單片機(jī)基于297298的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

1、編號(hào)： 單片機(jī)實(shí)訓(xùn) (論文)說(shuō)明書題 目： 步進(jìn)電機(jī)控制器 院 （系）： 信息與通信學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 符強(qiáng) 嚴(yán)素清 2012 年 01 月 03 日摘要步進(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,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L297L298的性能、結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合AT8

2、9C52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。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；AT89C52單片機(jī)；L297/L298驅(qū)動(dòng)。AbstractStepping motors is a kind of will convert angular displacement or electrical impulses signal line displacement of precision actuator, have fast start and stop characteristics. The driving speed and instructions pulse can strictly synchr

3、onization, which has high repositioning precision, and can realize the positive &negative and smooth adjustable speed. Its operation speed and step distance from supply voltage fluctuation and load effect, which have been widely applied in analog-to-digital conversion, speed control and the position

4、 control system. Based on the analysis of the stepper motor driving characteristics, a chopper constant-current subdivided driving principle and hybrid stepping motor drive chip L297 / L298 the performance, structure in the foundation, the union AT89C52 single chip computer, designed a hybrid steppi

5、ng motor driver circuit. Key words: Stepping motor; AT89C52 single chip computer; L297 / L298 driver. 目 錄第一章 緒論11.1課題背景11.2設(shè)計(jì)目的與意義11.3選擇方案11.3.1步進(jìn)電機(jī)概述11.3.2步進(jìn)電機(jī)工作原理 21.3.3控制方案 3第二章 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器42.1驅(qū)動(dòng)器的選擇42.2.1 L297L298驅(qū)動(dòng)特性分析 42.1.2 L297298功能分析 42.2 驅(qū)動(dòng)器的芯片連接 6第三章 單片機(jī)電路83.1步進(jìn)電機(jī)控制器83.1.1脈沖產(chǎn)生電路83.2加速減速控制103.

6、3顯示及鍵盤電路123.4細(xì)分驅(qū)動(dòng)123.5程序設(shè)計(jì)13第四章 總結(jié)16參考文獻(xiàn)17附錄：原理圖第一章 緒論1.1課題背景步進(jìn)電機(jī)以其獨(dú)特的特點(diǎn)可以在無(wú)速度傳感器和無(wú)位置傳感器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精確的開(kāi)環(huán)狀態(tài)定位或同步運(yùn)行。我們通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)脈沖個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的位移或者角度定位，而調(diào)節(jié)發(fā)送的步進(jìn)脈沖頻率就可以實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，這些都有利裝置或設(shè)備的小型化和低成本，因而在眾多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的使用性能與它的驅(qū)動(dòng)電路有密切的關(guān)系，隨著電子技術(shù)的發(fā)展 ，使步進(jìn)電機(jī)的控制電路和功率驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生了很大變化，特別是集成電路的推廣和微機(jī)的普及應(yīng)用，更使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的研制上了一個(gè)新臺(tái)階，使

7、其性能指標(biāo)有了顯著的提高。國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究一直很活躍，但是可供選用的高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源卻很少，而且國(guó)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電源方面基本都存在著體積大、外形尺寸不規(guī)則、性能指標(biāo)不穩(wěn)定及遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到系列化等問(wèn)題，這就給驅(qū)動(dòng)電源的選用和安裝帶來(lái)了極大的不便，國(guó)外雖然有通用的各種類型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，但大都存在一些問(wèn)題，如價(jià)格昂貴，與我國(guó)的系統(tǒng)連接不匹配等問(wèn)題。如前所述，步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的性能，不僅與步進(jìn)電機(jī)本體的特性有關(guān)，而且還與步進(jìn)電機(jī)的控制方式、驅(qū)動(dòng)電源的特性及負(fù)載特性有著密切的關(guān)系，特別是驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)方面，對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行性能的改善，如高頻力矩的提高，步距分辨率的提高，單步振蕩及振動(dòng)的消除等方面起著至

8、關(guān)重要的作用。1.2設(shè)計(jì)的目的與意義掌握步進(jìn)電機(jī)的工作原理及控制方法，本次設(shè)計(jì)任務(wù)要完成的目標(biāo)是：利用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制、控制器滿足步進(jìn)電機(jī)的幅頻特性等功能。1.3選擇方案1.3.1步進(jìn)電機(jī)的概述步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)及其功率驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成一個(gè)開(kāi)環(huán)的定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步距角)。脈沖輸入越多，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度就越多，輸入脈沖的頻率越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越快。因此可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以

