基于單片機步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)正文

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單[1

2、]。</p><p>　　雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。</p><p>　　步進電動機有如下特點： </p><p>　　1）步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此，當(dāng)它

3、轉(zhuǎn)一圈后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。 </p><p>　　2）由步進電動機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單、廉價，又非?？煽?，同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 </p><p>　　3）步進電動機的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。 </p><p>　　4）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整，低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)距，因此一般可以不用

4、減速器而直接驅(qū)動負載。 </p><p>　　5）步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，不能直接使用交流電源和直流電源。 </p><p>　　6）步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應(yīng)措施。</p><p>　　國內(nèi)控制器的研究起步較晚，運動控制技術(shù)為一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，是一個以自動控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，包括許多不同學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域。

5、如電機技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論和微計算機技術(shù)等，運動控制技術(shù)是這些技術(shù)的有機結(jié)合體。總體上來說，國內(nèi)研究取得很大的進步，但無論從控制器還是從控制軟件上來看，與國外相比還是具有一定差距[2]。</p><p>　　而目前國內(nèi)已有的步進電機驅(qū)動器，一般采用高低壓驅(qū)動方式或者調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動方式，這些驅(qū)動電路僅可實現(xiàn)基本步距的運行，電路構(gòu)成復(fù)雜，而且多由分立元件組成，可靠性不高,還存在運行速度低

6、、缺乏保護電路、驅(qū)動效率低和發(fā)熱損耗大等缺點。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成化的驅(qū)動電路，但由于我國在電子材料與元器件、系統(tǒng)集成技術(shù)等基礎(chǔ)工業(yè)水平和相關(guān)前沿領(lǐng)域與國際水平差距較大，所以步進電機驅(qū)動芯片主要依靠進口。而且，現(xiàn)有的許多步進電機驅(qū)動芯片，大多僅提供整步、半步控制選擇，步進電機的運行性能并沒有太大的提高。而且價格也比較貴。</p><p>　　本文主要介紹了步進電機以及其控制驅(qū)動電路的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

7、，研究了一種用單片機制作的步進電機的控制驅(qū)動電路，使其能夠進行速度和正反轉(zhuǎn)控制，經(jīng)實驗證明效果良好且可以驅(qū)動不同功率的步進電機。電路結(jié)構(gòu)簡單，成本也非常低，有較好的應(yīng)用價值[4]。</p><p>　　1.1課題研究的背景和意義</p><p>　　步進電機最早是在1920年由英國人所開發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過不斷改良，

8、使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中[1]。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用[5]

9、。</p><p>　　步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進電機可以直接用數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便。一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度[3]。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴(yán)格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所

10、需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)[4]。因此非常適合于單片機控制。步進電機還具有快速啟動、精確步進和定位等特點，因而在數(shù)控機床，繪圖儀，打印機以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差

11、(精度為100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制[8]。</p><p>　　本設(shè)計所選的步進電機是四相步進電機，采用的方法是利用單片機控制步進電機的驅(qū)動。</p><p>　　1.2本課題的研究現(xiàn)狀</p><p>　　步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的

12、影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電機的調(diào)速一般是改變輸入步進電機的脈沖的頻率來實現(xiàn)步進電機的調(diào)速，因為步進電機每給一個脈沖就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進電機的一個脈沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步進角來改變電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。在

13、本設(shè)計方案中采用AT89C51型單片機內(nèi)部的定時器改變CP脈沖的頻率從而實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)速進行控制，實現(xiàn)電機調(diào)速與正反轉(zhuǎn)的功能。</p><p>　　目前，布進電機在工業(yè)控制生產(chǎn)以及儀器上應(yīng)用十分廣泛。通常都要對一些機械部件平移和轉(zhuǎn)動，對移動的位移和角度控制要求較高，一般的電機很難實現(xiàn)對位置和角度的精確控制，在一些智能化要求較高的場合，用模擬芯片控制器及信號發(fā)生器來控制有一定的局限性。而用單片機控制步進電機可以

