單片機(jī)課程設(shè)計(jì)--基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　題 目 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制 </p><p>　　課 程 名 稱 單片機(jī)原理及接口技術(shù) </p><p>　　院 部 名 稱 機(jī)電工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 自動(dòng)

2、化 </p><p>　　班 級(jí) 10自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　課程設(shè)計(jì)地點(diǎn) </

3、p><p>　　課程設(shè)計(jì)學(xué)時(shí) </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄2</b></p><p><b>　　摘 要3&l

4、t;/b></p><p><b>　　1． 緒論4</b></p><p>　　2． 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖：4</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)述：4</p><p>　　3. 主要元件介紹5</p><p

5、><b>　　3.1單片機(jī)5</b></p><p>　　3.2 ULN2003A7</p><p><b>　　3.3步進(jìn)電機(jī)8</b></p><p>　　3.4步進(jìn)電機(jī)原理及控制技術(shù)10</p><p>　　4 . 各部分電路設(shè)計(jì)13</p><p>　

6、　4.1時(shí)鐘振蕩器13</p><p>　　4.2復(fù)位電路14</p><p>　　4.3 開關(guān)控制電路14</p><p>　　4.4 顯示電路14</p><p>　　4.5驅(qū)動(dòng)電路15</p><p>　　5. 步進(jìn)電機(jī)的軟件設(shè)計(jì)15</p><p>　　5.1 主程序流程圖

7、15</p><p>　　5.2 中斷子程序流程圖16</p><p>　　5.3 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)程序16</p><p>　　6. 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的總原理圖及元器件清單21</p><p>　　6.1 系統(tǒng)總原理圖21</p><p>　　6.2 元器件清單22</p><p>&l

8、t;b>　　摘 要</b></p><p>　　本文介紹了單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)。在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，原理是通過對(duì)它每相線圈中的電流和順序切換來使電機(jī)作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)的硬件組成主要有：51系列單片機(jī)、ULN2803驅(qū)動(dòng)電路等。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用到的一些軟件都進(jìn)行了介紹。本系統(tǒng)用51系列單片機(jī)和L2

9、98N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片并加入了鍵盤來控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速等。系統(tǒng)中使用的是混合式二相步進(jìn)電機(jī)，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和控制電路對(duì)于其整體性能起著非常重要的作用。</p><p>　　經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試，能夠很好的控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加減速，從而達(dá)到預(yù)期目的。整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低和實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有較高的通用性和應(yīng)用推廣價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：51系列單片機(jī) ULN2004驅(qū)

10、動(dòng)電路 正反轉(zhuǎn)</p><p><b>　　1． 緒論</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成的機(jī)械角位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率成比例,通過改變電脈沖頻率,可在大范圍內(nèi)調(diào)速,同時(shí),該電機(jī)還能快速起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn).此外,步進(jìn)電機(jī)易于實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)機(jī)或其它數(shù)字元件接口,適用于數(shù)字控制系統(tǒng),并可取得較高的控制精度,系統(tǒng)硬件實(shí)施比較簡(jiǎn)單。&l

11、t;/p><p>　　這次數(shù)控原理的課程設(shè)計(jì)方案是基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)。在這個(gè)控制系統(tǒng)中，控制器是它的核心，因?yàn)樗鼡?dān)負(fù)著產(chǎn)生脈沖，發(fā)送、接受控制命令等任務(wù)。該系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路,采用低價(jià)的AT89C51為控制器,可直接對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,省去了昂貴的專用步進(jìn)電機(jī)控制器,簡(jiǎn)化了硬件線路,降低了成本,提高了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　. 步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)

12、機(jī)。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。近幾十年來，數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展，為步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。</p><p>　　2． 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖：</p><p><b>　　圖1 設(shè)計(jì)框圖</b></