9、通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)種類，根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)不同，可分為常用三大類：反應(yīng)式(VR，也稱磁阻式)、永磁式(PM)、混合式(HB)。其中混合式步進(jìn)電機(jī)兼有反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。1.3.2步進(jìn)電機(jī)工作原理 圖1 是一個(gè)四相磁阻式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，該電機(jī)定子上有8 個(gè)凸齒，相距180的兩個(gè)凸齒構(gòu)成一相，每一相上的線圈反相連接，這樣8 個(gè)齒就構(gòu)成四相，AA1、BB1、CC1、DD1，因此稱為四相步進(jìn)電機(jī)1。圖1 四相磁阻型的步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)有一相繞組被勵(lì)磁時(shí)，磁通從正相齒，經(jīng)過(guò)軟鐵芯的轉(zhuǎn)子，并以最短的路徑流向負(fù)相齒，而其他的六個(gè)凸齒并

10、無(wú)磁通。為使磁通路徑最短，在磁場(chǎng)力的作用下，轉(zhuǎn)子被迫轉(zhuǎn)動(dòng)，使最近的一對(duì)齒與被勵(lì)磁的一相對(duì)準(zhǔn)。在圖1 的a 圖中B 相被勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子與B相對(duì)準(zhǔn)。在這個(gè)位置上，再對(duì)A 相進(jìn)行勵(lì)磁，則轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)作用下順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15，如圖1 的b 圖所示，這樣步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)步距角。繼續(xù)對(duì)C 相進(jìn)行勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下進(jìn)一步順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15，到達(dá)c 圖所示的位置，又轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)步距角。再對(duì)D 相進(jìn)行勵(lì)磁，又產(chǎn)生了一個(gè)新的磁場(chǎng)，在磁力的作用下轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角15。這樣步進(jìn)電機(jī)的四相完成一個(gè)通電循環(huán)，若要繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就繼續(xù)順次勵(lì)磁，即步進(jìn)電機(jī)按照ABCDA順序順次勵(lì)磁，那么電機(jī)就不停地轉(zhuǎn)動(dòng)；若要電機(jī)反轉(zhuǎn)，只需要改變電

11、機(jī)的勵(lì)磁順序，按照ADCBA的次序勵(lì)磁即可。一般對(duì)步進(jìn)電機(jī)采用半步驅(qū)動(dòng)，即四相八拍工作方式，使步進(jìn)電機(jī)每次勵(lì)磁轉(zhuǎn)過(guò)1 /2 的步距角，即每次改變勵(lì)磁方式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)7.5，它的勵(lì)磁方式是AABBBCCCDDDAA，若要反轉(zhuǎn)也是只需改變勵(lì)磁方式即可，即按照AADDDCCCBBBAA，采用八拍工作方式使得電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)更加穩(wěn)定，也進(jìn)一步增強(qiáng)了步進(jìn)電機(jī)的控制精度。改變控制繞組數(shù)（相數(shù)）或極數(shù)（轉(zhuǎn)子齒數(shù)），可以改變步長(zhǎng)的大小。它們之間的相互關(guān)系，可由下式計(jì)算： L =3600 /(PNC) 式中：L為步長(zhǎng)；P為相數(shù)；N為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；C為通電方式。在圖1中，步長(zhǎng)為150，表示電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要24步。1.3.3

12、控制方案步進(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2。步進(jìn)電機(jī)最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)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，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)組成如圖2。在本文中我們選用的步進(jìn)電機(jī)為四相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)57BYG450，參數(shù)具體如下：電壓12v，電流0.45A，步距角1.80/步，空載啟動(dòng)頻率1200步/秒，空載運(yùn)行頻率20步/秒，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.135kg/cm2。單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)器及細(xì)分步進(jìn)電機(jī)LCD顯示鍵盤輸入 圖2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)組成第二章 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

13、2.1驅(qū)動(dòng)器的選擇混合式步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、遙控、航天等領(lǐng)域，特別是微型計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)獲得了更為廣泛的應(yīng)用。但其步距角較大、分辨率低、易發(fā)熱等缺點(diǎn)往往滿足不了工業(yè)上的精確定位和大扭矩控制。為解決上述問(wèn)題，本電路采用混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L297L298。2.1.1 L297L298驅(qū)動(dòng)特性分析一般情況下，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)環(huán)形分配器決定分配方式，各繞組的電流輪流切換，從而使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。步距角的大小只有兩種，即整步工作和半步工作，而步距角已由電機(jī)的結(jié)構(gòu)確定。如果在每次輸入脈沖切換時(shí)。不是將繞組電流全部通入或關(guān)斷，只改變相應(yīng)繞組中的額定電流的一部分，則轉(zhuǎn)

