步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)論文（設(shè)計）</b></p><p>　　題 目：_步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計 </p><p>　　成 績：_________</p><p>　　學(xué)歷層次：_____專 升 本__</p><p>　　專 業(yè)：電氣工程及其自動</p><p>　　年

2、級：____2016 級______</p><p>　　姓 名：_ __</p><p>　　指導(dǎo)教師：________________</p><p>　　完成日期：________________</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b&g

3、t;　　1緒論1</b></p><p>　　1.1 步進電機及其發(fā)展2</p><p>　　1.2 步進電機國內(nèi)外的研究與在我國的應(yīng)用.2</p><p>　　1.3 本文設(shè)計內(nèi)容.2</p><p>　　2 步進電機簡介3</p><p>　　2.1 步進電機的概念3</p>

4、<p>　　2.2 步進電機的結(jié)構(gòu)分類與工作原理3</p><p>　　2.2.1 步進電機的結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2.2.2 步進電機的工作原理3</p><p>　　2.2.3 步進電機的分類5</p><p>　　2.3 步進電機的特點5</p><p>　　2.4 步進電機的驅(qū)動6&

5、lt;/p><p>　　2.5 步進電機的基本參數(shù)8</p><p>　　2.5.1 步進電機的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語8</p><p>　　2.5.2 步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語9</p><p>　　3 步進電機的單片機控制10</p><p>　　3.1 步進電機控制系統(tǒng)組成10</p><p>

6、　　3.2 步進電機控制系統(tǒng)原理11</p><p>　　3.3 脈沖分配11</p><p>　　3.4 步進電機與微型機的接口電路13</p><p>　　4 步進電機的運行控制16</p><p>　　4.1 步進電機的速度控制15</p><p>　　4.2 步進電機的位置控制15</p>

7、;<p>　　4.3 步進電機的加減速控制16</p><p>　　5 步進電機的程序設(shè)計19</p><p>　　5.1 程序框圖19</p><p>　　5.2 匯編程序20</p><p><b>　　設(shè)計總結(jié)21</b></p><p><b>　　致

8、謝22</b></p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1 步進電機及其發(fā)展</p><p>　　步進電機又稱為脈沖電動機或階躍電動機，它是基于最基本的電磁感應(yīng)作用，將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制

9、元件。單片機控制的步進電機廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動控制、數(shù)控機床、組合機床、機器人、計算機外圍設(shè)備、照相機，大型望遠鏡，衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)等等。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，技術(shù)的進步和電子技術(shù)的發(fā)展，步進電機的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，同時也對步進電機的運行性能提出了更高的要求。</p><p>　　步進電機的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氬弧燈的電極輸送機構(gòu)中，這被認為最早的步進電機。

10、</p><p>　　1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。到20世紀60年代后期，在步進電機本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實用性步進電機應(yīng)運而生。步進電機往后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。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

11、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。</p><p>　　圖1.1 步進電機的外觀圖</p><p>　　1.2 步進電機國內(nèi)外的研究與在我國的應(yīng)用</p><p>　　步進電機是國外發(fā)明的。國內(nèi)過去是用大力矩步進電動機實現(xiàn)機床數(shù)控，有實力的公司現(xiàn)在也采用交流電動機驅(qū)動數(shù)控機床，在驅(qū)動設(shè)備的主要差距，是國外對交流電動機的控制理論與工程分析

12、和應(yīng)用能力強，先進的控制理論作為軟件，寫在控制器內(nèi)部。</p><p>　　總的來說，步進電機是一種簡易的開環(huán)控制，對運用者的要求低，不適合在大功率的場合使用。 </p><p>　　國外在大功率的工業(yè)設(shè)備驅(qū)動上，目前基本不使用大扭矩步進電動機，因為從驅(qū)動電路的成本，效率，噪音，加速度，絕對速度，系統(tǒng)慣量與最大扭矩比來比較，比較不劃算，還是用直流電動機，加電動機編碼器整體技術(shù)和經(jīng)濟一些少

13、數(shù)高級的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機，交流電機。</p><p>　　國外在小功率的場合，還使用步進電機，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，打印機，復(fù)印件，速印機，銀行自動柜員機。國外用許多現(xiàn)代的手段將步進電機排擠出驅(qū)動應(yīng)用，除了前面提到的旋轉(zhuǎn)編碼器，打印機還使用光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動機，實現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制。</p><p>　　我國步進電機的研究及制造起始于本世界50年代后期，從5

