基于PIC單片機的步進電機位置控制系統(tǒng)設計（終稿

1、編號 本科生畢業(yè)設計本科生畢業(yè)設計 基于基于 PICPIC 單片機的步進電機位置單片機的步進電機位置 控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計 Stepping Motor position control system design based on the PIC Microcomputer 學學 生生 姓姓 名名石石 懂懂 專專 業(yè)業(yè)電子信息工程電子信息工程 學學 號號 指指 導導 教教 師師白雪梅白雪梅 學學 院院電子信息工程學院電子信息工程學院 20082008 年年 6 6 月月 摘摘 要要 本文介紹了步進電機工作原理以及各項指標參數(shù)，分析了單片機控制步進 電機的方法。系統(tǒng)采用了單片機與步進電機串

2、行控制方案，采用旋轉編碼器對 系統(tǒng)的精確度進行衡量。以 PIC 單片機作為步進電機的控制器，實現(xiàn)步進電機 的運動。 硬件結構由串行顯示電路、鍵盤接口電路、電機驅動電路等構成。軟件采 用模塊化設計，通過調用一系列子程序，如中斷，鍵盤掃描，串行顯示等實現(xiàn) 步進電機三相單四拍、雙四拍和單、雙八拍的運行。給出了硬件原理圖、編程 流程圖和軟件程序。 關關 鍵鍵 字字：步進電機 PIC 單片機 硬件接口電路 ABSTRACT . Key words: Stepping motor；PIC microcomputer；Hardware interface circuit 目目 錄錄 第一章第一章 概概 述述

3、.1 1.1 課題背景.1 1.2 單片機應用發(fā)展簡介.1 1.3 主要研究工作.2 第二章第二章 步進電機原理及驅動步進電機原理及驅動.4 2.1 步進電機的工作原理.4 2.2 步進電機的驅動.6 2.2.1 步進電機的驅動方式.6 2.2.2 步進電機的驅動特點.8 2.2.3 步進電機驅動器的直流供電電源的確定.12 2.3 步進電機控制系統(tǒng)構成.12 第三章第三章 單片機控制步進電機的方法單片機控制步進電機的方法.14 3.1 步進電機控制方法.14 3.1.1 串行方式.14 3.1.2 并行方式.14 3.2 PIC 單片機介紹 .14 3.2.1 PIC 單片機介紹.14 3.

4、2.2 PIC 系列單片機的結構.15 3.3 步進電機的單片機控制.16 第四章第四章 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計.20 4.1 系統(tǒng)硬件結構.20 4.2 模擬步進電機驅動電路.20 4.3 LED 顯示接口電路 .21 4.4 鍵盤接口設計.22 4.5 石英多諧振蕩器電路設計.24 4.6 光電編碼器原理及分類.25 第五章系統(tǒng)軟件設計第五章系統(tǒng)軟件設計.28 5.1 軟件結構.28 5.2 子程序模塊.29 5.2.1 串行靜態(tài)顯示模塊.29 5.2.2 鍵盤掃描模塊.30 5.2.3 中斷模塊.31 結結 論論.36 參參 考考 文文 獻獻.37 致致 謝謝.38 附錄附錄 1 1.

5、39 附錄附錄 2.43 第一章第一章 概概 述述 1.11.1 課題背景課題背景 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的機電執(zhí)行元件，每外加一個控制 脈沖，電機就運行一步故稱為步進電機或脈沖馬達。當步進電機接收到一個脈 沖信號，它就按設定的方向轉動一個固定的角度(步進角)?？梢酝ㄟ^控制脈沖 個數(shù)來控制角位移量,從而達到準確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來 控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。 步進電機具有轉子慣量低，定位精度高，無累積誤差，控制簡單等特點。 實際操作時不受電源電壓，負載，環(huán)境，溫度的影響能夠實現(xiàn)快速啟動、制動 和反轉。步進電機可以對旋轉角度和轉動速度進行高精度