13、p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)述：</p><p>　　本系統(tǒng)是用單片機(jī)軟件編程來產(chǎn)生脈沖分配信號(hào),即把數(shù)字控制計(jì)數(shù)的高精度等方面的優(yōu)勢(shì)有效地應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng),同時(shí)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制器硬件電路十分簡(jiǎn)單,成本低,使用方便。本系統(tǒng)硬件方案論證包括開關(guān)控制電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、顯示電路、驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了

14、反向控制，停止控制，正向控制和減速控制按鈕，分別是SB5、SB4、SB3、SB2、SB1，通過SB5、SB4、SB3狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止和換向功能。當(dāng)SB5、SB4、SB3的狀態(tài)變化時(shí)，內(nèi)部程序檢測(cè)狀態(tài)來調(diào)用相應(yīng)的啟動(dòng)、停止和換向程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機(jī)的啟動(dòng)和正反轉(zhuǎn)控制。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機(jī)的脈沖頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于單片機(jī)而言，主要的方法有：軟件延時(shí)和定時(shí)中斷在此電路

15、中電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要是通過定時(shí)器的中斷來實(shí)現(xiàn)的，該電路控制電機(jī)加速度主要是通過SB2、SB1斷開和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　3. 主要元件介紹</b></p><p><b>　　3.1單片機(jī)</b></p><p>　　AT89C

16、51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器PEROM和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，器件采用公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。此單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合。</p><p>　　AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)FLASH閃速存

17、儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通訊口，內(nèi)置一個(gè)精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，同時(shí)AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的工作模式，空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。引腳圖如圖2所示。</p>

18、<p>　　VCC：供電電壓。 </p><p><b>　　GND：接地。 </b></p><p>　　P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。</p><p>　　圖2 AT89C5

19、1引腳結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 </p><p>　　P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出

20、4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 </p>

21、<p>　　P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 </p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 </p&

22、gt;<p>　　ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令

23、是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 </p><p>　　/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 </p><p>　　/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管

24、是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 </p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 </p><p>　　XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　3.2 ULN2003A&l

25、t;/p><p>　　ULN是集成達(dá)林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動(dòng)電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路。 ULN是集成達(dá)林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的

26、外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003時(shí)，上拉2K的電阻較為合適，同時(shí)，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。ULN2003是一個(gè)非門電路，包含7個(gè)單元，但獨(dú)每個(gè)單元驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)350mA.資料的最后有引用電路，9腳可以懸空。比如1腳輸入，16腳輸出，你的負(fù)載接在VCC與16腳之間，不用9腳。 </p><p>

27、　　ULN2003的作用:ULN2003是大電流驅(qū)動(dòng)陣列,多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。輸入5VTTL電平，輸出可達(dá)500mA/50V。 ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列,由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。 該電路的特點(diǎn)如下: ULN2003的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路 直接相連,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。

28、 ULN2003 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。ULN2003的1～7腳為信號(hào)輸入腳，依次對(duì)應(yīng)的輸出端為16～10腳，8腳為接地端。引腳圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 ULN2003A引腳圖</p><p><b>　　3.3步進(jìn)電機(jī)</b>&l

29、t;/p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式(HB)，步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，是工

30、業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動(dòng)，反轉(zhuǎn)和制動(dòng)的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，由于開環(huán)下就能實(shí)現(xiàn)精確定位的特點(diǎn)，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電脈沖信號(hào)控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每個(gè)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（不距角）或前進(jìn)、倒退一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　四相

31、步進(jìn)電機(jī)的工作原理</p><p>　　該設(shè)計(jì)采用了20BY-0型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí)，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對(duì)齊，在磁場(chǎng)的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對(duì)齊，由此可見，錯(cuò)齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因

32、。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語</p><p>　　相數(shù)：產(chǎn)生不同隊(duì)N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)，常用m表示。</p><p>　　拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(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。</p&

33、gt;<p>　　步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。Θ=360度（轉(zhuǎn)子齒角運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒角為50齒角電機(jī)為例。四相運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電的狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）。</p><p>　　靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)