14、改善性能，步進電機能實現(xiàn)精確的角度和轉(zhuǎn)數(shù)，具有良好的步進特性，最適合數(shù)字控制。在工控設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。而單片機具有芯片體積小，兼容性強，低電壓，低功耗等特點，使單片機成為驅(qū)動布進電機的最佳單元，所以單片機控制步進電機系統(tǒng)控制精度高，運行穩(wěn)定，得以廣泛應(yīng)用[10]。</p><p><b>　　2 步進電機簡介</b></p><p>　　2.1 步進電機介紹&l

15、t;/p><p>　　2.1.1 步進電機概述</p><p>　　步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變得非常的簡單。&l

16、t;/p><p>　　正常情況下，步進電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制[23]。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計采用的是步距角為1.8度的四相八拍永磁式步進電機。</p><p>　　步進電機的基本參

17、數(shù)： </p><p>　?。ㄒ唬┎竭M電機的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語</p><p>　　1、相數(shù)：產(chǎn)生不同對N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。</p><p>　　2、拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-B

18、C-C-CD-D-DA-A.</p><p>　　3、步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。</p><p>　　4、定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的

19、鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）</p><p>　　5、靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。</p><p>　　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)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音[12]。&l

20、t;/p><p>　　（二）步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：</p><p><b>　　1、步距角精度：</b></p><p>　　步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。</p><p><b>　　

21、2、失步：</b></p><p>　　電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步</p><p><b>　　3、失調(diào)角：</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。</p><p>　　4、最大空載起動頻率：&

22、lt;/p><p>　　電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。</p><p>　　5、最大空載的運行頻率：</p><p>　　電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。</p><p><b>　　6、運行矩頻特性：</b></p><

23、;p>　　電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。</p><p>　　7、電機的共振

24、點： </p><p>　　步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(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），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 </p><p>　　8、電機

25、正反轉(zhuǎn)控制：</p><p>　　當(dāng)電機繞組通電時序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-D-CD-C-BC-B-AB-A時為反轉(zhuǎn)。</p><p>　　步進電機的特征如下：</p><p>　　1、一般步進電機的精度為步進角的3%-5%，且不積累。</p><p>　　2、步進電機外表允許的最高溫度。</p

26、><p>　　步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。</p><p>　　3、步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。</p><p>　　當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時

27、，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減少，從而導(dǎo)致力矩下降。</p><p>　　4、步進電機低速時可以正常轉(zhuǎn)動，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。</p><p>　　步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟

28、步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。</p><p>　　步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用[15]。</p><p>　　2.1.2 步進電機的

29、工作原理</p><p>　　步進電機的工作就是步進轉(zhuǎn)動，其功用是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或是直線位移，就是給一個脈沖信號，電動機轉(zhuǎn)動一個角度或是前進一步。步進電機的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率(f)成正比，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。</p><p>　　如

30、下所示的步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖2.1.1是該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖。</p><p>　　圖2.1.1 四相步進電機步進示意圖</p><p>　　開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5

31、號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。</p><p>　　當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D</p><p>　　四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。</p>

32、<p>　　單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.1.2所示：</p><p>　　圖2.1.2 步進電機工作時序波形圖</p><p>　　2.1.3 步進電機的分類與選擇</p><p>　　現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。</p>

33、;<p>　　反應(yīng)式步進電動機采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，但動態(tài)性能相對較差。</p><p>　　永磁式步進電機轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和

34、排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，它的出力大，動態(tài)性能好，但步距角一般比較大。一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度。</p><p>　　混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛，它是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，步距

35、角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機。</p><p>　　步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。</p><p><b>　　1、步距角的選擇</b></p><p>　　電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（

36、當(dāng)量）換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。</p><p><b>　　2、靜力矩的選擇</b></p><p>　　步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜

37、力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。</p><p><b>　　3、電流的選擇</b></p>

38、<p>　　靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）。</p><p><b>　　4、力矩與功率換算</b></p><p>　　步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：</p><p>　　P=&#

39、160;Ω·M Ω=2π·n/60 P=2πnM/60 （1）其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米</p><p>　　P=2πfM/400(半步工作） （2）</p><p>　　其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS）</p><p>　　2.