14、0年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研機構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。我國在文化大革命中開始大量生產(chǎn)和應(yīng)用步進電機，而且都在各行業(yè)使用，其中的驅(qū)動電路所有半導(dǎo)體器件、中等耐壓的大功率半導(dǎo)體器件也完全國產(chǎn)化。70年代中期至80年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動機不斷被開發(fā)。至80年代中期以來，由于步進電機精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進電機及驅(qū)動器作為產(chǎn)品廣泛利用。</p><p>　

15、　1.3 本文設(shè)計內(nèi)容</p><p>　　本設(shè)計主要是研究基于單片機的步進電機控制，采用單片機AT89C51和脈沖分配器PMM8713控制步進電機在三相六拍工作方式下的啟?？刂?，正反轉(zhuǎn)控制和加減速控制，以實現(xiàn)基于步進電機的XY工作臺兩點間的位移控制。</p><p>　　第二章 步進電機簡介</p><p>　　2.1 步進電機的概念</p>&

16、lt;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)控制元步進電機件。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，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目目的；同

17、時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目常情況下，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。</p><p>　　2.2 步進電機的結(jié)構(gòu)、分類與工作原理</p><p>　　2.2.1 步進電機的

18、結(jié)構(gòu)</p><p>　　步進電機分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分：</p><p>　　1. 定子：由硅鋼片疊成的，定子上有6大磁極，每2個相對的磁極（Ｎ，S）組成一對，共有3對。定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。 0、1/3π、2/3π,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以π表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3π，C與齒3向右錯開2/3π，A'與齒5相對齊

19、，（A'就是A，齒5就是齒1）。</p><p>　　2. 轉(zhuǎn)子：由軟磁材料制成，其外表面也均勻地分布著小齒,與定子上的小齒相同，并且小齒的大小相同，間距相同。</p><p>　　2.2.2 步進電機的工作原理</p><p>　　步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個

20、固定的角度（及步進角）。我們可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時我們也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。</p><p>　　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

21、控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 </p><p>　　如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是該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖。</p><p>　　圖2.1 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

22、、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四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)

23、子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。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2.2所示：</p><p>　　圖2.2 步進電機工作時序波形圖</p><p>　　2.2.3 步進電機的分類</p><p>　　步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB） </p><p><b>　　永磁式步進電機

24、：</b></p><p>　　永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度,永磁式步進電動機輸出力矩大，動態(tài)性能好，但步距角大。 </p><p><b>　　反應(yīng)式步進電機：</b></p><p>　　反應(yīng)式步進電機一般為三相，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

25、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。反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角??；但動態(tài)性能差。 </p><p><b>　　混合式步進電機：</b></p><p>　　混合式步進電動機綜合了反應(yīng)式、永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點，它的步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進電動機。它有時也稱作永磁感應(yīng)子式步進電動機。

26、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。</p><p>　　2.3 步進電機的特點</p><p>　　1. 一般步進電機的精度為步進角的3-5%，角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。</p><p>　　2. 步進電機外表不允許較高的溫度。</p><p

27、>　　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，電機各相繞組的電感

28、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）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。</p><p>　　4. 步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差。</p><p>　　5. 由步進電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非常的可靠。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&g

29、t;　　6. 步進電機的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停，正反轉(zhuǎn)及變速。</p><p>　　7. 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大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。</p><p>　　8. 步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。</p><p>　　2.4 步進電機的驅(qū)動</p><p&g

30、t;　　步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅(qū)動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。驅(qū)動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口，這里予以簡單介紹。</p><p>　　2.4.1 單電壓功率驅(qū)動接口</p><p>　　單電壓驅(qū)動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源對繞組供電，它的特點是電路最簡單。&

31、lt;/p><p>　　步進電機使用脈沖電源工作，脈沖電源的獲得可通過下圖說明，開關(guān)管T是按照控制脈沖的規(guī)律“開”和“關(guān)”，使直流電源以脈沖方式向繞組L供電，這一過程我們稱為步進電機的驅(qū)動。</p><p>　　實用電路如下圖所示。在電機繞組回路中串有電阻Rs，使電機回路時間常數(shù)減小，高頻時電機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅(qū)動線路