6、控制，步進電機作為 控制執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，以廣泛應用在各種自動化控制 系統(tǒng)和精密機械等領域。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展,步進電機的需求量與 日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。隨著數(shù)字技術和計算機的發(fā)展，研究 步進電機驅動電路，使步進電機的控制更加簡便，靈活和智能化，使其應用更 加廣泛。 步進電動機的發(fā)展方向主要有如下三點: （1）進一步完善和擴展驅動和控制功能。如采用 SVPWM 技術，采用電 子齒輪比技術，擴展通訊網(wǎng)絡功能等。 （2）高功率密度步進電動機系統(tǒng)。 （3）閉環(huán)控制步進電動機系統(tǒng)。為了徹底克服步進電動機系統(tǒng)一些根本性 的弱點，如振蕩的傾向及失步等，可改為閉環(huán)

7、系統(tǒng)，但這種改變使步進電動機 系統(tǒng)已起了質的變化，不再是本來意義上的步進電動機，而成為無刷直流電動 機(BLDCM)，或交流伺服電機(AC SERVO） 。 1.21.2 單片機應用發(fā)展簡介單片機應用發(fā)展簡介 單片微型計算機（Single Chip Microcomputer)簡稱單片機，是在一塊芯片 體上集成了中央處理器 CPU、隨機存儲器 RAM 或 EPROM、定時器/計數(shù)器、 中斷控制器以及串行和并行 I/O 接口等部件，構成的一個完整的微型計算機。 自 1971 年 Intel 公司制造出第一塊 4 位微處理器以來，發(fā)展十分迅猛，經(jīng) 歷了 4 位機、低檔 8 位機、高檔 8 位機、1

8、6 位機及最新一代的單片機。最新一 代單片機在結構上采用雙 CPU 或內部流水線，CPU 有 8 位、16 位、32 位，時 鐘頻率高達 20Hz，片內有 PWM 輸出、監(jiān)視定時器 WDT、可編程計數(shù)器陣列 PCA、DMA 傳輸、調制解調器等。芯片向高集成化，低功耗方向發(fā)展，使得單 片機在大量數(shù)據(jù)的及時處理、高級通信系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、復雜工業(yè)過程控 制、高級機器人以及局域網(wǎng)等方面得到大量應用。 單片機具有體積小、重量輕、價格便宜、功耗低、控制功能強及運算速度 快等特點，故在國民經(jīng)濟建設、軍事及家用電器等領域有廣泛的應用。按照單 片機特點，單片機可分為單機應用和多機應用。 單機應用主要領域有：

9、 （1）測控系統(tǒng)：用單片機構成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)等。如溫室人工氣候控制、水閥自動控制、電鍍生產(chǎn)線自動控制、汽輪機 電液調節(jié)系統(tǒng)等。 （2）智能儀表：用單片機改造原有的測量、控制儀表，能促進儀表向數(shù)字 化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化發(fā)展。如溫度、壓力、流量、濃度的 測量、顯示及儀表控制。通過單片機軟件編程，是測量儀表中長期存在的誤差 修正、線形化處理等難題迎刃而解。 （3）機電一體化產(chǎn)品：如簡易數(shù)控機床、醫(yī)療器械等。 （4）智能接口：在大型工控系統(tǒng)中，普遍采用單片機進行接口的控制與管 理，這個因為單片機與主機是并行工作的，可大大提高系統(tǒng)運行速度。如大型 數(shù)據(jù)采集系

10、統(tǒng)中，用單片機對 ADC 接口進行控制不僅可提高采集速度還可對 數(shù)據(jù)進行預處理。如數(shù)字濾波、線形化、誤差修正等。 多機應用主要領域有： （1）功能集散系統(tǒng)：多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的 要求而設置的多機系統(tǒng)。如一個加工中心的計算機系統(tǒng)除完成機床加工運行控 制外，還要控制對刀系統(tǒng)、坐標系統(tǒng)、刀庫管理、狀態(tài)監(jiān)視、伺服驅動等機構。 （2）并行多控制系統(tǒng)：并行多控制系統(tǒng)主要解決工程應用系統(tǒng)的加速問題， 以便構成大型實時工程應用系統(tǒng)。典型的有快速并行數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)、實 時圖象處理系統(tǒng)等。 （3）局部網(wǎng)絡系統(tǒng)：單片機網(wǎng)絡系統(tǒng)的出現(xiàn)，使單片機的應用進入了一個 新的水平。目前該網(wǎng)絡系統(tǒng)主