34、作業(yè)下，電機(jī)不做旋轉(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)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。雖然靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)。但過分采用減小氣隙，增加勵(lì)磁匝數(shù)來提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。</p><p>　　四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律</p><p>　　目前，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖

35、分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)進(jìn)行控制，主要是利用軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配。四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時(shí)的時(shí)序與波形分別如圖4 所示。本設(shè)計(jì)的電機(jī)工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的時(shí)序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時(shí)的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進(jìn)電機(jī)跟不

36、上頻率的變化后電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi)。</p><p>　　圖 4 通電時(shí)的時(shí)序與波形</p><p>　　3.4步進(jìn)電機(jī)原理及控制技術(shù)</p><p>　　由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設(shè)備----步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)：控制器可以發(fā)

37、出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號(hào)，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)輸入端，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)

38、的目的，步進(jìn)電機(jī)的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制兩個(gè)方面。從結(jié)構(gòu)上看，步進(jìn)電機(jī)分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種，其基本原理如下：</p><p><b>　　換相順序的控制</b></p><p>　　通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進(jìn)電機(jī)在單三拍的工作方式</p><p>　　下，其各相通電順序?yàn)锳→B→C→A，通電控制脈沖

39、必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C相的通斷。三相雙三拍的通電順序?yàn)锳B→BC→CA→AB，三相六拍的通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA→A。</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)的換向控制</b></p><p>　　如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式為三相六拍，即A→AB→B→BC→C→CA→A。如果按反序通電換相，即A→AC→

40、C→CB→B→BA→A，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)的速度控制</b></p><p>　　如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一</p><p>　　步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。</p>&

41、lt;p>　?。?） 步進(jìn)電機(jī)的起?？刂?</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，減小振動(dòng)，可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波，可以減小步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，跳過電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，為了防止因慣性而使電機(jī)軸產(chǎn)生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><

42、p>　?。?） 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制 </p><p>　　在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果信號(hào)變化太快，步進(jìn)電機(jī)由于慣性跟不上電信號(hào)的變化，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。所有步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須有加速過程，在停止時(shí)波形有減速過程。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī)整個(gè)降速過程頻率變化規(guī)律是整個(gè)加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。選定的曲線比較符合步進(jìn)電機(jī)升降過程的運(yùn)行規(guī)律，能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)

43、矩，快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時(shí)間，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。在一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負(fù)載的情況來選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱為“啟動(dòng)頻率”，于此類似“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然關(guān)斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。電機(jī)的啟動(dòng)頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速控制。加速過程有突然施加的脈沖啟動(dòng)頻率f0。步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率（突跳頻率）一般

44、為 0.1KHz到 3~4KHz，而最高運(yùn)行頻率則可以達(dá)到N*102KHz，以超過最高啟動(dòng)頻率的頻率直接啟動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。</p><p>　　圖5 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中頻率變化曲線</p><p>　　在一般的應(yīng)用中，經(jīng)過大量實(shí)踐和反復(fù)驗(yàn)證，頻率如按直線上升或下降，控制效果就可以滿足常規(guī)的應(yīng)用要求。用PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加P減速控制，實(shí)際上就是控制發(fā)脈沖的頻率。加速時(shí)，使脈沖頻

45、率增高，減速則相反。如果使用定時(shí)器來控制電機(jī)的速度，加減速控制就是不斷改變定時(shí)中斷的設(shè)定值。速度從v1~v2變化，如果是線性增加，則按給定的斜率加P減速；如果是突變，則按階梯加速處理。在此過程中要處理好兩個(gè)問題：</p><p>　?、偎俣绒D(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)盡量短。為了縮短速度轉(zhuǎn)換的時(shí)間，可以采用建立數(shù)據(jù)表的方法。結(jié)合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率，就可以建立一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)表，并通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時(shí)初始表。通過在