14、子相應(yīng)的每步轉(zhuǎn)動(dòng)原有步距角的一部分，而額定電流分成多少次進(jìn)行切換，轉(zhuǎn)子就以多少步完成一個(gè)原有的步距角。這種將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法即為細(xì)分驅(qū)動(dòng)3。同時(shí)，在步進(jìn)電機(jī)每相繞組通電周期中，常用的驅(qū)動(dòng)方法采用恒定電流值驅(qū)動(dòng)，該方法在驅(qū)動(dòng)大力矩負(fù)載時(shí)往往發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重。為了解決上述問(wèn)題，提出了斬波恒流驅(qū)動(dòng)方法，在斬波恒流電路中，采用高電壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)繞組回路不串聯(lián)電阻，這樣電流上升的速度會(huì)很快。同時(shí)在電路中設(shè)置采樣電阻，在繞組電流達(dá)到額定值時(shí)，由于采樣電阻的反饋?zhàn)饔?，通過(guò)比較器使電源電壓工作在關(guān)斷狀態(tài)，從而使繞組電流保持在額定值附近內(nèi)波動(dòng)。由于電源電壓并不是一直向繞組供電，而只是一個(gè)個(gè)窄脈沖，總的

15、輸入能量是各脈沖時(shí)間的電壓與電流乘積的積分，取自電源的能量大幅度下降，具有很高的效率，降低了發(fā)熱量。在驅(qū)動(dòng)器中采用將細(xì)分和斬波恒流驅(qū)動(dòng)結(jié)合技術(shù)，電機(jī)內(nèi)電流波形圖如圖3（b）。2.2 L297L298功能分析L297單片步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器集成電路適用于雙極性兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或單極性四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。用L297輸出信號(hào)可控制L298雙H橋驅(qū)動(dòng)集成電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng) (a)普通方法驅(qū)動(dòng) (b)斬波恒流細(xì)分驅(qū)動(dòng)圖3 驅(qū)動(dòng)電路電流波形電壓為12V，每相電流為0.45A以下的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。L297也可用來(lái)控制由達(dá)林頓晶體管組成的分立電路，驅(qū)動(dòng)更高電壓、更大電流的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。此器件的特性是只需要時(shí)鐘、方向和模式輸

16、入信號(hào)。相位是由內(nèi)部產(chǎn)生的，因此可減輕微處理機(jī)和程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。此芯片是具有20個(gè)引出腳的雙列直插式塑膠封裝的器件，采用固定斬波頻率的PWM恒流斬波方式工作。L297主要由譯碼器、兩個(gè)固定斬波頻率的PWM恒流斬波器以及輸出邏輯控制組成，工作原理分述如下：L297的核心是脈沖分配器，它產(chǎn)生三種相序信號(hào)，對(duì)應(yīng)于三種不同的工作方式：即半步方式(HALF STEP)；基本步距(FULL STEP，整步)一相激勵(lì)方式；基本步距兩相激勵(lì)方式。脈沖分配器內(nèi)部是一個(gè)3bit可逆計(jì)數(shù)器，加上一些組合邏輯，產(chǎn)生每周期8步格雷碼時(shí)序信號(hào)，這也就是半步工作方式的時(shí)序信號(hào)。此時(shí)HALF/FULL信號(hào)為高電平。若HALF

17、/FULL取低電平，得到基本步距工作方式，即4步工作方式。 L297另一個(gè)重要組成是由兩個(gè)PWM斬波器來(lái)控制相繞組電流，實(shí)現(xiàn)恒流斬波控制以獲得良好的轉(zhuǎn)矩-頻率特性。每個(gè)斬波器由一個(gè)比較器，一個(gè)RS觸發(fā)器和外接采樣電阻組成，并設(shè)有一個(gè)公用振蕩器，向兩個(gè)斬波器提供觸發(fā)脈沖信號(hào)。圖4中，頻率f，是由外接16腳的RC網(wǎng)絡(luò)決定的，當(dāng)R10k時(shí)。F=1/0.69RC,當(dāng)時(shí)鐘振蕩器脈沖使觸發(fā)器置l，電機(jī)繞組相電流上升，采樣電阻的Rs電壓上升到基準(zhǔn)電壓Vref時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)。使觸發(fā)器復(fù)位，功率晶體管關(guān)斷，電流下降，等待下一個(gè)振蕩脈沖的到來(lái)。這樣觸發(fā)器輸出的是恒頻PWM信號(hào)，調(diào)制L297的輸出信號(hào)，繞組相電流峰