32、中，Rs是不可缺少的。Rs對步進電動機單步響應(yīng)的改善如圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3 單電壓功率驅(qū)動接口電路圖</p><p>　　在圖2.4.1中，電路中只有一個電源V，電路中的限流電阻R1決定了時間常數(shù)，但R1太大會使繞組供電電流減小。這一矛盾不能解決時，會使電動機的高頻性能下降，可在R1兩端并聯(lián)一個電容，以使電流的上升波形變陡，來改善高頻特性，但這樣做又使低頻性能變差

33、。</p><p>　　R1在工作中腰消耗一定的能量，所以這個電路損耗大，效率低，一般只用于小功率步進電機的驅(qū)動。</p><p>　　2.4.2 雙電壓功率驅(qū)動接口</p><p>　　用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動。雙電壓驅(qū)動有兩種工作方式：雙電壓法和高低壓法。</p><p>　　雙電壓驅(qū)動的基本

34、思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅(qū)動，而在高速（高頻段）時用較高的電壓UH驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控制信號，Uh為高壓有效控制信號，U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。圖2.4中，功率管TH和二極管DL構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)Uh低電平，TH關(guān)斷，DL正偏置，低電壓UL對繞組供電。反之Uh高電平，TH導(dǎo)通，DL反偏，高電壓UH對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時功耗減小。其電路圖如下所示：</p>&l

35、t;p>　　圖2.4 雙電壓功率驅(qū)動接口電路</p><p>　　雖然這方法保證了低頻段仍然具有單電壓驅(qū)動的特點，在高頻段具有良好的高頻特性，但仍沒有擺脫單電壓驅(qū)動的弱點，在限流電阻R上仍然會產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。</p><p>　　2.4.3 高低壓功率驅(qū)動接口</p><p>　　高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是，不論電機工作頻率如何，均利用高電壓UH供電來提高導(dǎo)通相繞

36、組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓UL來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻Rs，消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動功率接口也有兩個輸入控制信號Uh和Ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時刻跳變，高壓管VTH的導(dǎo)通時間tl不能太大，也不能太小，太大時，電機電流過載；太小時，動態(tài)性能改善不明顯。一般可取1~3ms。（當(dāng)這個數(shù)值與電機的電氣時間常數(shù)相當(dāng)時比較合適）。</p><p>　　高低

37、壓驅(qū)動電路如下圖所示：</p><p>　　圖2.5 高低壓驅(qū)動接口電路圖</p><p>　　高低壓驅(qū)動法是目前普遍應(yīng)用的一種方法，由于這種驅(qū)動在低頻時電流有較大的上沖，電動機低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時要注意。</p><p>　　2.5 步進電機的基本參數(shù)</p><p>　　2.5.1 步進電機的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語：</p

38、><p>　?。?）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>　?。?）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-BC-C-CD-D-DA-A.</p><p>　?。?）步距角：對

39、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)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）</p><p>

40、;　?。?）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</p><p><b>　　等無關(guān)。</b></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)，但過分采用減小氣隙 ，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。</

41、p><p>　　2.5.2 步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：</p><p>　?。?）步距角精度：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>　　（2）失步：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&

42、gt;　　（3）失調(diào)角：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>　?。?）最大空載起動頻率：</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：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶

43、負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。</p><p>　?。?）運行矩頻特性：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

44、流的電機。</p><p>　?。?）電機的共振點：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>

45、;　　第三章 步進電機的單片機控制</p><p>　　3.1 步進電機控制系統(tǒng)組成</p><p>　　圖3.1 用微型機控制步進電機原理系統(tǒng)圖</p><p>　　與傳統(tǒng)步進控制器相比較有以下優(yōu)點：</p><p>　　1. 用微型機代替了步進控制器把并行二進制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實現(xiàn)方向控制。</p><p&

46、gt;　　2. 只要負載是在步進電機允許的范圍之內(nèi)，每個脈沖將使電機轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度。</p><p>　　3. 根據(jù)步距角的大小及實際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進電機的最終位置。</p><p>　　3.2 步進電機控制系統(tǒng)原理</p><p>　　3.2.1 脈沖序列的生成</p><p>　　圖3.2 脈沖的生成<

47、;/p><p>　　脈沖幅值：由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。 </p><p>　　TTL 0 ～ 5V </p><

48、p>　　CMOS 0 ～ 10V</p><p>　　接通和斷開時間可用延時的辦法控制。要求：確保步進到位。</p><p>　　3.2.2 方向控制</p><p>　　步進電機旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。 三相六拍，通電順序為: </p><p>　　正轉(zhuǎn): AABBBCCCA </p><p