46、不同的階段調(diào)用相應(yīng)的定時(shí)初值，就可控制電機(jī)的運(yùn)行。定時(shí)初值的計(jì)算是在定時(shí)中斷外實(shí)現(xiàn)的，并不占用中斷時(shí)間，保證電機(jī)的高速運(yùn)行。</p><p>　?、诒ＷC控制速度的精確性。要從一個(gè)速度準(zhǔn)確達(dá)到另一個(gè)速度，就要建立一個(gè)校驗(yàn)機(jī)制，以防超過或未達(dá)到所需速度。</p><p>　?。?） 步進(jìn)電機(jī)的換向控制</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)，一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻

47、率范圍之內(nèi)在換向，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè)脈沖前發(fā)出。對(duì)于脈沖的設(shè)計(jì)主要要求其有一定的脈沖寬度、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換實(shí)質(zhì)包含了降速→換向→加速3個(gè)過程。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn)：</p><p>　?、?步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒

48、有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。 </p><p>　　② 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)，既非常方便、廉價(jià)，也非?？煽?。同時(shí)，它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　?、?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。</p><p>　?、?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很大的轉(zhuǎn)矩，因</p>

49、<p>　　此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。</p><p>　?、?步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接用交流電源或直流</p><p><b>　　電源。</b></p><p>　?、?步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)比較大，帶慣性負(fù)載的能力強(qiáng)。</p><p>　　4 . 各部分電路設(shè)計(jì)<

50、/p><p><b>　　4.1時(shí)鐘振蕩器</b></p><p>　　AT89C51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和 XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋器件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖6。外接石英晶體或陶瓷振蕩器及電容 C1，C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)</

51、p><p><b>　　圖6 時(shí)鐘振蕩</b></p><p>　　外接電容 C1，C2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低，振蕩器工作的穩(wěn)定性，起振得難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用30PF±10PF，而如使用陶瓷振蕩器建議選擇40PF±10PF。</p><p><b&g

52、t;　　4.2復(fù)位電路</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用上電復(fù)位形式，微控制器上電后，系統(tǒng)時(shí)鐘啟動(dòng)，當(dāng)8051MCU的腳復(fù)位引第9腳接高電平并且時(shí)間超過2個(gè)機(jī)器周期，即可完成復(fù)位操作。如圖7所示。</p><p>　　圖7 復(fù)位電路原理圖</p><p>　　4.3 開關(guān)控制電路</p><p>　　89C51單片機(jī)復(fù)位后P

53、0-P3口初始狀態(tài)為0FFH，通過按鈕開關(guān)控制電機(jī)的換向和調(diào)速，系統(tǒng)不斷檢測(cè)P3.2-P3.3引腳的狀態(tài)，按鈕按下系統(tǒng)檢測(cè)到低電平，執(zhí)行相關(guān)操作，否則在上拉電阻和+5V電源作用下始終保持高電平。如圖8所示。</p><p>　　圖8開關(guān)控制電路原理圖</p><p><b>　　4.4 顯示電路</b></p><p>　　顯示電路有三個(gè)發(fā)光二

54、極管分別顯示電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止。發(fā)光二極管采用共陽極接法，+5V電源供電，分別接P0.0~P0.2。編程時(shí)由三個(gè)引腳輸出低電平控制通斷。如圖9所示。</p><p>　　圖9 顯示電路原理圖</p><p><b>　　4.5驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　通過ULN2003A構(gòu)成比較多的驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖8 所示。通過單片機(jī)的P1

55、.0~P1.3輸出脈沖到ULN2003A的1B~4B口，經(jīng)信號(hào)放大后從1C~4C口分別輸出到電機(jī)的A、B、C、D相。如圖10所示。</p><p><b>　　圖10 驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　5. 步進(jìn)電機(jī)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 主程序流程圖</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)主程序流程圖如