18、值由Pref整定。圖4 L297內(nèi)部斬波器電路示意圈2.2 驅(qū)動(dòng)器的芯片連接L297和L298的芯片及其管腳功能如下圖5所示，L297和L28的組合控制驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用電路圖如圖6。 圖5 L297/L298的芯片圖圖6 L298和L297的組合電路圖L297和L298的組合驅(qū)動(dòng)控制的真值表如下：勵(lì)磁方式勵(lì)磁相 （A相）（B相）（相）（相）四相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)A1000AB1100B0100BC0110C0010CD0011D0001DA1001第3章 單片機(jī)控制電路3.1步進(jìn)電機(jī)控制器AT89C52是美國(guó)ATMEL的低電壓、高性能8位CMOS單片機(jī)。片內(nèi)置8K字節(jié)可重復(fù)擦寫的Flash閃速存儲(chǔ)器

19、，256字節(jié) RAM。3個(gè)16位定時(shí)器，可編程串行UART通道。對(duì)完成步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)單控制已足以勝任4。 本控制器主要由AT89C52單片機(jī)晶振電路、3.1.1步進(jìn)脈沖產(chǎn)生電路在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的 CP脈沖的頻率或換向周期實(shí)際上是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制：一種是延時(shí)，一種是定時(shí)。延時(shí)方法是在每次換向之后調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，待延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的CP脈沖或換向周期。延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間與換圖8 步進(jìn)電機(jī)速度控制器設(shè)計(jì)向程序所用的時(shí)間和就是CP脈沖的周期 。該方法簡(jiǎn)單，占用資源少，全部由軟件實(shí)現(xiàn)，調(diào)用不同

20、的子程序就可實(shí)現(xiàn)不同速度的運(yùn)行；但占用CPU時(shí)間長(zhǎng)，不能在運(yùn)行時(shí)處理其他工作，因此只適合較簡(jiǎn)單的控制過(guò)程。定時(shí)方法是利用單片機(jī)系統(tǒng)中的定時(shí)器定時(shí)功能產(chǎn)生任意周期的定時(shí)信號(hào)，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出CP脈沖周期。當(dāng)定時(shí)器起動(dòng)后，定時(shí)器從裝載的初值開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)及其周期進(jìn)行加計(jì)數(shù)；當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時(shí)中斷子程序。將電機(jī)換向子程序放在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，定時(shí)中斷一次，電機(jī)換向一次，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。由于從定時(shí)器裝載完重新起動(dòng)開(kāi)始至定時(shí)器申請(qǐng)中斷止，有一定的時(shí)間間隔，造成定時(shí)時(shí)間增加。為了減少這種定時(shí)誤差，實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)，要對(duì)重裝的計(jì)數(shù)初值作適當(dāng)調(diào)整。調(diào)整的重裝初值主要考慮

21、兩個(gè)因素：一是中斷響應(yīng)所需的時(shí)間；二是重裝初值指令所占用的時(shí)間，包括在重裝初值前中斷服務(wù)程序中的其他指令因素。綜合這兩個(gè)因素后，重裝計(jì)數(shù)初值的修正量取8個(gè)機(jī)器周期，即要使定時(shí)時(shí)間縮短8個(gè)機(jī)器周期。在定時(shí)中斷方式控制電動(dòng)機(jī)變速時(shí)，實(shí)際上是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。在 控制過(guò)程中，采用離散辦法逼近理想升降速曲線。為 了減少每步計(jì)算裝載值的時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的ROM中，系統(tǒng)在運(yùn)行中 用查表法查出所需的裝載值，這樣可大幅減少占用CPU的時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。其流程圖如下：3.2 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)及加/減速控制方案 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高起動(dòng)頻率（突跳頻率）一般為0.1