49、>　　反轉(zhuǎn): AACCCBBBA </p><p>　　改變通電順序可以改變步進電機的轉(zhuǎn)向 </p><p><b>　　3.3 脈沖分配</b></p><p>　　實現(xiàn)脈沖分配（也就是通電換相控制）的方法有兩種：軟件法和硬件法</p><p>　　3.3.1 通過軟件實現(xiàn)脈沖分配</p>

50、;<p>　　軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過單片機的IO向驅(qū)動電路發(fā)出控制脈沖，下面以三相六拍為例</p><p>　　上面提到了三相六拍工作方式通電換相得正序為A-AB-B-BC-C-CA-A,，反序為A-AC-C-CB-B-BA-A</p><p>　　圖3.3 用軟件實現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖</p><p>　　注：P1.

51、0：A相驅(qū)動</p><p><b>　　P1.1：B相驅(qū)動</b></p><p><b>　　P1.2：C相驅(qū)動</b></p><p>　　三相六拍控制字如下表所示：</p><p>　　表3.4 三相六拍工作方式的控制字</p><p>　　注：0代表使繞組斷電，1

52、代表使繞組通電</p><p>　　在程序中，只要依次將這10個控制字送到P1口，步進電機就會轉(zhuǎn)動一個齒距角，每送一個控制字，就完成一拍，步進電機轉(zhuǎn)過一個步距角。</p><p>　　軟件法在電動機運行過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的CPU時間，可能使單片機無法同時進行其他工作（如監(jiān)測等），所以，人們更喜歡用硬件法。</p><p>　　3.3.2 通過硬

53、件實現(xiàn)脈沖分配</p><p>　　所謂硬件法實際上就是使用脈沖分配器8713，來進行通電換相控制。</p><p>　　8713是屬于單極性控制，用于控制三相和四相步進電機，我們選擇的是三相六拍工作方式。8713可以選擇單時鐘輸入或雙時鐘輸入，具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)位、工作方式和輸入脈沖狀態(tài)監(jiān)視等功能，所有輸入端內(nèi)部都設(shè)有斯密特整形電路，提高抗干擾能力，使用4~18V直流電源，輸出電流

54、為20mA。本例選用單時鐘輸入方式，8713的3腳為步進脈沖輸入端，4腳為轉(zhuǎn)向控制端，這兩個引腳的輸入均由單片機提供和控制，選用對三相步進電機進行六拍方式控制，所以5、6腳接高電平，7腳接地。</p><p><b>　　如下圖所示：</b></p><p>　　圖3.5 89C51單片機系列和8713脈沖分配器的接口圖</p><p>　　

55、由于采用了脈沖分配器，單片機只需提供步進脈沖，進行速度控制和轉(zhuǎn)向控制，脈沖分配的工作交給8713來自動完成，因此，CPU的負擔(dān)減輕許多。</p><p>　　3.4 步進電機與微型機的接口電路</p><p>　　由于步進電機的驅(qū)動電流較大，所以微型機與步進電機的連接都需要專門的接口及驅(qū)動電路。驅(qū)動器可用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動器。</p><p>　　總之

56、，只要按一定的順序改變8713脈沖分配器的 13腳～15腳 三位通電的狀況，即可控制步進電機依選定的方向步進。由于步進電機運行時功率較大，可在微型機與驅(qū)動器之間增加一級光電隔離器（一是抗干擾，二是電隔離。）以防強功率的干擾信號反串進主控系統(tǒng)。</p><p><b>　　電路圖如下所示：</b></p><p>　　圖3.6 單片機與步進電機的接口電路圖</p

57、><p>　　1. 圖中 K1、K2、K3、K4按鈕分別控制步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速。</p><p>　　2. 因為我們討論的是三相六拍的工作方式，所以P0.4和P0.6接高電平，P0.7接低電平。</p><p>　　3. P0.0輸出步進脈沖。 4. P0.1控制步進電機的轉(zhuǎn)向。</p><p>　　第四章 步進電機的運行控制

58、</p><p>　　4.1 步進電機的速度控制 </p><p>　　步進電機的速度控制是通過單片機發(fā)出的步進脈沖頻率來實現(xiàn)，對于軟脈沖分配方式，可以采用調(diào)整兩個控制字之間的時間間隔來實現(xiàn)調(diào)速，對于硬脈沖分配方式，可以控制步進脈沖的頻率來實現(xiàn)調(diào)速?？刂撇竭M電機的速度的方法可有兩種：</p><p>　　1. 軟件延時法：改變延時的時間長度就可以改變輸出脈沖的頻率，