40、2 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)介紹</p><p>　　2.2.1 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)簡介</p><p>　　步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備——步進電機驅(qū)動器.步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與電機本身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。典型的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅(qū)動器和步進電機本體三部分組成。步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖

41、，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個步距角，即步進一步。步進電機轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低?？刂破鞯姆较蛐盘枦Q定步進電機的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。通常，步進電機驅(qū)動器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動電路、保護電路和電源組成。步進電機驅(qū)動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機通電方式產(chǎn)生步進電機各相勵磁繞組導(dǎo)通或截止信號。控制電路輸出的信號功率很低，不能提供步進電機所需的輸

42、出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅(qū)動器的功率驅(qū)動部分。功率驅(qū)動電路向步進電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。保護電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅(qū)動器和電機的運行[24]。</p><p><b>　　3 單片機簡介</b></p><p><b>　　3.1單片機概述</b></p>&

43、lt;p>　　單片機（single-chip microcomputer）是把微型計算機主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計算機。由于單片機的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號傳送距離，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運行速度，同時它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　3.1.1 AT89C205151簡介</p>

44、;<p>　　89C2051是由ATMEL公司推出的一種小型單片機。95年出現(xiàn)在中國市場。其主要特點為采用Flash存貯器技術(shù)，降低了制造成本，其軟件、硬件與MCS-51完全兼容，可以很快被中國廣大用戶接受，其程序的電可擦寫特性，使得開發(fā)與試驗比較容易。</p><p>　　1 引腳　　89C2051共有20條引腳，詳見圖3.1從圖中可見，2051繼承了8031最重要引腳：　P1口共8腳，準(zhǔn)雙向

45、端口。　　P3.0～P3.6共7腳，準(zhǔn)雙向端口，并且保留了全部的P3的第二功能，如P3.0、P3..1的串行通訊功能，P3.2、P3..3的中斷輸入功能，P3.4、P3.5的定時器輸入功能。 在引腳的驅(qū)動能力上面，89C2051具有很強的下拉能力，P1,P3口的下拉能力均可達到20mA.相比之下，89C51/87C51的端口下拉能力每腳最大為15mA。但是限定9腳電流之和小于71mA.這樣，引腳的平均電流只9mA。89C205

46、1驅(qū)動能力的增強，使得它可以直接驅(qū)動LED數(shù)碼管。 為了增加對模擬量的輸入功能，2051在內(nèi)部構(gòu)造了一個模擬信號比較器，其輸入端連到P1.0和P1.1口，比較結(jié)果存入P3.6對應(yīng)寄存器，（P3.6在2051外部無引腳）對于一些不大復(fù)雜的控制電路我們就可以增加少量元件來實現(xiàn)，例如，對步進電機的控制，過壓的控制等。</p><p>　　圖 3.1 89C2051引腳圖</p><p

47、>　　2 電源　　89C2051有很寬的工作電源電壓，可為2.7～6V,當(dāng)工作在3V時，電流相當(dāng)于6V工作時的1/4。89C2051工作于12Hz時，動態(tài)電流為5.5mA，空閑態(tài)為1mA,掉電態(tài)僅為20nA。這樣小的功耗很適合于電池供電的小型控制系統(tǒng)。</p><p>　　3 存儲器　　 89C2051片內(nèi)含有2k字節(jié)的Flash程序存儲器，128字節(jié)的片內(nèi)RAM,與80C31內(nèi)部完全類似。由于205

