相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(1)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題 目： 三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì) </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精密執(zhí)行元件，具有快速起動(dòng)和停止的特點(diǎn)。其驅(qū)動(dòng)速度和指令脈沖能嚴(yán)格同步,

2、具有較高的重復(fù)定位精度, 并能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和平滑速度調(diào)節(jié)。它的運(yùn)行速度和步距不受電源電壓波動(dòng)及負(fù)載的影響, 因而被廣泛應(yīng)用于數(shù)模轉(zhuǎn)換、速度控制和位置控制系統(tǒng)。本文在分析了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性、斬波恒流細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理和混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003AN的性能、結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合AT89C52單片機(jī)，設(shè)計(jì)出了混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)，AT89C52單片機(jī)，ULN2003AN驅(qū)動(dòng)&

3、lt;/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Stepping motors is a kind of will convert angular displacement or electrical impulses signal line displacement of precision actuator, have fast star

4、t and stop characteristics. The driving speed and instructions pulse can strictly synchronization, which has high repositioning precision, and can realize the positive &negative and smooth adjustable speed. Its opera

5、tion speed and step distance from supply voltage fluctuation and load effect, which have been widely applied in analog-to-digital conver</p><p>　　Key words: Stepping motor， AT89C52 single chip computer， ULN2

6、003AN driver</p><p><b>　　第1章 概述</b></p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國外一般稱為Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其應(yīng)用發(fā)展已有約80年的歷史。步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)變成直線位移或角位移的控制電機(jī)，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)

7、電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)

8、動(dòng)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長期積累。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，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率</p><p>　　正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求

9、量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。近年來由于微型計(jì)算機(jī)方面的快速發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點(diǎn)明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)的許多外圍設(shè)備中，例如打印機(jī)，紙帶輸送機(jī)構(gòu)，卡片閱讀機(jī)，主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和存儲(chǔ)器存取機(jī)構(gòu)等，步進(jìn)電機(jī)也在軍用儀器，通信和

10、雷達(dá)設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機(jī)床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動(dòng)繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機(jī)控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。因而，對于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得尤為重要了。</p><p>　　為了得到良好的控制性能，對步進(jìn)電機(jī)的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。上世紀(jì)80年代以后，由于微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進(jìn)

11、電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)?；谖⑿蛦纹瑱C(jī)的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)，能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運(yùn)行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細(xì)

12、分驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)斬波恒流驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)的直流電壓驅(qū)動(dòng)三種常見驅(qū)動(dòng)方式，除上述三種步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案之外，目前報(bào)道的驅(qū)動(dòng)方案還有根據(jù)匯編語言或C語言進(jìn)行軟件開發(fā)，通過串行或并行通行的方式實(shí)現(xiàn)ｐｃ機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實(shí)現(xiàn)由PC機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法。</p><p>　　但是在有些應(yīng)用場合，并不需要高精度的控制，而是需要在滿足一般工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低；

13、功能較為齊全；適應(yīng)性強(qiáng)；電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)指示一目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高等要求。本論文就是采用這個(gè)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般步進(jìn)電機(jī)控制器都用硬件實(shí)現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價(jià)格較貴，功能相對較單一，并且設(shè)計(jì)要求有所改變，就得改變整個(gè)硬件電路，比較麻煩。而采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié)合進(jìn)行控制，運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能，充分利用單片機(jī)的各種資源，能靈活的對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果

14、需改變控制要求，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計(jì)中利用動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機(jī)的結(jié)合起來，能做到一定的人機(jī)交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　第2章 步進(jìn)電機(jī)工作原理</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

15、型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)：控制器可以發(fā)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。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出

16、信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)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>　　2.1三相步進(jìn)電機(jī)控制工作原理</p><p>　　2.1.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理</p><p>　　圖1 步進(jìn)電機(jī)三相接線圖</p><p>　　如圖1

17、所示，U1、V1、W1接電源，分別有三個(gè)開關(guān)控制，U2、V2、W2分別接地。</p><p>　　如果給處于錯(cuò)齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（即最小磁阻位置）位置轉(zhuǎn)動(dòng)，即向趨于對齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的工作方式</p><p>　　三相步進(jìn)電機(jī)可以在三相單拍，三相雙拍和三相六拍三種工作過方式下工作。在三相單三