59、但這種方法CPU長時間等待，占用大量的機時，因此沒有實踐價值。</p><p>　　2. 定時器中斷法：在中斷服務(wù)子程序中進行脈沖輸出操作，調(diào)整定時器的定時常數(shù)就可以實現(xiàn)調(diào)速，這種方法占有的CPU時間較少，在各種單片機中都能實現(xiàn)，是一種比較實用理想的調(diào)速方法。</p><p>　　定時器法利用定時器進行工作，為了產(chǎn)生步進脈沖，要根據(jù)給定的脈沖頻率和單片機的機器周期來計算定時常數(shù)，這個定時器

60、決定了定時時間，當(dāng)定時時間到而使定時器產(chǎn)生溢出時發(fā)生中斷，在中斷子程序中進行改變P1.0的電平狀態(tài)的操作，這樣就可以得到一個給定頻率的方波輸出，改變定時常數(shù)，就可以改變方波的頻率，從而實現(xiàn)調(diào)速。 </p><p>　　4.2 步進電機的位置控制</p><p>　　步進電機的位置控制，指的是控制步進電機帶動執(zhí)行機構(gòu)從一個位置精確地運行到另一個位置，步進電機的位置控制是步進電機的一大優(yōu)點，它

61、可以不用借助位置傳感器而只需要簡單的開環(huán)控制就能達到足夠的位置精度，因此應(yīng)用很廣。步進電機的位置控制需要兩個參數(shù)：</p><p>　　1. 第一個參數(shù)：步進電機控制執(zhí)行機構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)（我們稱為絕對位置），絕對位置時有極限的，其極限時執(zhí)行機構(gòu)運動的范圍，超越了這個極限就應(yīng)報警。</p><p>　　2. 第二個參數(shù)：從當(dāng)前位置移動到目標(biāo)位置的距離 我們可以用折算的方式將這個距離折算成步

62、進電機的步數(shù)，這個參數(shù)是外界通過鍵盤或可調(diào)電位器旋鈕輸入的，所以折算的工作應(yīng)該在鍵盤程序或A/D轉(zhuǎn)換程序中完成。</p><p>　　對步進電機位置控制的一般作法是：步進電機每走一步，步數(shù)減1，如果沒有失步存在，當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)到達目標(biāo)位置時，步數(shù)正好減到0，因此，用步數(shù)等于0來判斷是否移動到目標(biāo)位，作為步進電機停止運行的信號。</p><p>　　4.3 步進電機的加減速控制</p>

63、;<p>　　步距角和轉(zhuǎn)速大小不受電壓波動和負載變化的影響，也不受各種環(huán)境條件諸如溫度、壓力、振動、沖擊等影響，而僅僅與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低可以大范圍地調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，并能實現(xiàn)快速起動、制動、正反轉(zhuǎn)、加減速，而且有自鎖的能力，不需要機械制動裝置，不經(jīng)減速器也可獲得低速運行。它每轉(zhuǎn)過一周的步數(shù)是固定的，只要不丟步，角位移誤差不存在長期積累的情況，主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運行可靠。如采用位置檢測和速度

64、反饋，亦可實現(xiàn)閉環(huán)控制。</p><p>　　步進電機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)從A點到B點移動的時，要經(jīng)歷升速，恒速，減速過程，如果啟動時一次將速度升到給定速度，由于啟動頻率超過極限啟動頻率，步進電機就有失步現(xiàn)象，因此會造成不能正常啟動，如果到終點時突然停下來，由于慣性作用 ，步進電機會發(fā)生過沖現(xiàn)象，會造成位置精度降低。如果升速非常緩慢的升降速，步進電機雖然不會發(fā)生失步和過沖現(xiàn)象，但影響執(zhí)行機構(gòu)的工作效率，所以，對步進電機的

65、加減速要有嚴格的要求，那就是保證在不失步和過沖的前提下，用最快的速度（或最短的時間）移動到有可能指定位置。為滿足加減速要求，步進電動機運行通常按照加減速曲線進行。圖4.1是加減速運行曲線。加減速運行曲線沒有 一個固定的模式，一般根據(jù)經(jīng)驗和實驗得到的。最簡單的是勻加速和勻減速曲線，如下圖所示：</p><p>　　圖4.1 加減速曲線圖</p><p>　　其加減速曲線都是直線，因此容易編