48、1內(nèi)部設(shè)計全靜態(tài)工作，所以允許工作的時鐘為0～20MHz,也就是說，允許在低速工作時，不破壞RAM內(nèi)容。相比之下，一般8031對最低工作時鐘限制為3.5MHz，因為其內(nèi)部的RAM是動態(tài)刷新的。</p><p>　　89C2051不允許構(gòu)造外部總線來擴充程序/數(shù)據(jù)存儲器，所以它也不需要ALEPSEN、RD、WR一類的引腳。</p><p>　　4 內(nèi)部I/O控制 89C2051在內(nèi)部I/

49、O控制上繼承了MCS51的特性： 5路2級優(yōu)待中斷，串等口。</p><p>　　2路定時器/計數(shù)器，內(nèi)部組成參見圖3.2：</p><p>　　圖3.2 內(nèi)部I/O控制電路圖</p><p>　　4 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　系統(tǒng)總體工作原理框圖如圖4.1所示。</p><p>　　本系統(tǒng)主要由按鍵

50、電路、單片機最小系統(tǒng)、AT89C2051單片機、步進電機電機電路、驅(qū)動電路以及步進電機等幾部分組成.驅(qū)動電路可以采用FT5754芯片來實現(xiàn),芯片內(nèi)部有四組3 A、5 W、100 V的PNP達林斯頓電路及4個二極管,輸出4個管腳○11,⑨,④,②分別與步進電機的四相繞組向連接.但考慮到所采用的步進電機功率和額定電流都較小,以及經(jīng)濟性方面,本設(shè)計直接采用4個NPN型三極管來作為驅(qū)動電路.</p><p>　　步進電機

51、的控制主要通過5個按鍵來實現(xiàn),這5個按鍵分別表示“正轉(zhuǎn)”、“反轉(zhuǎn)”、“加速”、“減速”和“停止”.單片機輸出四路脈沖信號觸發(fā)驅(qū)動電路的4個NPN型三極管,其</p><p>　　中觸發(fā)導(dǎo)通的三極管可驅(qū)動步進電機的相應(yīng)繞組得電,即步進電機獲得脈沖,而產(chǎn)生一定的角位移.單片機循序不斷的輸出時序脈沖,就可以實現(xiàn)步進電機的旋轉(zhuǎn)了.總體設(shè)計原理見圖3.1所示.</p><p>　　圖4.1 系統(tǒng)總體

52、工作原理框圖 </p><p><b>　　4.1 系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　系統(tǒng)原理圖如圖4.2所示，AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4~P1.7輸出，經(jīng)74LS14反相后進入9014，經(jīng)9014放大后控制光電開關(guān)，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號進行電壓和電流放大，驅(qū)動步進電機的各相繞組。使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉(zhuǎn)、

53、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動作。圖中L1為步進電機的一相繞組。AT89C2051選用頻率22MHz的晶振，選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小AT89C2051對上位機脈沖信號周期的影響。 圖中的RL1~RL4為繞組內(nèi)阻，50Ω電阻是一外接電阻，起限流作用，也是一個改善回路時間常數(shù)的元件。D1~D4為續(xù)流二極管，使電機繞組產(chǎn)生的反電動勢通過續(xù)流二極管（D1~D4）而衰減掉，從而保護了功率管TIP122不受損壞。 

54、   在50Ω外接電阻上并聯(lián)一個200μF電容，可以改善注入步進電機繞組的電流脈沖前沿，提高了步進電機的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200Ω電阻可減小回路的放電時間常數(shù)，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時間變小，起到提高高頻工作性能的作用。</p><p>　　圖4.2 系統(tǒng)原理圖</p><p>　　4.2　AT89S51單片機及其最小系統(tǒng)</p>

55、<p>　　Atmel公司的生產(chǎn)的89C2051單片機是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機,它采用CMOS和高密度非易失性存儲器技術(shù),而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容.</p><p>　　單片機最小系統(tǒng)包括振蕩電路和復(fù)位電路兩部分,振蕩電路采用12 M晶振,這樣一個機器周期T=12fosc=1212M=1μs.復(fù)位電路采用手動復(fù)位,當(dāng)按下RESET按鍵,電阻R1、R2接通5 V電源,