56、圖11所示。</p><p>　　圖11 主程序流程圖</p><p>　　5.2 中斷子程序流程圖</p><p>　　中斷子程序流程圖如圖12所示。</p><p>　　圖12 中斷子程序流程圖</p><p>　　5.3 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)程序</p><p>　　#include <re

57、g51.h> //51芯片管腳定義頭文件</p><p>　　#include <intrins.h> //內(nèi)部包含延時(shí)函數(shù) _nop_();</p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　

58、　uchar code FFW[8]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09}; //四相八拍正轉(zhuǎn)編碼</p><p>　　uchar code REV[8]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01}; ////四相八拍反轉(zhuǎn)編碼</p><p>　　sbit K1 = P3^4; //

59、正轉(zhuǎn)</p><p>　　sbit K2 = P3^6; //反轉(zhuǎn)</p><p>　　sbit K3 = P3^5; //停止</p><p>　　sbit K4 = P3^3; //減速</p><p>　　sbit K5 = P3^2; //加速</p>

60、<p>　　void delay(uint t) //延時(shí) 11.0592MHz時(shí)鐘，延時(shí)約1ms</p><p>　　{ </p><p><b>　　uint k;</b></p><p>　　while(t--)</p><p&g

61、t;<b>　　{</b></p><p>　　for(k=0; k<125; k++)</p><p><b>　　{ }</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p&g

62、t;　　void motor_ffw() //步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　uchar i;</b></p><p>　　for ( ; ; ) //轉(zhuǎn)1*n圈 </p><p><b>　　{ &l

63、t;/b></p><p><b>　　if(K3==0)</b></p><p>　　{ delay(16);</p><p><b>　　P0=0xf4;</b></p><p>　　break;} //退出此循環(huán)程序</p><p>

64、　　for (i=0; i<8; i++) //一個(gè)周期轉(zhuǎn)45度</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1 = FFW[i]; //取數(shù)據(jù)</p><p>　　delay(2); //調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　}<

65、;/b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void motor_rev() //步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)</p><p><b>　　{</b></p><p>

66、<b>　　uchar i;</b></p><p>　　for ( ; ; ) </p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　if(K3==0)</b></p><p>　　{ delay(16); </p>

67、<p><b>　　P0=0xf4;</b></p><p>　　break;} //退出此循環(huán)程序</p><p>　　for (i=0; i<8; i++) //一個(gè)周期轉(zhuǎn)45度</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1

68、 = REV[i]; //取數(shù)據(jù)</p><p>　　delay(2); //調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><

69、p>　　main() //主程序</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　if(K1==0)</b></p><p>　　{for( ; ; )</p><p><b>　　{ </b><

70、/p><p>　　motor_ffw(); //電機(jī)正轉(zhuǎn)</p><p><b>　　P0=0xf1;</b></p><p><b>　　if(K3==0)</b></p><p>　　{ delay(16);</p><p><b>　　P0=0xf4;

71、</b></p><p>　　break;} //退出此循環(huán)程序</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(K2==0)</p><p>　　{for( ;

72、; )</p><p>　　{motor_rev(); //電機(jī)反轉(zhuǎn)</p><p><b>　　P0=0xf2; </b></p><p><b>　　if(K3==0)</b></p><p>　　{delay(16);</p><p><b>

73、　　P0=0xf4;</b></p><p>　　break;} //退出此循環(huán)程序</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else </b></p>

74、<p>　　P1 = 0xff;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　6. 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的總原理圖及元器件清單</p><p>　　6.1 系統(tǒng)總原理圖</p><p>　　系統(tǒng)總原理圖如圖13所示。</p><p>　　圖13 系統(tǒng)總原理圖</p&g

75、t;<p><b>　　6.2 元器件清單</b></p><p>　　系統(tǒng)元件清單如圖14所示。</p><p><b>　　圖14系統(tǒng)元器件</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張洪潤(rùn)，藍(lán)清華. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)教程

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