66、程實現(xiàn)。按直線加速時，加速度是不變的，因此要求轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該是不變的。但是，由于步進電動機的電磁轉(zhuǎn)矩玉轉(zhuǎn)速時非曲線關(guān)系，因而加速度玉頻率也應(yīng)該是非曲線關(guān)系。因此，實際上當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，轉(zhuǎn)矩下降，所以，按直線加速時，有可能造成因轉(zhuǎn)矩不足而產(chǎn)生失步的現(xiàn)象。</p><p>　　采用指數(shù)加、減速曲線或S形（分段指數(shù)曲線）加、減速曲線是最好的選擇。步進電機的運行可以根據(jù)距離的長短分如下3種情況處理：</p>&l

67、t;p><b>　　1. 短距離</b></p><p>　　由于距離較短，來不及升到最高速，因此，在這種情況下，步進電機以潔凈啟動頻率運行，運行過程沒有加、減速。</p><p><b>　　2. 中、短距離</b></p><p>　　在這樣的距離里，步進電機只有加、減速過程，而沒有恒速過程。</p>

68、<p><b>　　3. 中、長距離</b></p><p>　　在這樣的距離里，步進電機不經(jīng)有加、減速過程，而且還有恒速過程。</p><p>　　由于距離較長，要盡量縮短用時，保證快速反應(yīng)性。因此，在加速時，盡量用接近啟動頻率啟動，在恒速時，盡量工作在最高速。單片機在用定時器法調(diào)速時，用改變定時常數(shù)的方法來改變輸入步進脈沖頻率，達到改變轉(zhuǎn)速的目的，對

69、于MCS-51系列單片機，其定時器屬于加1定時器。因此，在步進電機加速時，定時常數(shù)應(yīng)增加；減速時，定時常數(shù)應(yīng)減小。如果采用非線性加、減速曲線，要用離散法將加減速曲線離散化，將離散所得的轉(zhuǎn)速序列所對應(yīng)的定時常數(shù)序列，做成表格存儲在程序存儲器重。在程序運行中，使用查表得方式重裝定時常數(shù)，這樣做比用計算機節(jié)省時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速</p><p>　　圖5.1 基于單片機的步進電機控制程序框圖</p>

70、<p>　　第五章 步進電機的程序設(shè)計</p><p><b>　　5.1 程序框圖 </b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)，可畫出控制步進電機正反轉(zhuǎn)，加減速控制，工作方式為雙時鐘，程序框圖如上： </p><p><b>　　5.2匯編程序</b></p><p>　　本程序的資源

71、分配如下：</p><p>　　R0——中間寄存器；</p><p>　　R1——儲存速度級數(shù)；</p><p>　　R2——儲存級數(shù)步數(shù)；</p><p>　　R3——加減速狀態(tài)指針，加速時指向35H，恒速時指向37H，減速時指向3AH;</p><p>　　32H~34H——存放絕對參數(shù)（假設(shè)用3個字節(jié)），低位在前

72、；</p><p>　　35H、36H——存放加速總步數(shù)（假設(shè)2個字節(jié)），低位在前；</p><p>　　37H~39H——存放恒速總步數(shù)（假設(shè)3個字節(jié)），低位在前；</p><p>　　3AH、3BH——存放減速總步數(shù)（假設(shè)2個字節(jié)），低位在前；</p><p>　　P0.0——正轉(zhuǎn)脈沖輸入；</p><p>　　P

73、0.1——反轉(zhuǎn)脈沖輸入；</p><p>　　P1.3——正轉(zhuǎn)按鈕K1；</p><p>　　P1.4——反轉(zhuǎn)按鈕K2；</p><p>　　P1.5——加速按鈕K3；</p><p>　　P1.6——減速按鈕K4；</p><p>　　定時常數(shù)序列放在ABC為起始地址ROM中。初始R3=35H,R1、R2有初始值。&

74、lt;/p><p><b>　　程序如下：</b></p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p>　　JNB P0.0 ZZ; </p><p>　　JNB P0.1 FZ;</p><p><b>　　ZZ:INC R0</b>&

75、lt;/p><p>　　CJNE R0,#06H ZZ1;</p><p>　　MOV R0,00H;</p><p>　　ZZ1:MOV A,R0;</p><p>　　MOV DPTR,#ABC;</p><p>　　MOVC A,@A+DPTR;</p><p><b>　　MOV

