基于单片机的自动装箱系统

基于单片机的自动装箱系统内容摘要：

三相绕组。 转子上均布 40 个小齿。 所以每个齿的齿距为 θE=360186。 /40=9186。 ，而定子每个磁极的极弧上也有5 个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。 由于定子和转子的小齿数目分别是 30和 40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。 若以 A 相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图 1，那么 B 相和 C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即 3186。 因此， B、 C 极下的磁阻比 A 磁极下的磁阻大。 若给 B 相通电， B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越 B 相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到 B 磁极上的齿与 转子齿对齐，恰好转子转过 3186。 ；此时 A、 C 磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。 接着停止对 B 相绕组通电，而改为 C 相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过 3186。 依次类推，当三相绕组按 A→ B→ C→ A 顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 11 冲转动 3186。 的规律步进式转动起来。 若改变通电顺序，按 A→ C→ B→ A 顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动 3186。 的规律转动。 因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。 单三拍运行时的步矩角 θb 为 30186。 三相 步 进电动机 还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按AB→ BC→ CA→ AB 顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→ A 顺序循环通电的方式。 六拍运行时的步矩角将减小一半。 反应式 步进电动机 的步距角可按下式计算： θb=360186。 /NEr 式中 Er—— 转子齿数； N—— 运行拍数 步进电动机静 态指标及术语 （ 1） 相数。 产生不同对极 N、 S 磁场的激磁线圈对数。 常用 m表示。 （ 2） 拍数。 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即 ABBCCDDAAB，四相八拍运行方式即 AABBBCCCDDDAA. （ 3） 步距角。 对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 θ 表示。 θ=360 度（转子齿数 J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为 50 齿电机为例。 四拍运行时步距角为 θ=360 度 /（ 50*4） = 度（俗称整步），八拍运行时步距角为 θ=360 度 /（ 50*8） =度（俗称半步）。 （ 4） 定位转矩。 电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的） 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 12 （ 5） 静转矩。 电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。 此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 步进电动机动态指标及术语 （ 1） 步距角精度。 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。 用百分比表示：误差 /步距角 *100%。 不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。 （ 2） 失步。 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。 称之为失步。 （ 3） 失调角。 转子齿轴线偏移 定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失 角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 （ 4） 最大空载起动频率。 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 （ 5） 最大空载的运行频率。 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 （ 6） 运行矩频特性。 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。 矩频特性 如图 所示： 图 矩频特性 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 13 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静 态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬 ， 如 图 所示： 图 其中，曲线 3 电流最大、或电压最高。 曲线 1 电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。 （ 7） 电机的共振点。 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在 180250pps 之间（步距角 度）或在 400pps 左右（步距 角为 度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 （ 8） 电机正反转控制。 当电机绕组通电时序为 ABBCCDDA( )时为正转，通电时序为 DACABCAB 或 ( )时为反转。 步进电机的单片机控制 步进电动机的驱动电路根据控制信号工作。 在步进电机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。 其基本控制作用如下： （ 1） 控制换相顺序。 步进电机的通电顺序严格按照步进电机的工作方式进行。 通常内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 14 我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。 例如，三相步进电机的单三拍工作方式，其各相通电循序为 ABC，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A、 B、 C 相得通电和断电。 （ 2）控制步进电机的转向。 步进电机如果正序通电换相，步进电机就正转；如果按反序通电换相，则步进电机就反转。 例如，三相步进电机工作在单三拍，通电换相的正序是 ABC，电机就正转；如果按 ACB 通电换相，步进电机就反转。 （ 3）控制步进电机的转速。 如果给步进电机发一个控制脉冲 ，它就转一步，再发一个脉冲，它会在转一步。 两个脉冲间隔时间越短，步进电动机就转得越快。 因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速。 调整单片机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。 步进电 动 机 的驱动控制系统系统 框图如图 所示。 步进脉冲信号由单片机产生，信号分配由硬件（脉冲分配器 PWM8713）完成。 来一个步进脉冲，步进电动机转动一个步距角，改变步进脉冲的频率就可以改变步进电机的速度，改变换相顺序即改变步进电机转速。 图 步进电动机 驱动 系统框图 步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中 ， 控制系统的 步进 脉冲的频率或换向周期实际上是控制步进电机的运行速度。 系统可用两种办法实现步进电机的速度控制 :一种是延时 （软件法）， 一种是定时（硬件法）。 延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序 ,待延时结束后再次执行换向 ,这样内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 15 周而复始就可发出一定频率的 CP 脉冲或换向周期。 延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和就是 CP 脉冲的周期。 该方法简单 ,占用资源少 ,全部由软件实现 ,调用不同的子程序可以实现不同速度的运行。 但占用 CPU 时间长 ,不能在运行时处理其他工作 ,因此只适合较简单的控制过程。 定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号 ,从而可方便地控制系统输出 CP 脉冲的周期。 当定时器起动后 ,定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数。 当定时器溢出时 ,定时器产生中断 ,系统转去执行定时中断子程序。 将电机换向子程序放在定时中断服务程序中 ,定时中断一次 ,电机换向一次 ,从而实现电机的速度控制。 由于从定时器装载完重新起动开始至定时器申请中断止 ,有一定的时间间隔 ,造成定时时间增加。 为了减少这种定时误差 ,实现精确定时 ,要对重装的计数初值作适当调整。 调整的重装初值主要考虑两个因素 :一是中断响应所需的时间。 二是重装初值指令所占用的时间 ,包括在重装初值前中断服务程序中的其他指令因素。 综合这两个因素后 ,重装计数初值的修正量取 8 个机器周期 ,即要使定时时间缩短 8 个机器周期。 用定时中断方式控制电动机变速时 ,实际上是不断改变定时器装载值的大小。 在控制过程中 ,采用离散办法逼近理想升降速曲线。 为了减少每步计算装载值的时间 ,系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的 ROM 中 ,系统在运行中用查表法查出所需的装载值 ,这样 可大幅减少占用 CPU 的时间 ,提高系统的响应速度。 步进电机的驱动电机有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。 单电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。 它的最大特征是结构简单，因它的工作效率低， 尤其 是在高频下更显的突出。 它的外接电阻 R 要消耗相当一部分的热量，这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。 双电压驱动是电路一般采用两种电源电压来驱动，因这两个电源分别是一个为高压一个为低压，因此也称为内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 16 高低压驱动 电路。 双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现 谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降 ， 不宜于电机的正常运行。 对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。 所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定期额定电流和减少时间常数。 但由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声。 细分驱动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转动一步，一般会根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕阻会轮流切换，固可以使步进电机的转子旋转。 细分控制的电 路一般分为两类，一类是采用线性模拟功率放大器的方法获得阶梯形电流，这种方法简单，但效率低。 别一种是用单片机采用数子脉宽调制的方 法获得阶梯电流，这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。 因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的调节范围比较广，固应选用驱动芯片 PWM8713 来驱动。 PMM8713 是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。 该器件采用 DIP 16 封装，适用于二相或四相步进电机。 PMM8713 在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式 (1 相励磁， 2 相励磁， 3 相励磁三种励磁方式之一 )，每 相最小的拉电流和灌电流为 20mA，它不但可满足后级功率放大器的 要求，而且在所有输人端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强。 PMM8713 是专用的步进电机的步进脉冲产生芯片 ,它适用于三相和四相步进电机。 表 1 所列是 PMM8713 的引脚功能。 Cu 为加脉冲输入端 ,它使步进电机正转 ,Cp 为减脉冲输入端 ,它使步进电机反转 ,Ck 为脉。