22、KHz到3-4KHz,而最高運(yùn)行頻率則可以達(dá)到N*102 KHz.以超過(guò)最高起動(dòng)頻率的頻率直接起動(dòng),將出現(xiàn)失步現(xiàn)象,甚至無(wú)法起動(dòng).較為理想的起動(dòng)曲線,應(yīng)是按指數(shù)規(guī)律起動(dòng).但實(shí)際應(yīng)用對(duì)起動(dòng)段的處理可采用按直線擬合的方法,即階梯升速法.可按兩種情況處理,已知突跳頻率則按突跳頻率分段起動(dòng),分段數(shù)n=f/fq.未知突跳頻率,則按段擬合至給定的起動(dòng)頻率,每段頻率的遞增量（后稱階梯頻率）f=f/8,即采用8段擬合.在運(yùn)行控制過(guò)程中,將起始的速度（頻率）分為n分作為階梯頻率,采用階梯升速法將速度連續(xù)升到所需要的速度,然后鎖定,按預(yù)置的曲線運(yùn)行.如圖2所示.用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加/減速控制,實(shí)際上就是控制發(fā)

23、脈沖的頻率,升速時(shí),使脈沖頻率增高,減速時(shí)相反.如果使用定時(shí)中斷來(lái)控制電機(jī)的速度,加減速控制就是不斷改變定時(shí)器的初值.速度從V1V2如果是線性增加,則按給定的斜率升/降速；如果是突變,則按階梯升速法處理.在此過(guò)程中要處理好兩個(gè)問(wèn)題： 3.2.1速度轉(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便可以建立一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)表,并通過(guò)轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時(shí)初值表.通過(guò)在不同的階段調(diào)用相應(yīng)的定時(shí)初值,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.3.2.2保證控制速度的精確性 要從一個(gè)速度準(zhǔn)確達(dá)到另外

24、一個(gè)速度,就要建立一個(gè)校驗(yàn)機(jī)制,以防超過(guò)或未達(dá)到所需速度.3.2.3步進(jìn)電機(jī)的換向問(wèn)題 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率范圍之內(nèi)再換向,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)CP脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè)CP脈沖前發(fā)出.如圖3所示.對(duì)于CP脈沖的設(shè)計(jì)主要要求其有一定的脈沖寬度（一般不小于5s）、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)包含了降速換向升速三個(gè)過(guò)程.32.4速度與定時(shí)器初值的轉(zhuǎn)換 本系統(tǒng)的速度控制是依靠定時(shí)產(chǎn)生CP脈沖來(lái)完成的,設(shè)定的速度與產(chǎn)生CP脈沖的定時(shí)器初值間存在一定關(guān)系.C51定時(shí)器的工作方式有多種

25、,本設(shè)計(jì)定時(shí)器工作在連續(xù)方式下.在連續(xù)模式,定時(shí)器從它的當(dāng)前值開(kāi)始計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)到0FFH后又從0開(kāi)始重新計(jì)數(shù).在該方式下,將定時(shí)器的當(dāng)前值和比較寄存器CCRX相比較,如相等則產(chǎn)生中斷,并在該中斷服務(wù)程序中可以將下一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間加到比較寄存器CCRX上,如圖4,如此這樣便會(huì)得到連續(xù)的定時(shí)時(shí)間間隔,并在每一個(gè)定時(shí)間隔到來(lái)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求.定時(shí)初值=所需定時(shí)值/計(jì)數(shù)周期；對(duì)于步進(jìn)電機(jī)其速度值常以頻率形式給定,諸如運(yùn)行在20KHZ下,因此上式可轉(zhuǎn)換為：定時(shí)初值=計(jì)數(shù)頻率/速度值.（其中計(jì)數(shù)頻率為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率）3.3 顯示及鍵盤電路：3.4 細(xì)分電路的設(shè)計(jì)針對(duì)上述兩種現(xiàn)有的細(xì)分技術(shù)狀況，本論文的目的在于：

26、 (1)、從理論和實(shí)踐的角度，建立一種新的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)高精度細(xì)分方法和數(shù)學(xué)模型，以消除現(xiàn)有技術(shù)方案中不可克服的滯后角值所引起的問(wèn)題，使細(xì)分技術(shù)提高到更高的水平。 (2)、在新原理方法指導(dǎo)下設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件控制電路。 (3)、設(shè)計(jì)細(xì)分控制函數(shù)修正的電路及其相應(yīng)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制程序。本電路的構(gòu)思及技術(shù)解決方案敘述如下： 為了實(shí)現(xiàn)高精度的定位，對(duì)步進(jìn)電機(jī)步距進(jìn)行高分辨細(xì)分的關(guān)鍵，也是本系統(tǒng)的難點(diǎn)所在。從以上的分析可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路都是通過(guò)電流合成矢量的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般的細(xì)分方法只改變某一相的電流，該方法的缺陷是電流合成矢量的幅值是不斷變化的，使步進(jìn)電機(jī)的傳距亦隨之變化，從而引起滯后角的變化