76、P0 A;</b></p><p>　　FZ: DEC R0;</p><p>　　CJNE R0 #0FFH,FZ1;</p><p>　　MOV R0,#05H ;</p><p>　　FZ1:MOV A,R0;</p><p>　　MOV DPTR,#ABC;</p><p>

77、　　MOVC A,@A+DPTR;</p><p><b>　　MOV P0,A;</b></p><p>　　ABC:DB 01H 03H 02H 06H 04H</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　JS:MOV R0,#35;</p><p>

78、　　CJNE@R0 #0FFH,JS1;</p><p><b>　　INC R0;</b></p><p><b>　　DEC @R0;</b></p><p>　　JS1:DJNC R2 JS2;</p><p><b>　　INC R1;</b></p>&

79、lt;p><b>　　MOV A R1;</b></p><p><b>　　MOV B,#N;</b></p><p><b>　　MUL AB;</b></p><p><b>　　MOV R2 A;</b></p><p>　　JS2:MOV

80、A,35H;</p><p>　　ORL A,36H;</p><p>　　JNB R3 #37H;</p><p>　　MOV R0 #3AH;</p><p><b>　　DEC @R0;</b></p><p>　　CJNE @R0,#0FFH,JS4;</p><p&g

81、t;<b>　　INC R0;</b></p><p><b>　　DEC @R0;</b></p><p>　　JS4:DJNC R2 JS5;</p><p><b>　　DEC R1;</b></p><p><b>　　MOV A,R1;</b>&

82、lt;/p><p><b>　　MOV B,#N;</b></p><p><b>　　MUL AB;</b></p><p><b>　　MOV R2,A;</b></p><p>　　JS5:MOV A,3AH;</p><p><b>　　O

83、RL A,3B;</b></p><p>　　JNB R3; RET;</p><p><b>　　設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計通過單片機AT89C51和脈沖分配PMM8713來控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，加減速，以實現(xiàn)基于XY軸坐標(biāo)的步進電機的運動控制。利用步進電機的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)帶動所聯(lián)接的絲桿的旋轉(zhuǎn)，絲桿又帶動了XY

84、工作臺進行直線位移。</p><p>　　本設(shè)計實現(xiàn)了占用CPU時間少，效率高；易于控制步進電機的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速；提高了步進電機的步進精度等。再有，本設(shè)計過程考慮比較周全，系統(tǒng)中不僅采用光電隔離電路有效地抑制電磁干擾以提高系統(tǒng)的可靠性，而且還可以方便靈活地控制步進電機的運行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求，因此常把單片機步進電機控制電路稱之為可編程步進電機控制驅(qū)動器。步進電機控制（包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配）使用軟件方法，即用

85、單片機實現(xiàn)，這樣既簡化了電路，也減低了成本。</p><p>　　基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的步進控制器，具有相應(yīng)快，控制方便可靠等一系列優(yōu)點，在機電一體化、數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、計算機外圍設(shè)備、自動記錄儀、鐘表、印刷設(shè)備等中亦得到廣泛地應(yīng)用，發(fā)展前景廣闊。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王曉明

86、、 胡曉柏，電動機的單片機控制[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2002年5月第1版：181-208</p><p>　　[2] 劉寶延、 程樹康，步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng) [M] .1997年11月第一版：134-167</p><p>　　[3] 史敬灼， 步進電動機伺服控制技術(shù)[M] .2007年3月第2版：23-35</p><p>　　[4] 李海濱、 片

87、春媛、 許瑞雪， 單片機技術(shù)課程設(shè)計與項目實例[J]. 中國電力出版社, 2009版：56-65</p><p>　　[5]劉國永, 陳杰平. 單片機控制步進電機系統(tǒng)設(shè)計. 安徽: 安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報, 2002, 16 (4) : 61-63.</p><p>　　[6]孫笑輝,韓曾晉. 減少感應(yīng)電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動的方法[J]. 電氣傳動, 2001 (1) :

88、 8-11.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　首先誠摯的感謝我的論文指導(dǎo)老師，從選題的確定、論文的寫作、修改到最后定稿過程中，自始至終都傾注著老師的心血。特別是他多次詢問寫作進程，并為我指點迷津，幫助我開拓思路，老師以嚴謹?shù)闹螌W(xué)之道、寬厚仁慈的胸懷、積極樂觀的生活態(tài)度，兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進取精神為我樹立了一輩子學(xué)