56、此時R2分得電壓大約為4 V,為高電平,即置單片機RST腳為高電平,單片機復(fù)位。</p><p><b>　　4.3　按鍵電路</b></p><p>　　采用5個按鍵用來控制步進電機的5種狀態(tài),即“正轉(zhuǎn)”、“反轉(zhuǎn)”、“加速”、“減速”和“停止”.當(dāng)按下其中一個按鍵時,電源通過上拉電阻和按鍵到地形成通路,使相應(yīng)輸入管腳接地,即給單片機送入一個低電平,此低電平即為有效電

57、平.其電路如圖3.3所示。</p><p>　　圖4.3 按鍵部分電路</p><p>　　4.4　步進電機狀態(tài)顯示電路</p><p>　　狀態(tài)指示采用3種顏色的發(fā)光二極管,“綠色”、“黃色”和“紅色”分別表示步進電機的“正轉(zhuǎn)”、“反轉(zhuǎn)”和“停止”狀態(tài).限流電阻選擇1 K的電阻,使發(fā)光二極管的電壓降為3 V左右。</p><p>　　4.5

58、　步進電機驅(qū)動電路</p><p>　　從單片機輸出4路脈沖信號,經(jīng)過非門和限流電阻,送到4個NPN型三極管的基極。如果從單片機輸出的是高電平,經(jīng)過非門變成低電平,送入三極管,使三極管截止;如果從單片機輸出的是低電平,經(jīng)過非門變成高電平,此高電平使三極管導(dǎo)通。步進電機的每相繞組并上一個二極管,目的是防止在三極管瞬間截止時, 繞組電感所產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動勢擊穿三極管。</p><p>　　非

59、門采用74LS04芯片,其內(nèi)部共有6個獨立的非門,這里只用了其中的4個。</p><p>　　驅(qū)動電路如圖4.5所示。</p><p>　　圖4.5 驅(qū)動電路圖</p><p><b>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p>　　該驅(qū)動器根據(jù)撥碼開關(guān)KX、KY的不同組合有三種工作方式供選擇：方式1為中斷方式：

60、P3.5(INT1)為步進脈沖輸入端，P3.7為正反轉(zhuǎn)脈沖輸入端。上位機（PC機或單片機）與驅(qū)動器僅以2條線相連。方式2為串行通訊方式： 上位機（PC機或單片機）將控制命令發(fā)送給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)控制命令自行完成有關(guān)控制過程。方式3為撥碼開關(guān)控制方式： 通過K1~K5的不同組合，直接控制步進電機。 當(dāng)上電或按下復(fù)位鍵KR后，AT89C2051先檢測撥碼開關(guān)KX、KY的狀態(tài)，根據(jù)KX、KY 的不同組合，進入不同的工作方式。以下

61、給出方式1的程序流程框圖與源程序。 在程序的編制中，要特別注意步進電機在換向時的處理。為使步進電機在換向時能平滑過渡，不至于產(chǎn)生錯步，應(yīng)在每一步中設(shè)置標(biāo)志位。其中20H單元的各位為步進電機正轉(zhuǎn)標(biāo)志位；21H單元各位為反轉(zhuǎn)標(biāo)志位。在正轉(zhuǎn)時，不僅給正轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值，也同時給反轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值；在反轉(zhuǎn)時也如此。這樣，當(dāng)步進電機換向時，就可以上一次的位置作為起點反向運動，避免了電機換向時產(chǎn)生錯步。</p><p>&

62、lt;b>　　設(shè)計結(jié)論</b></p><p>　　通過本次畢業(yè)設(shè)計我學(xué)習(xí)了單片機、步進電機等相關(guān)知識。</p><p>　　本次設(shè)計要求是通過單片機控制步進電機，其原理是改變輸入步進電機的脈沖的頻率來實現(xiàn)步進電機的調(diào)速，因為步進電機每給一個脈沖就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進電機的一個脈沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步進角來改