11、要是分布式測控系統(tǒng)，單片機主要用于系統(tǒng)中的 通信控制，以及構成各種測控子級系。 1.31.3 主要研究工作主要研究工作 硬件設計方面：通過單片機實驗加深對步進電機的驅動電源和電機工作情 況了解，測定并研究其在單步運行狀態(tài)，角位移和脈沖數(shù)關系，平均轉速和脈 沖頻率的關系。觀察轉子振蕩狀態(tài)，并且掌握步進電機的基本特性和指標。根 據(jù)功能需要選擇電路元器件和型號，設計電路并能解決現(xiàn)實抗干擾問題。畫出 電路原理圖。 軟件設計方面：通過匯編語言編寫核心模塊對步進電機進行控制。最終編 寫出一個完整步進電機控制程序，能夠調節(jié)步進電機的轉向和速度。由于轉速 是通過調節(jié)脈沖頻率實現(xiàn)的，因此設計脈沖分配采用完全軟件

12、方式，既按照給 定的通電換向順序，通過單片機 I/O 口向驅動電路發(fā)出控制脈沖，這樣就避免 采用復雜脈沖分配芯片，來實現(xiàn)單片機對步進電機的控制。程序設計按照掌握 計算機相序控制方法，采用適合三相單四拍、雙四拍和單、雙八拍的循環(huán)移位 法，并且在現(xiàn)實操作中解決堵轉和啟動失步等問題。 第二章第二章 步進電機原理及驅動步進電機原理及驅動 2.12.1 步進電機的工作原理步進電機的工作原理 步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信 號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為 反應式步進電機（簡稱 VR） 、永磁式步進電機（簡稱 PM）和混合式步進電機 （

13、簡稱 HB） 。 步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進 行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號 頻率決定。 步進電機的驅動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本 原理如下： （1）控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。四相步進電機的工作方式如下： 單相四拍工作方式： 正轉通電順序為： A-B-C-D-A 反轉通電順序為： D-C-B-A-D 四相八拍工作方式： 正轉通電順序為： A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 反轉通電順序為： D-DC-C-CB-B-BA-A-AD-D 控制步進電機的轉向。 如果給定工作方

14、式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相， 則電機就反轉。 （2）控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉 一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發(fā)出的脈沖頻 率，就可以對步進電機進行調速。 （3）步進電機指標 相數(shù)：產(chǎn)生不同對極 N、S 磁場的激磁線圈對數(shù)（用 m 表示） 。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)（用 n 表示） ，或指 電機轉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。 步距角：對應

15、一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用 表示。=360 度 /（轉子齒數(shù) J*運行拍數(shù)） ，以常規(guī)二、四相，轉子齒為 50 齒電機為例。四拍 運行時步距角為 =360 度/（504）=1.8 度（俗稱整步） ，八拍運行時步距角 為 =360 度/（508）=0.9 度（俗稱半步） 。 定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形 的諧波以及機械誤差造成的） 。 靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖 定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源 等無關。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過分 采用減

16、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。 （4）步進電機的特點 一般步進電機的精度為步進角的 35%，且不累積。 步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至 于失步，因此電機外表允許的最高溫度應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 8090 度完全正常。 步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。 當步進電機轉動時，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

17、隨頻率（或速度）的增大而相電流 減小，從而導致力矩下降。 步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有噪 聲。 步進電機有一個技術參數(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 丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉 動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希 望的高頻（電機轉速從低速升到高速） 。 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 著不同的數(shù)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更 多的領域得到應用。

18、 （5）常用步進電機的類型 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（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。 永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 7.5 度或 15 度。 反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為 1.5 度， 但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有 多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(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。這種步進電機的應用最 為廣泛。 （6）步進電機在應用中

