PDC钻头检测装置机械部分机构的结构

脉冲 方向 控制 步进控制器 功率放大器 步进电动机 负载

图5-2 步进电动机控制系统的组成

采用计算机控制系统，用软件实现上述步进控制器的功能，使用权控制系统在为简化。这不仅简化了线路，降低了成本，而且控制方便，提高可靠性。图5-3所示为微机控制步进电动机的系统结构图。 微型计算机 接口 驱动器 步进 电动机

负载 图5-3 微机控制步进电动机的系统结构图

因此本设计采用计算机控制系统。在步进电动机的微机控制系统中，脉冲的产生以及步数、方向和速度的控制都由微机来实现；通过接口进行信号传递，并作必要的隔离；驱动器的作用是将脉冲信号进行放大。

5.4 步进电动机与8253的接口电路

图5-4所示为三相步进电动机与8253的接口电路。我们采用可编程计数器8253为核心构成步进电机接口电路，具有精度高、不受阻容元件参数的限制、工作稳定、控制灵活的特点。在步进电机工作期间，不用CPU的直接干预，大大提高了CPU实时处理能力。

它由三部分组成，第一部分，以8253和或门U1构成实时脉冲产生电路，该电路的触发受CPU的控制，它能产生一定数量的、一定频率的脉冲，其脉冲的频

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率和数量由8253计数器的计数值设定，精度极高。第二部分，由移位寄存器和或门U2构成分相电路，它能产生符合步进电机需要的多项脉冲源。第三部分，换相和驱动电路，由模拟开关4066控制步进电机的运行方向，然后经光电耦合、达林顿管驱动使步进电机工作。

时钟输入CP接单片机选通触发控制方向选择 图5-4 三相步进电机与8253的接口电路

5.5 步进电动机控制系统

在步进电动机启动和停止的过程中，往往需要改变速度。对于大多数工作任务来说，总是希望步进电动机尽快地走完规定的步数，即以尽可能高的速度运行。然而为了做主步进电动机的转子运动能跟上步进脉冲的频率，即不失步，对于脉冲频率是有限制的。在步进电动机的性能指标中，有一项“最高空载启动频率”，就是对该电动机在空载情况下最高启动频率的限制。如果带负载启动，其允许频率还要低些。当步进电动机进入稳态运行时，其允许工作频率则比最高空载启动频率高得多。因此，为了使步进电动机尽量加快工作过程而又不致辞发生失步现象，应以较低的工作频率开始启动，在启动过程中逐渐加速，然后稳定在较高的工作频率。一般情况下，升速的过程约在（0.1~1）s之间。反之，步进电动机从高速运行到停止也应进行减速。减速过程的加速度绝对值常比加速过程的大。

现有以下三种变速控制的方法：

1．步进电动机的工作方式 利用改变步进电动机的工作方式可以实现变速控制。

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2．均匀地改变步进脉冲的间隔 步进电动机的加速或减速控制，可以通过均匀地减少或增加脉冲间隔来实现。具体来说就是均匀改变延时子程序中的时间常数。这种方法的变速范围比较宽。

3．定时器的变速控制 步进脉冲的时间间隔也可以由单片机内部的定时器来提供。定时器初始化的时间常数为步进电动机启动时所需值。每隔一定时间定时器向CPU申请中断。CPU响应中断后，送出一次控制脉冲，同时修改时间常数，减小定时。采用这种方法也能方便地实现步进电动机的均匀加速或减速。

选用第二种方法，也就是如果要求电机从零升到某个频率fZ运行N步，则可先输出两个脉冲，其间隔Δt1≤

1fmax,并且从第三个脉冲开始，脉冲间隔越来越

小，直到达到所需的速度运行。在步进数将达到N时，使之自动降速，间隔越来越大，直到Δt2≤

1fmax时，步进电机停止转动。

以上都是由软件控制其脉冲。

根据以上分析，只要控制步进电机的输入节拍就可以控制步进电机的工作方式、速度等。

以P10P11P12三个输出口输出步进电机的工作节拍，假设通电方式是A——B——C——A，微机依次把高电平送到三个端口上，采用延时程序控制工作速度。

在这个控制系统中，由于是由弱电控制强电，不可避免地会产生干扰，为防止强电干扰，采用光电隔离。

光电隔离电路的作用有以下几个方面：

a.可将输入输出端两部分的地线分开，各自使用一套电源供电。这样信息通过光电转换，单向传递，又由于光电耦合器输出输入端之间绝缘电阻非常大，寄生电容很小，干扰信号难以从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用。

b.可以进行电平转换

c.提高驱动能力，P1口仅能驱动三个TTL门电路，光电隔离电路很容易使它的驱动能力提高很多。

5.6 步进电动机步数和转速的确定

5.6.1 步进电动机步数的确定

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步进电动机常用来控制角位移或直线位移，在步进电动机带动滚珠丝杠实现直线位移时，步进电动机直接带动丝杠，丝杠每转一周产生直线位移５mm，现要求位移1０μm，则步进电动机需要转过的角度为：

??10?m?0.9O?0.75 04mm/360又因为步进电机工作方式为三相六拍，步距角０.75，则步数为

0.9O?1.2 O0.755.6.2 转速的确定

在实际应用中，往往不仅要求精确地控制位移量，还要求在规定的时间内完成位移。这就要求步进电动机以某个适当的速度转动，而转速的数值是由脉冲的延时长短来确定的。在此设计中要求用２s时间完成10mm的位移，则每一步进脉冲的延时为：

2?106T??s?1.67?106?s?1.67s

1.2设其基本延时时间为１０μs，则时间常数（即循环次数）可确定为208。本设计最大进给速度为5mm/min,正常进给速度为1~5mm/min。所以电机转速的计算如下：

1000vmax1000?5?10?3nmax???0.8r/min

Po4nmin1000vmin1000?10?3???0.16r/min

Po4六、 工作台设计要求

由于采用的设计方案无须移动工作台，因此只用考虑工作台的承重和平稳性能。为能更好的使检测装置具备实用性，工作台采用落地结构。如图：

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