63、變電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)步進電的調(diào)速。具體的延時時間可以通過軟件來實現(xiàn)。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)步進電機的啟停、正反轉(zhuǎn)以及速度的調(diào)節(jié)，通過本次畢業(yè)設(shè)計加強了我對軟件編程和硬件設(shè)計的掌握，并且熟悉了89C2051等芯片。步進電機在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。它可以把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等，所以說步進電機有著廣闊的市場和遠大的發(fā)展前景。</p>

64、;<p><b>　　附錄A</b></p><p>　　圖5.1 程序流程框圖</p><p>　　附錄B源程序如下：   MOV        20H,#00H        ;20H單元

65、置初值，電機正轉(zhuǎn)位置指針  MOV         21H,#00H       ;21H單元置初值，電機反轉(zhuǎn)位置指針  MOV         P1,#0C0H  

66、      ;P1口置初值，防止電機上電短路  MOV         TMOD,#60H        ;T1計數(shù)器置初值,開中斷  MOV     &#

67、160;   TL1,#0FFH  MOV         TH1,#0FFH  SETB        ET1  SETB        EA  SE

68、TB        TR1  SJMP        $;***********計數(shù)器1中斷程序************</p><p>　　IT1P:       JB  

69、0;       P3.7,FAN      ;電機正、反轉(zhuǎn)指針;*************電機正轉(zhuǎn)*****************            JB   

70、0;      00H,LOOP0            JB          01H,LOOP1       &

71、#160;    JB          02H,LOOP2            JB          03H,L

72、OOP3            JB          04H,LOOP4            JB  

73、        05H,LOOP5            JB          06H,LOOP6     

74、60;      JB          07H,LOOP7LOOP0:      MOV         P1,#0D0H   

75、60;     MOV         20H,#02H         MOV         21H,#40H   

76、60;     AJMP        QUITLOOP1:      MOV         </p><p><b>　　參考文獻</b><

77、/p><p>　　[1]張友德.單片微型機原理、應(yīng)用與實驗[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2005.</p><p>　　[2]袁任光,張偉武.電動機控制電路選用與258實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.</p><p>　　[3]王秀和.永磁電機[M].北京: 中國電力出版社,2007.</p><p>　　[4]房玉明,杭柏林.基于單

78、片機的步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)[J].電機與控制應(yīng)用，2006，33（4）：64-64.</p><p>　　[5]江一，朱凌,申仲濤.異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報,2003，(1):10-13.</p><p>　　[6]張巍. 淺談單片機控制步進電機[J]. 安防科技,2006，(3): 25.</p><p>　　[7] 喬璐.,景林,韓

79、英桃.一種實用的步進電動機驅(qū)動器設(shè)計[J].微特電機,2005，(10):29-31.</p><p>　　[8] 康晶.采用反饋控制的步進電機高低壓驅(qū)動電路[J].電力電子技術(shù),2003,37(1):61-62,65. </p><p>　　[9]白恩遠 王俊元 孫愛國.現(xiàn)代數(shù)控機床伺服及檢測技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.</p><p>　　[10

80、]劉寶廷.步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1997.</p><p>　　[11]李海波 何雪濤.步進電機升降速的離散控制[J].北京化工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2003</p><p>　　[12]張曉宏 張懷寧.基于光柵信號的步進電機速度控制[J].光電工程,2000 </p><p>　　[13]陳愛國 楊紅紅等.步進電機升降速曲

81、線的研究[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2003</p><p>　　[14]王福瑞 等.單片機微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1998</p><p>　　[15]楊寧 胡學(xué)軍.單片機與控制技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005</p><p>　　[16]陳隆昌，等.控制電機（ 第三版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20

82、00</p><p>　　[17] 李廣弟，朱月秀，冷祖祁.單片機基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007</p><p>　　[18] 曾令全.電機學(xué)[M].北京：中國電力出版社，2007:117-156</p><p>　　[19] 常喜,姜文龍,丁桂英. 基于AT89C51單片機的步進電機控制系統(tǒng)[J]. 甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2009,