19、的注意點 步進電機應用于低速場合-每分鐘轉速不超過 1000 轉， （0.9 度時 6666PPS)，最好在 10003000PPS（0.9 度）間使用，可通過減速裝置使其在 此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。 步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 只有標稱為 12V 電壓的電機使用 12V 外，其他電機的電壓可根據(jù)驅動器 選擇驅動電壓（建議：57BYG 采用直流 24V36V，86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V） ，當然 12V 的電壓除 12V 恒壓驅動外也可以 采用其他驅動電源，不過要考慮溫度的變化。 轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。 電機

20、在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升 頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。 高精度時，應通過機械減速、提高電機速度或采用高細分數(shù)的驅動器來 解決，也可以采用 5 相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被 淘汰的說法是不準確的。 電機不應在振動區(qū)內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻 尼的解決。 電機在 600PPS（0.9 度）以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來 驅動。 應遵循先選電機后選驅動的原則。 2.22.2 步進電機的驅動步進電機的驅動 2.2.12.2.1 步進電機的驅動方式步進電機的驅動方式 步進電機常用的驅

21、動方式是全電壓驅動，即在電機移步與鎖步時都加載額 定電壓。為防止電機過流及改善驅動特性需加限流電阻。由于步進電機鎖步時， 限流電阻要消耗掉大量的功率。因此，限流電阻要有較大功率容量，并且開關 管也要有較高的負載能力。 步進電機的另一種驅動方式是高低壓驅動，即在電機移步時加額定或超過 額定值的電壓，在較大電流驅動下，使電機快速移步。而在鎖步時則加低于額 定值的電壓，只讓電機繞組渡過鎖步所需的電流值。這樣既可以減少限流電阻 的功率消耗，又可以提高電機運行速度，但這種驅動方式的電路相對要復雜一 些。驅動脈沖的分配可以使用硬件方法，即使用脈沖分配器實現(xiàn)?，F(xiàn)在脈沖分 配器已經(jīng)標準化，芯片化，市場上可以買

22、到。但硬件方法不但結構復雜，而且 成本也較高。 步進電機控制也可以使用軟件方法，即使用單片機實現(xiàn)，這樣不但簡化了 電路，而且也降低了成本。使用單片機以軟件方法，驅動步進電機，不但可以 通過編程方法在一定范圍內自由地設定步進電機的轉速，往返轉動的角度以及 轉動次數(shù)等，而且還方便靈活控制步進電機的運行狀態(tài)。 步進電動機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備步進 電動機驅動器。步進電動機驅動系統(tǒng)的性能，除與電動機自身的性能有關外， 也在很大程度上取決于驅動器的優(yōu)劣。 信號放大級推動級環(huán)形分配級 驅動級 保護級 圖 2-1 驅動器構成 步進電動機驅動器的主要構成如圖 2-1 所示，一般由環(huán)形

23、分配器、信號處 理級、推動級、驅動級等部分組成，用于功率步進電動機的驅動器還要有多種 保護線路。 環(huán)形分配器用來接受來自控制器的 CP 脈沖，并按步進電動機狀態(tài)轉換表 要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導通或截止的信號。每來一個 CP 脈沖，環(huán)形分配器 的輸出轉換一次。因此，步進電動機轉速的高低、升速或降速、起動或停止都 完全取決于 CP 脈沖的有無或頻率。同時，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方 向信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉換是按正序或者按反序轉換，于是就決定了 步進電動機的轉向。接受 CP 脈沖和方向電平是環(huán)形分配器的最基本功能。 從環(huán)形分配器輸出的各相導通或截止的信號送入信號放大與處理級。信號 放大的

