步進(jìn)電機(jī)原理及使用說(shuō)明

1、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

2、不少，但具有專(zhuān)業(yè)技術(shù)，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，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 、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，

3、B 與齒 2 向右錯(cuò)開(kāi) 1/3 ，C 與齒 3 向右錯(cuò)開(kāi) 2/3 ，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，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(guò) 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，轉(zhuǎn)子又

4、向右移過(guò) 1/3 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 ,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-BCC-CA-A 這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步 1/3 改變?yōu)?1/6 。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其 1/3 變?yōu)?1/12 ，1/24 ，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

5、 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 ）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開(kāi)一定角度產(chǎn)生力F 與（d/d）成正比S其磁通量=Br*SBr 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=NI/RNI 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

6、，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-D

7、A-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

8、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 表示。=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=360 度/（50*4）=1.8 度（俗稱(chēng)整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 =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

9、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，增加激磁及機(jī)械噪音。提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱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

10、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

11、），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)的點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的區(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)

12、序?yàn)?AB-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,步距角二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為為 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

13、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

14、CPU+5VFREE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，以改變場(chǎng)的夾角來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。磁四、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

15、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）。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，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

16、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= M=2n/60P=2nM/60其P 為功率為瓦， 為每秒角速度，米為弧度，n 為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩為P=2fM/400(半步工作）其中f 為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)

17、稱(chēng)PPS)(二）、應(yīng)用中的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)此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。裝置使其在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。4、轉(zhuǎn)

18、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、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。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、工作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的誤差、平面圓弧 X、Y插補(bǔ)誤差以

19、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。 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。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)編程來(lái)控制刀架的硬件環(huán)分，單片機(jī)換刀，單片機(jī)是整個(gè)的。在本設(shè)計(jì)中采用 CH250主要控制電機(jī)的

20、正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，單片機(jī)采用 8031 并用 2764 片外器擴(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)電三部分。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的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)就近換刀，當(dāng)確定

21、完電機(jī)的正反轉(zhuǎn)后就調(diào)用其各自的子程序，電的轉(zhuǎn)速由單片機(jī)所用的晶振頻率及電2、硬件環(huán)分每秒鐘運(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)。由機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可知，步進(jìn)電的型號(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)CH250 工作狀態(tài)的環(huán)行分配器 CH250，其工作狀態(tài)如表：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

22、機(jī)正、反轉(zhuǎn)只要改變 J6r、 J6l 的狀態(tài)，步進(jìn)電正轉(zhuǎn)子程序：zz: ；正轉(zhuǎn)子程序(采用循環(huán)嵌套) mov p1,Alcall yszcx loop1: move Rl ,A mov p1,Ainc R0 cjneR0,#0FFh,yszcx movR0,#00hinc R1cjne R1,#030h,loop1 mov R1,#00hjxzz: mov p1,A jxzz1: move Rl, A mov p1,Adjnz 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,Alcall yszcxloop3: move Rl

23、,A ；循環(huán) 30ffh 次mov p1,A inc R0cjne R0,#0FFh,yszcx mov R0,#00hinc R1cjne R1,#030h,loop3 mov R1,#00hjxfz: mov p1,Ajxfz1: move Rl, A ；循環(huán) bfh 次mov p1,Adjnz R2,yszcx1 djnz R4,fin4步進(jìn)電轉(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，一種是延時(shí)，另一種是用定時(shí)器。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)

24、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（1414）/（6596）=7641電的運(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 32

25、H，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

26、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)椋簓szcx: ；延時(shí)子程序,延時(shí) 50usmov mov movTmod,#01H ；使用方式 1 TH0,#0FFH ；賦給定時(shí)器的初值 TL0,#D6Hsetb TR0loop2:JNB TF0,jxzz1 sjmp loop2ret setb TR1 ；開(kāi)定時(shí)器loop:JNB TF0,loop1 ；中斷查詢(xún)sjmp loop retyszcx1:mov Tmod,#01h mov TH0,#0FFhmov TL0,#D6h setb TR0 setb

27、TR14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#，因此需要先判斷電省換刀時(shí)間，提高效率。判斷轉(zhuǎn)向子程序?yàn)椋旱霓D(zhuǎn)向，這樣可以節(jié)zx: mov inc；判斷轉(zhuǎn)向子程序Rl ,A R4cjne A,30h,zx ；30h 的地址空間內(nèi)存放當(dāng)前使具的代碼mov mov30h,31h ；換刀后的當(dāng)前使A,R4 ；將移位的次數(shù)賦給A具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 cpl add mov mov mov mo