18、拍工作方式運(yùn)行時(shí)，通電順序?yàn)椋篈-B-C-A;三相雙三拍工作方式運(yùn)行時(shí)，通電順序?yàn)椋篈B-BC-CA-AB;三相六拍工作方式運(yùn)行時(shí)，通電順序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CA-A,因此要輸出相應(yīng)的控制字進(jìn)行控制。</p><p>　　2.1.3步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制</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-C

19、A。如果按反序通電換相 ,即則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。</p><p>　　2.1.4步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂?lt;/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 ,即振動(dòng)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 ,提高電機(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)</p>

20、<p>　　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)的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　2.1.5步進(jìn)電機(jī)的速度控制</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度是由輸入到A、B、C三相繞組的頻率所決定的。脈沖的頻率越高，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度越快，否則，速度就越慢。因而通過延時(shí)程序控制輸出脈沖的頻率，就可以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)速度的控制。

21、</p><p>　　2.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)</p><p>　　在混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)和工作原理的基礎(chǔ)上，本章就步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比較。首先介紹了傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式:單電壓驅(qū)動(dòng)(包括單電壓串電阻驅(qū)動(dòng))、雙電壓驅(qū)動(dòng)(包括高低壓驅(qū)動(dòng))和恒流斬波驅(qū)動(dòng)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)，然后重點(diǎn)介紹了細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式的原理及其模型。</p><p>　　2.2.

22、1一般驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不像直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)一樣，它不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的性能，除與電動(dòng)機(jī)木身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。因此，對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究幾乎是對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究同步進(jìn)行的。</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要構(gòu)成如圖2.1所示，一般由環(huán)形分

23、配器、信號(hào)處理級(jí)、推動(dòng)級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)等各部分組成，用于功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器還需要有多種保護(hù)電路。</p><p>　　環(huán)形分配器用來接受來自控制器的CP脈沖，并按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。每來一個(gè)CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。同時(shí)，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號(hào)，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序或者反序轉(zhuǎn)換，決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速

24、、起動(dòng)或停止都完全取決于CP脈沖的有無或頻率的高低。</p><p>　　信號(hào)放大與處理的作用是將環(huán)分輸出信號(hào)加以放大，變成足夠大的信號(hào)送入推動(dòng)級(jí)。</p><p>　　信號(hào)處理是實(shí)現(xiàn)某些轉(zhuǎn)換、合成等功能，產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號(hào)，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動(dòng)。本級(jí)還經(jīng)常與各種保護(hù)電路、各種控制電路組合在一起，形成較高性能的驅(qū)動(dòng)輸出。</p><p>　　推動(dòng)級(jí)的作

25、用是將較小的信號(hào)加以放大，變成足以推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)的較大的信號(hào)。有時(shí)推動(dòng)級(jí)還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換的作用。</p><p>　　保護(hù)級(jí)的作用是保護(hù)驅(qū)動(dòng)級(jí)的安全。一般可根據(jù)需要設(shè)置過電流保護(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等。</p><p>　　2.2.2驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)</p><p>　　為使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)滿足各種需要的輸出，驅(qū)動(dòng)級(jí)必須對電動(dòng)機(jī)繞組提供足夠的電壓和電流，但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與一般

26、電子設(shè)備的驅(qū)動(dòng)有很多不同點(diǎn)，其主要表現(xiàn)在：</p><p>　　1．各相繞組都是開關(guān)工作，多數(shù)電動(dòng)機(jī)繞組都是連續(xù)的交流或直流，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的。</p><p>　　2．電動(dòng)機(jī)各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有較大的電感。繞組通電時(shí)電流上升率受到限制，因此影響電動(dòng)機(jī)繞組電流的大小。</p><p>　　3．繞組斷點(diǎn)時(shí)，電

27、感中磁場的儲(chǔ)能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快截止，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回落。繞組導(dǎo)通和截止都會(huì)產(chǎn)生較大的反電勢，而截止時(shí)反電勢將對驅(qū)動(dòng)級(jí)器件的安全產(chǎn)生有害的影響。</p><p>　　4．電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在各相繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，這些電勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢基本上與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨

28、著轉(zhuǎn)速升高而下降。驅(qū)動(dòng)級(jí)線路，既要保證繞組有足夠的電流電壓及正確的波形，同時(shí)要保證功率放大器件的安全運(yùn)行，另外，還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗、較低的成本。這就必須要設(shè)計(jì)合理的線路，選用合適的功率器件。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)級(jí)的功率放大器件有中功率晶體管、大功率晶體管、大功率達(dá)林頓晶體管、可控硅、可關(guān)斷可控硅、場效應(yīng)功率管、雙極型晶體管與場效應(yīng)功率管的復(fù)合管以及各種功率模塊等。</p><p

29、>　　目前步進(jìn)電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)方式有單電壓驅(qū)動(dòng)(包括單電壓串電阻驅(qū)動(dòng))、雙電壓驅(qū)動(dòng)(包括高低壓驅(qū)動(dòng))、斬波恒流驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。以下分別簡單介紹前二種驅(qū)動(dòng)方式的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)。將在后面詳細(xì)介紹細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式。</p><p>　　2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)分析</p><p>　　2.3.1 單電壓驅(qū)動(dòng)</p><p>　　單電壓驅(qū)動(dòng)是指在電動(dòng)機(jī)繞組工作過程中，

30、只用一個(gè)方向電壓對繞組供電。其原理圖如圖2.2所示，前面推動(dòng)級(jí)輸出信號(hào)In作用于三極管的基級(jí)，其集電極接電動(dòng)機(jī)的一相繞組，繞組另一端直接與電源電壓連接。因此，當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，電源電壓全部作用在電動(dòng)機(jī)繞組上。歸結(jié)起來，單電壓驅(qū)動(dòng)器有如下特點(diǎn)：線路簡單，成本低，低頻時(shí)響應(yīng)較好；有共振區(qū)，高頻時(shí)，帶載能力迅速下降。</p><p>　　單電壓驅(qū)動(dòng)的致命弱點(diǎn)是繞組導(dǎo)通的回路電氣時(shí)間常數(shù)較大，致使導(dǎo)通時(shí)繞組電流上升較慢、使

31、電機(jī)在導(dǎo)通脈寬T接近時(shí)繞組電流迅速下降。由于，故要減小電氣時(shí)間常數(shù)的方法是減小繞組的電感或增加繞組回路的電阻R。對于確定的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，繞組電感已經(jīng)確定。因此在電路中只有用增加回路電阻的方法。即單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)，其原理圖如圖2.3所示。單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)的主要缺點(diǎn)是損耗大，效率低。對比前述單電壓驅(qū)動(dòng)，其導(dǎo)通時(shí)銅損為，而串電阻后的導(dǎo)通銅損為，所以電源提供的功率大部分都消耗在串聯(lián)電阻上。</p><p>　　2.3.2雙

32、電壓驅(qū)動(dòng)</p><p>　　雙電壓驅(qū)動(dòng)的基本思想是在較低頻段用較低的電壓驅(qū)動(dòng)，而在高頻段用較高電壓驅(qū)動(dòng)，原理線路見圖2.4所示。電源直接接到由大功率管和二極管組成的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)上。當(dāng)關(guān)斷時(shí)，低壓電源通過給電路提供驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，高壓電源通過給電路提供驅(qū)動(dòng)電壓，處于反向截止?fàn)顟B(tài)，低壓電源自動(dòng)停止供電。</p><p>　　高低壓驅(qū)動(dòng)的原理線路如圖2.5所示，初看起來，與雙電壓驅(qū)動(dòng)電路似

33、乎差別不大，但實(shí)際上工作過程截然不同。圖中所示為每相的單元線路。主回路由高壓管、電動(dòng)機(jī)繞組、低壓管串聯(lián)而成。加高壓，加低電壓，電動(dòng)機(jī)繞組回路不串電阻。在每相導(dǎo)通期間，低壓管輸入信號(hào)與高壓管輸入信號(hào)見圖2.6所示。當(dāng)為高電平時(shí)，該相導(dǎo)通；當(dāng)為低電平時(shí)，該相截止。高壓管的輸入信號(hào)是由信號(hào)的前沿信號(hào)獲得的，前沿與同步。但脈沖寬度要比小得多，高低壓驅(qū)動(dòng)可保證在很寬的頻段內(nèi)都能保證相繞組有較大的平均電流，在截止時(shí)又能迅速釋放，因此能產(chǎn)生較大的且較

