路最簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)使用脈沖電源工作，脈沖電源的獲得可通過下圖說明，開關(guān)管T是按照控制脈沖的規(guī)律“開”和“關(guān)”，使直流電源以脈沖方式向繞組 L供電，這一過程我們稱為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。實(shí)用電路如下圖所示。在電機(jī)繞組回路中串有電阻Rs，使電機(jī)回路時(shí)間常數(shù)減小，高頻時(shí)電機(jī)能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡(jiǎn)單單電壓驅(qū)動(dòng)線路中，Rs是不可缺少的。Rs對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單步響應(yīng)的改善如圖6 所示：圖6單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口電路圖電路中只有一個(gè)電源 V，

14、電路中的限流電阻 R1 決定了時(shí)間常數(shù)，但R1太大會(huì)使繞組供電電流減小。這一矛盾不能解決時(shí)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的高頻性能下降，可在R1兩端并聯(lián)一個(gè)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 在工作中腰消耗一定的能量，所以這個(gè)電路損耗大，效率低，一般只用于小功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。4、完整電路圖由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大，所以微型機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都需要專門的接口及驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)器可用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動(dòng)器。總之，只要按一定的順序改變 8713 脈沖分配器的 11 腳13 腳三位通電的狀況，即可控制步進(jìn)電機(jī)依選定的方向步進(jìn)。由于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)功率較大，可在微型機(jī)

15、與驅(qū)動(dòng)器之間增加一級(jí)光電隔離器（一是抗干擾，二是電隔離。）以防強(qiáng)功率的干擾信號(hào)反串進(jìn)主控系統(tǒng)。電路圖如下所示：5、元器件表位 號(hào)規(guī) 格位號(hào)規(guī)格名稱規(guī) 格C130pFR810K三極管X69013C230pFR910K光耦X34N25C310uFR1015二極管X3IN4007Y112MHZR1115單片機(jī)AT9C51R110KR1215直流電源+5VR210KR134.7K環(huán)分配器PMM8713R310KR144.7KR410KR154.7KR510KR164.7KR610KR1710KR710K6、程序框圖根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，可畫出控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，加減速控制，工作方式為雙時(shí)鐘，程序框圖如上：程序

16、代碼如下：本程序的資源分配如下R0中間寄存器 R1儲(chǔ)存速度級(jí)數(shù) R2儲(chǔ)存級(jí)數(shù)步數(shù)R3加減速狀態(tài)指針，加速時(shí)指向 35H，恒速時(shí)指向 37H，減速時(shí)指向3AH;P0.0正轉(zhuǎn)脈沖輸入；P0.1反轉(zhuǎn)脈沖輸入；P1.3正轉(zhuǎn)按鈕 K1；P1.4反轉(zhuǎn)按鈕 K2；P1.5加速按鈕 K3；P1.6減速按鈕 K4；定時(shí)常數(shù)序列放在以ABC 為起始地址的ROM 中。初始R3=35H,R1、R2都有初始值ORG 0000HJNB P0.0,ZZJNB P0.1,FZZZ:INC R0 CJNE R0,#06H,ZZ1 MOV R0,00H;ZZ1:MOV A,R0;MOV DPTR,#ABC;MOVC A,A+DP

17、TR;MOV P0,A;FZ: DEC R0; CJNE R0,#0FFH,FZ1;MOV R0,#05H ;FZ1:MOV A,R0;MOV DPTR,#ABC;MOVC A,A+DPTR;MOV P0,A;ABC:DB 01H,03H,02H,06H,04HRETJS:MOV R0,#35; CJNE R0,#0FFH,JS1; INC R0;DEC R0; JS1:DJNZ R2,JS2; INC R1;MOV A,R1;MOV B,#120;MUL AB;MOV R2,A;JS2:DJNZ R2,JS3;DEC R1;MOV A,R1;MOV B,#180;MUL AB;MOV R2,

18、A;JS3:DJNZ R2,JS1;DEC R1;MOV A,R1;MOV B,#240;MUL AB;MOV R2,ARET; END五、調(diào)試過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1、調(diào)試過程：主要包括以下三個(gè)方面硬件調(diào)試：接通電源，檢查焊接電路能否正常工作，接頭是否接觸良好。看是否有輸出信號(hào)脈沖，和各個(gè)開關(guān)的按下后是否會(huì)變化。軟件調(diào)試：按照設(shè)計(jì)思路用proteus仿真軟件畫出仿真電路圖，先檢查單片機(jī)的高低電平是否接對(duì)和最小系統(tǒng)是否運(yùn)作正常，接著檢查單片機(jī)的輸出口是否有脈沖信號(hào)輸出，再檢查信號(hào)放大電路是否工作，最后檢查步進(jìn)電機(jī)的接線是否正確。運(yùn)行調(diào)試：在硬件調(diào)試和軟件調(diào)試正確的基礎(chǔ)上，使電路進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，觀察運(yùn)行

19、情況，看是否能夠?qū)崿F(xiàn)三相步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、快速、中速、慢速、單步、定步控制。以上這3個(gè)方面的調(diào)試基本沒有遇到什么困難，做完以上3個(gè)方面調(diào)試后，接著就是程序的編寫和調(diào)試過程了，這個(gè)過程可以說是最簡(jiǎn)單但同時(shí)也是最復(fù)雜的，因?yàn)槌绦蛑械拿總€(gè)指令都會(huì)影響到電路的運(yùn)作，只要程序中那里稍微喝電路不對(duì)或者出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么你的電路就沒有成功可言，所以說做好程序調(diào)試著一步，是我本次設(shè)計(jì)至關(guān)重要的一步。我的程序調(diào)試過程如下：1.先編寫程序?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停止，因?yàn)檫@步相對(duì)來說較簡(jiǎn)單，正要根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)和工作方式去選擇輸出脈沖信號(hào)的變化就可以得以實(shí)現(xiàn)。2.在實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停止的基礎(chǔ)上，進(jìn)而去實(shí)現(xiàn)在原有步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上通過編程實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、快速、中速、慢速、單步、定步控制。這個(gè)