27、，最終就影響可細(xì)分?jǐn)?shù)的增加，即限制了分辨率的提高。 采用現(xiàn)有技術(shù)細(xì)分方法時(shí)的電流矢量旋轉(zhuǎn)示意圖（圖2.2） ：圖2.2 電流矢量旋轉(zhuǎn)示意圖為了能夠從根本上解決這個(gè)問(wèn)題，消除現(xiàn)有技術(shù)中由于滯后角的變化引起的值大于微步距角而導(dǎo)致不可繼續(xù)細(xì)分的問(wèn)題，只有使電流合成矢量 ih 形成新的距角特性曲線，為達(dá)到這一點(diǎn)，必須滿足一下兩個(gè)條件： (1)、電流合成矢量旋轉(zhuǎn)時(shí)每次變化的角度要均勻； (2)、電流合成矢量的大小或幅值要保持不變。 基于這個(gè)條件，即可建立“電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)”細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法。同時(shí)改變兩相電流的大小，使電流合成矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)。這種方式可稱為步進(jìn)電機(jī)的模擬運(yùn)行，它是一種基于交流同步電機(jī)概念

28、的特殊細(xì)分技術(shù)， 實(shí)質(zhì)是對(duì)運(yùn)行于交流同步電機(jī)狀態(tài)的步進(jìn)電機(jī)所受的交流模擬信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)細(xì)分，即每個(gè)細(xì)分點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)交流值。當(dāng)細(xì)分?jǐn)?shù)相當(dāng)大時(shí)，例如本系統(tǒng)中將一個(gè)四分之一周期分成 4096 個(gè)點(diǎn)，電機(jī)繞組的電流信號(hào)就逼近模擬連續(xù)信號(hào)。這種細(xì)分技術(shù)可以極大地提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率和運(yùn)行穩(wěn)定性。3.5程序設(shè)計(jì)在程序的編制中，要特別注意步進(jìn)電機(jī)在換向時(shí)的處理。為使步進(jìn)電機(jī)在換向時(shí)能平滑過(guò)渡，不至于產(chǎn)生錯(cuò)步，應(yīng)在每一步中設(shè)置標(biāo)志位。在正轉(zhuǎn)時(shí)，不僅給正轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值，也同時(shí)給反轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值;在反轉(zhuǎn)時(shí)也如此。這樣，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)，就可以上一次的位置作為起點(diǎn)反向運(yùn)動(dòng)，避免了電機(jī)換向時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)步。本設(shè)計(jì)應(yīng)用單片機(jī)和

29、L297、L298集成電路構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器.使用LCD1602做顯示，包括實(shí)時(shí)速度顯示和狀態(tài)顯示，L297自帶正反轉(zhuǎn)控制功能，1/2細(xì)分功能等，單片機(jī)主要是產(chǎn)生脈沖，顯示及控制L297的正反轉(zhuǎn)，停止，半步全步等。此次編程及調(diào)試是用keil軟件進(jìn)行的，程序的編寫及調(diào)試步驟如下：1. 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)的相序，編好正反轉(zhuǎn)相序表，這個(gè)是關(guān)鍵，不能編錯(cuò)。2.定義各個(gè)變量及相關(guān)液晶顯示符3. 定義各個(gè)按鍵：4. 編寫各個(gè)子程序。5. 編寫主程序，進(jìn)入主程序即開(kāi)始進(jìn)行鍵盤掃描及調(diào)用液晶顯示。6. 定時(shí)器T0的中斷服務(wù)程序，進(jìn)入中斷，若滿足條件，即向步進(jìn)電機(jī)送脈沖。1602LCD的一般初始化（復(fù)位）過(guò)程：脈沖產(chǎn)生：本系統(tǒng)的速度控制是依靠定時(shí)產(chǎn)生CP脈沖來(lái)完成的,設(shè)定的速度與產(chǎn)生CP脈沖的定時(shí)器初值間存在一定關(guān)系.C51定時(shí)器的工作方式有多種,本設(shè)計(jì)定時(shí)器工作在連續(xù)方式下.在連續(xù)模式,定時(shí)器從它的當(dāng)前值開(kāi)始計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)到0FFH后又從0開(kāi)始重新計(jì)數(shù).在該方式下,將定時(shí)器的當(dāng)前值和比較寄存器CCRX相比較,如相等則產(chǎn)生中斷,并在該中斷服務(wù)程序中可以將下一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間加到比較寄存器CCRX上,如圖4,如此這樣便會(huì)得到連續(xù)的定時(shí)時(shí)間