34、穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可得到較高的響應(yīng)。</p><p>　　第三章.步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的硬件電路只要包括控制電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路四大部分。最小系統(tǒng)只要是為了使單片機(jī)正常工作。控制電路只要由開關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進(jìn)行操作。顯示電路主要是為了顯示電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電路主要是對單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而

35、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖如圖4-1所示</p><p>　　從該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求可知，該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向，速度應(yīng)該有增減變化，通常用加減按鈕控制速度，這樣只要2根口線，再加上一根方向線盒一根啟動(dòng)信號(hào)線共需要4根輸入線。系統(tǒng)的輸出線與步進(jìn)電機(jī)的繞組數(shù)有關(guān)。這里選進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)共有四相繞組，工作電壓為+5V，可以個(gè)單片機(jī)共用一個(gè)電源。步進(jìn)電機(jī)的四相繞組用P1口的P1.0～P1.3控制，由于P1口驅(qū)動(dòng)能力

36、不夠，因而用一片2803增加驅(qū)動(dòng)能力。用P0口控制第一數(shù)碼管用于顯示正反轉(zhuǎn)，用P2口控制第二個(gè)數(shù)碼管用于顯示轉(zhuǎn)速等級(jí)。數(shù)碼管采用共陽的。</p><p>　　3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，素質(zhì)用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對51系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。</p><p&g

37、t;　　本設(shè)計(jì)采樣Atmel公司生產(chǎn)的89C52單片機(jī)是一種低功耗/低電壓‘高性能的8位單片機(jī)，它采用CMOS和高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容；片內(nèi)的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編程器來編程，內(nèi)部除CPU外，還包括256字節(jié)RAM，4個(gè)8位并行I/O口，5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，89C52單片機(jī)是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，完全滿

38、足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。 </p><p>　　復(fù)位電路：使用了獨(dú)立式鍵盤，單片機(jī)的P1口鍵盤的接口。該設(shè)計(jì)要求只需4個(gè)鍵對步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對控制功能的擴(kuò)展，使用了6路獨(dú)立式鍵盤。復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位，所謂手動(dòng)復(fù)位，是指通過接通一按鈕開關(guān)，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，晶振電路用30PF的電容和一12M晶體振蕩器組成為整個(gè)電路提供時(shí)鐘頻率。</p><p>　　晶振電路：8051單

39、片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖5示。其電容值一般在5～30pf,晶振頻率的典型值為12MHz,采用6MHz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路實(shí)用較多。</p&g

40、t;<p>　　圖4.1-1 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖</p><p>　　3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</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。

41、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，

42、所以，也有人稱步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。</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)勢的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V

43、左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的外接負(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。</p><p>　　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。可直接驅(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)

44、硅NPN達(dá)林頓管組成。 </p><p>　　ULN2003的每一對達(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。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)。ULN2003A引腳圖及功能如圖4.2-1所示。

45、</p><p>　　圖3.2-1 ULN2003A引腳圖</p><p>　　ULN2003 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅NPN 達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯片。 經(jīng)常在以下電路中使用，作為顯示驅(qū)動(dòng)、繼電器驅(qū)動(dòng)、照明燈驅(qū)動(dòng)、電磁閥驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等電路中。ULN2003 的每一對達(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

46、接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。ULN2003 的封裝采用DIP—16 或SOP—16 。ULN2003可以驅(qū)動(dòng)7個(gè)繼電器,具有高電壓輸出特性，并帶有共陰極的續(xù)流二極管使器件可用于開關(guān)型感性負(fù)載。每對達(dá)林頓管的額定集電極電流是500mA，達(dá)林頓對管還可并聯(lián)使用以達(dá)到更高的輸出電流能力。</p

47、><p>　　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，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4.2-2所示。</p><p>　　圖4.2-2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p&

48、gt;<p><b>　　4.3 顯示電路</b></p><p>　　在該步進(jìn)電機(jī)的控制器中，電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)，可以加速、減速，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速的等級(jí)分為七級(jí)，為了方便知道電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速的等級(jí)，這里設(shè)計(jì)了電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)的工作狀態(tài)的顯示電路。</p><p>　　圖4.3-1 顯示電路</p><p><b>　　