24、作用是將環(huán)形分配輸出信號加以放大，變成足夠大的信號送入推動級， 這中間一般既需電壓放大，也需電流放大。信號處理級是實現(xiàn)信號的某些轉換、 合成、產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅動。本級還 經(jīng)常與各種保護電路、各種控制電路組合在一起，形成較高性能的驅動輸出。 推動級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以推動驅動級輸入的較大信號。 有時，推動級還承擔電平轉換的作用。 保護級的作用是保護驅動級的安全。一般可根據(jù)需要設置過電流保護、過 熱保護、過壓保護、欠壓保護等。有時還需要對輸入信號進行監(jiān)護，發(fā)現(xiàn)輸入 異常也提供保護動作。驅動級直接與步進電動機各相繞組連接，它接受來自推 動級的信號

25、，控制電動機各相繞組的導通與截止，同時也對繞組承受的電壓和 電流進行控制。 2.2.22.2.2 步進電機的驅動特點步進電機的驅動特點 各種電子設備的最末級一般需要功率放大，步進電動機驅動也是這樣。為 使步進電動機滿足各種需要的輸出，驅動級必須對電動機繞組提供足夠的電壓 和電流。但步進電動機驅動與一般電子設備的驅動有不同的特點，主要體現(xiàn)在： （1）各相繞組都是開關工作。多數(shù)電動機繞組都是連續(xù)的交流或直流，而 步進電動機各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是斷續(xù)的。 （2）電動機各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞 組通電時電流上升率受到限制，因此影響電動機繞組電流

26、的大小。 （3）繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變， 結果使應該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設計適當?shù)?續(xù)流回路。繞組導通和截止過程中都會產(chǎn)生較大的反電勢，而截止時的反電勢 將對驅動級器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。 （4）電動機運轉時在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉電勢，這些電勢的大小和方向 將對繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉電勢基本上與電動機轉速成正比，轉 速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電動機輸出轉矩也隨著轉速升高而 下降。 （5）電動機繞組中有電感電勢、互感電勢、旋轉電勢。這些電勢與外加電 壓共同作用于功率器件。當其疊加結果使電動機繞組兩端電壓大

27、大超過電源電 壓時，使驅動級工作條件更為惡化。 步進電動機的驅動有單電壓驅動、單電壓串電阻驅動、雙電壓驅動、高低 壓驅動、斬波恒流驅動、H 橋驅動、多相橋驅動、生頻升壓驅動和細分驅動等。 下面簡單介紹典型的單電壓驅動和 H 橋驅動。 1.電壓驅動 圖 2-2 單電壓驅動的單元線路 所謂單電壓驅動，是指在電動機繞組工作過程中，只用一個方向電壓對繞 組供電。其線路如圖 2-2 所示。前面推動級輸出信號 In 作用于三極管的基極， 其集電極接電動機的一端繞組，繞組另一端直接與電源電壓連接。這樣，三極 管導通時，電源電壓全部作用在電動機繞組上。當輸入信號是高電平時 In 提供 足夠大的基極電流使三極管

28、 T 處于飽和狀態(tài)，若忽略其飽和壓降，則電源電壓 全部作用在電動機繞組上。等值電路如圖 2.4(b)所示，其中，R 是繞組電阻， L 是繞組的平均電感，E 是電動機運動而產(chǎn)生的反電勢。電動機處于靜止狀態(tài)， 繞組在一定的勵磁狀態(tài)下電流維持在穩(wěn)定值，稱為初態(tài)，這是一種靜止的鎖定 狀態(tài)。對驅動器施加一個脈沖，使勵磁狀態(tài)改變一次，或稱換相一次，使電動 機運行一步，這個過程稱為單步響應。當電動機運行的轉速足夠低，即 CP 脈 沖周期足夠長時，電動機運行的每一步都可認為是單步響應的過程。由導通時 的等值電路，可知其電壓平衡方程為： 1 1 di UiE dt （2-1） 如果將電動機堵轉，則電動機不能運轉