83、 (S3)</p><p>　　[20] 劉興輝，畢國玲 步進電機的單片機控制系統(tǒng)研制[J]. 遼寧大學(xué)學(xué)報 ,2007,34(4)：24-32</p><p>　　[21] 徐益民 步進電機的單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計[J],煤礦機械，2005</p><p>　　[22] 何忠悅. 步進電機控制系統(tǒng)中的可調(diào)細分電路[J]. 中國科技信息, 2006, (05)<

84、/p><p>　　[23] 李國厚.步進電機驅(qū)動與控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤礦機械 2008，29（2）：42-56</p><p>　　[24] 王詣,尤麗華. 基于AT89S51單片機的步進電機控制系統(tǒng)的研究[J]. 機電一體化, 2008, (04)</p><p>　　[25] 王玉琳，王強.步進電機速度調(diào)節(jié)方法[J].電機與控制應(yīng)用.2006(1):53-56&

85、lt;/p><p>　　[26] 盛 超，鐘運平，宋曉華等.基于AT89C51的混合式兩相步進電機控制器[J].電氣應(yīng)用，2005,01（2）：15-18</p><p>　　[27] 袁忠. 基于單片機的步進電機控制應(yīng)用[J]. 制造業(yè)自動化, 2009, (03)</p><p>　　[28郝碧霞. 步進電機的微型計算機控制[J]. 山西焦煤科技, 2007, (0

86、5)</p><p>　　[29] Bai You'ai He JianDe Chen Qing (et al) Effects of nitrogen supply levels on greenhouse tomato growth and nitrogen utilization in Beijing Region. China Vegetables. Institute of Vegetable

87、s and Flowers,Beijing, China: 2004. 2,7-9.</p><p>　　[30] Aezdek J.Fizzy Models-What Are They ,and Why?IEEE Trans on Fuzzy Systems,1993(1):1～6 </p><p><b>　　致 謝 </b></p>&l

88、t;p>　　本論文是在我的導(dǎo)師李老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。在整個畢業(yè)設(shè)計任務(wù)和論文的完成過程中，老師付出了很多的心血，從論文的選題、開題到方案設(shè)計及最后的論文撰寫、修改都離不開老師的精心指導(dǎo)。老師在百忙之中仍抽出寶貴的時間和我研究、討論論文和設(shè)計中所遇到的難點，直到我尋找解決問題的途徑，在此，我要真誠地感謝我的老師。</p><p>　　首先，理論設(shè)計部分付出了很大的努力。從翻閱大量書籍和其他資料到

89、頻繁上網(wǎng)搜索相關(guān)內(nèi)容，以從中汲取與本課題相關(guān)的信息，然后進行方案構(gòu)思，最終設(shè)計一個初步方案。其次，實踐環(huán)節(jié)可以從很多方面鍛煉學(xué)生素質(zhì)，它是對理論設(shè)計的驗證，是判定畢業(yè)設(shè)計成功與否的重要依據(jù)?？傊厴I(yè)設(shè)計的整個過程，我個人受益非淺。因為該題目涉及專業(yè)外的知識，如步進電機，所以知識面有所拓展。我對它的控制及驅(qū)動原理有所了解，并掌握了一些專業(yè)知識，對有些細節(jié)的相關(guān)知識點有了更深的理解。</p><p>　　到目前為止

90、，為期三個多月的畢業(yè)設(shè)計已圓滿結(jié)束。通過這次親自動手參與畢業(yè)設(shè)計的全過程，理論到實踐，我在各方面都有所提高。收獲成果的同時，眼界也開闊了很多。</p><p>　　在這一個學(xué)期的學(xué)習(xí)和生活中，得到了許多同學(xué)的幫助，在此我要感謝全體同學(xué)們，是他們給我提供了一個良好的學(xué)習(xí)和研究環(huán)境，在和他們的討論和交流過程中，使我增長了不少知識，積累了不少經(jīng)驗。 </p><p>　　而除了以上提到的之外，當(dāng)