49、4.4 按鍵電路</b></p><p>　　本系統(tǒng)通4個(gè)按鍵加上拉電阻構(gòu)成系統(tǒng)的按鍵輸入電路，按鍵電路原理圖如圖4.4-1所示。</p><p>　　圖4.4-1 按鍵電路電路原理圖</p><p><b>　　4　系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)初始化、延時(shí)子程序、

50、按鍵響應(yīng)程序，子程序及控制脈沖輸出幾部分，事實(shí)上每一部分都是緊密相關(guān)的，每個(gè)功能模塊對于整體設(shè)計(jì)都是非常重要，單片機(jī)AT89C52通過軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運(yùn)行起來，軟件設(shè)計(jì)的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。</p><p>　　程序流程圖的設(shè)計(jì)遵循自頂向下的原則，即從主體遂逐步細(xì)分到每一個(gè)模塊的流程。在流程圖中把設(shè)計(jì)者的控制過程梳理清楚。具體程序的講解將在本章各節(jié)做詳細(xì)講解。</p><p

51、>　　4.1　系統(tǒng)軟件主流程圖</p><p>　　系統(tǒng)分為電機(jī)正轉(zhuǎn)、電機(jī)反轉(zhuǎn)、電機(jī)加速與電機(jī)減速的幾部分組成，其主程序框圖如圖4-1所示。· </p><p>　　圖4-1 主程序框圖</p><p><b>　　4.2 查鍵部分</b></p><p>　　查鍵程序用于判斷P0.0口與P0.1口的值，

52、當(dāng)p0.0口為0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)p0.0口為1時(shí)，繼續(xù)判斷p0.1口的值，p0.1口為0時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 查鍵部分流程圖</p><p><b>　　4.3 前進(jìn)部分</b></p><p>　　系統(tǒng)初始化之后，前進(jìn)子程序R0用于給P2口送不同的值，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的相序，使電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，P2口的值分別為

53、01H，03H，02H，06H，04H，0CH，08H，09H。流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 前進(jìn)部分流程圖</p><p><b>　　4.4 后退部分</b></p><p>　　電機(jī)反轉(zhuǎn)原理與正轉(zhuǎn)相似，此時(shí)P2口的值分別為09H，08H，0CH，04H，06H，02H，03H，01H。流程圖如圖4-4所示。<

54、/p><p>　　圖4-4 后退部分流程圖</p><p><b>　　4.5加速部分</b></p><p>　　當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的時(shí)候，按下加速鍵，調(diào)用加速子程序，使電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的延時(shí)時(shí)間變短，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速。流程圖如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 加速部分流程圖</p><p&g

55、t;<b>　　4.6 減速部分</b></p><p>　　電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的時(shí)候，按下減速鍵，通過改變電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的延時(shí)時(shí)間，使時(shí)間變長，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)減速。流程圖如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 減速部分流程圖</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明</p><p><b&g

56、t;　　原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。</p

57、><p>　　作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 </p><p>　　指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 </p><p><b>　　使用授權(quán)說明</b></p><p>　　本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的

58、規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。</p><p>　　作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 </p><p><b>

59、;　　學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。</p><p>　　作者簽名： 日期：

60、年 月 日</p><p>　　學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書</p><p>　　本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。</p>

61、<p>　　涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。</p><p>　　作者簽名：日期： 年 月 日</p><p>　　導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日</p><p><b>　　注 意 事 項(xiàng)</b></p><p>　　1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：<

62、/p><p>　　1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）</p><p><b>　　2）原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞</p><p>　　4）外文摘要、關(guān)鍵詞 </p><p>　　5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）</p><p&g

63、t;　　6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論</p><p><b>　　7）參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　8）致謝</b></p><p>　　9）附錄（對論文支持必要時(shí)）</p><p>　　2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等

64、），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。</p><p>　　3.附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。</p><p>　　4.文字、圖表要求：</p><p>　　1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請他人代寫</p><p>　　2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部

65、分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫</p><p>　　3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印</p><p>　　4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上</p><p>　　5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔</p><p><b>