28、v clr mov movjxfz ；如果移位次數(shù)大于四次則跳轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)子程序A A,#01h R4,A R0,#00h R1,#00hR2,#0bfh c20h,#0f8h ；電機(jī)a 相通電時(shí)p1 口的狀態(tài)A,20h5鍵盤(pán)掃描子程序： KEY1：MOV A，#00HMOV SBUF，A ；使掃描鍵盤(pán)的輸出為 00H，使所有列線為 0KL0：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？ 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 DL10JNB PB.0,P

29、K2 ；是否抖動(dòng)引起的？JB PB.1，KL1PK2：MOV R7，#04H ；不是抖動(dòng)引起的MOV R6，#0FEH ；判別是那一個(gè)鍵按下，跳 PK1 進(jìn)行處理MOV R3，#00H MOV A，R6KL5：MOV SBUF，AKL2；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 PK3PKONE：MOV R4，00H ；第一行鍵中有鍵按下PK3：MOV SBUF，#00H ；等待鍵KL3：JNB PB.0，KL3JNB MOV ADD RETPB.1，KL3 A，R4 A，R3NEXT：MOV

30、 A，R6 RL AMOV R6，A INC R3DJNZ 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，DLRET6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00f0h mov R4,#00h轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速的程序?yàn)椋簂call yszcx；r4 中將存放刀具轉(zhuǎn)過(guò)工位的個(gè)數(shù)mov movA,31h ；31h 的地址空間內(nèi)存放即將換上的刀具的DPTR,#00f0h ；存放刀具代碼的表格的首地址movc A,TR

31、mov clr zx: mov inc31h,A ；將即將換上的刀具的代碼存放到 31h c；判斷轉(zhuǎn)向子程序Rl, A R4cjne A,30h,zx ；30h 的地址空間內(nèi)存放當(dāng)前使具的代碼mov mov30h,31h ；換刀后的當(dāng)前使A,R4 ；將移位的次數(shù)賦給a具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 cplfz ；如果移位次數(shù)大于四次則跳轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)子程序Aadd mov mov mov mov clr mov mov zz: movA,#01h R4,A R0,#00h R1,#00h R2,#0BFhc20h,#0F8h ；電機(jī)a 相通電時(shí)p1 口

32、的狀態(tài)A,20h；正轉(zhuǎn)子程序(采用循環(huán)嵌套) p1,Alcall yszcx loop1: mov Rl ,A mov p1,Ainc R0cjne R0,#0FFh,yszcx mov R0,#00hinc R1cjne R1,#D6h,loop1 mov R1,#00hjxzz: mov p1,A jxzz1: mov Rl ,A mov p1,Adjnz R2,yszcx1 djnz R4,finyszcx: ；延時(shí)子程序,延時(shí) 200usmov mov movTmod,#01h ；使用方式 1 TH0,#0FFh ；賦給定時(shí)器的初值 TL0,#D6hsetb TR0setb TR1 ；

33、開(kāi)定時(shí)器loop:jnb TF0,loop1 ；中斷查詢(xún)sjmp loop retyszcx1:mov Tmod,#01h mov TH0,#0FFhmov TL0,#D6h setbTR0setb TR1loop2:jnb TF0,jxzz1 sjmp loop2retfz: ；反轉(zhuǎn)子程序(采用循環(huán)嵌套) mov p1,Aloop3: mov Rl, A ；循環(huán) 30ffh 次mov p1,A inc R0cjne R0,#0FFh,yszcx mov R0,#00hinc R1cjne R1,#D6h,loop3 mov R1,#00hjxfz: mov p1,Ajxfz1: mov Rl

34、 ,A ；循環(huán) bfh 次mov p1,Adjnz djnz fin: tab: endR2,yszcx1 R4,fin nopDB 01h,02h,04h,08h,10h,20h,40h,80h7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)有程序器，需和鎖存器 74LS373、片外程序器（本設(shè)計(jì)采用 2764）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)鎖存器程序 9光電8031KB 174LS373 1器 2764 1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

35、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，從而起到作用。在自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架控制電路中使用光電可以防止強(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)（大小） 數(shù)量非門(mén) 74LS04 3發(fā)光二極管 3光敏三極管 3電阻 1 1K 3電阻 2 3.3K 310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