29、，其反電勢為零。此時繞組電流的單步 響 應可以解方程求出，即： 1 1 t U ie R （2-2） 式中， 為繞組回路的電氣時間常數(shù)，且： L R （2-3） 步進電動機有一個重要的問題是低頻振蕩。在頻率較低時，電動機處于步進工 作狀態(tài)，每一步都發(fā)生一定的過沖現(xiàn)象，在穩(wěn)定平衡點附近形成一個振蕩過程。 在某些運行頻率下就會發(fā)生共振，此時電動機根本沒有帶載能力，在空載時也 不能正常運行。共振現(xiàn)象，是由于電動機獲得的能量過剩而引起的。與電動機 帶載的性質、電壓高低、電動機結構、驅動器的結構都有一定的關系。目前， 通常在電動機中加機械阻尼、在電路中加電氣阻尼、改進電路結構等多種方法 來克服共振現(xiàn)象。

30、歸納起來，單電壓驅動器有如下特點： 線路簡單，成本低； 低頻時響應較好； 有共振區(qū)； 高頻時帶載能力迅速下降。 單電壓驅動由于性能較差，在實際中應用較少，只有在小機座號電動機且簡單 應 用中才用到。 2.H 橋驅動 圖 2-3 H橋驅動原理圖 永磁步進電動機及二相、三相、五相混合式步進電動機的勵磁繞組都必須 用雙極性電源供電，也就是說，勵磁繞組有時需通正向電流，有時需通反向電 流。這樣的繞組需要用 H 橋驅動。由四個晶體管 T1T4 組成 H 橋的四臂，高 壓管 T1、T3 的集電極接高壓電源，低壓管 T2、T4 的發(fā)射極共地。當輸入信號 IR為高電平時，T2、T3 導通 T1、T4 截止，電

31、流經(jīng) T2、電動機繞組、T3 到地， 見圖 2-4（a） 。當 If為高電平時，T1、T4 導通，T2、T3 截止，電流經(jīng) T1、電 動機繞組、T4 到地，見圖 2.4(b)?？梢婋娏髟诶@組中流動是兩個完全相反的 方向。推動級的信號邏輯應使兩對角線晶體管不能同時導通，以免造成高低壓 管的直通。直通的結果會使很大的短路電流流過兩個晶體管，這是非常危險。 (a) (b) 圖 2-4 不同對角線晶體管導通時電流的方向 2.2.32.2.3 步進電機驅動器的直流供電電源的確定步進電機驅動器的直流供電電源的確定 （1）電壓的確定 混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如 IM483

32、的供電電壓為 1248V） ，電源電壓通常根據(jù)電機的工作轉速和響應要求 來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但電源 電壓不能超過驅動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅動器。 （2）電流的確定 供電電源電流一般根據(jù)驅動器的輸出相電流 I 來確定。如果采用線性電源， 電源電流一般可取 I 的 1.11.3 倍；如果采用開關電源，電源電流一般可取 I 的 1.52.0 倍。 2.32.3 步進電機控制系統(tǒng)構成步進電機控制系統(tǒng)構成 步進電機控制系統(tǒng)由步進控制器、功率放大器和步進電機組成，如圖 2-5 所示。 步進控制器 功率放大器 步進電機 負載 脈沖 方向控制 圖 2-5 步

33、進電機控制系統(tǒng)組成圖 步進控制器包括緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正反轉控制門等。 其作用是把輸入脈沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實現(xiàn)對步進電機的轉動和正反向控制。 功率放大器的作用是將步進控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅動步進電機 轉動。在這種控制中，由于步進控制器線路復雜，成本高，限制了它的應用。 隨著微型計算機的廣泛應用，采用計算機控制系統(tǒng)，只要控制輸入電脈沖 的數(shù)量、頻率以及電機繞組通電相序即可獲得所需的轉角、轉速及轉向。這不 僅簡化了線路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。如圖 2-6 為微機 控制步進電機的系統(tǒng)結構圖。 圖 2-6 微機控制步進電機的系統(tǒng)結構圖 在步進電機的運行過

34、程中，將可能出現(xiàn)失步，其失步原因有兩種： （1）轉子的加速度慢于步進電機的旋轉磁場，也就是低于換相速度而產(chǎn)生 的。這是因為輸入電機的電能不足，在步進電機中產(chǎn)生的同步力矩無法使轉子 速度跟隨定子磁場的旋轉，從而引起失步。 （2）轉子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉速度，這時定子通電勵磁的 時間較長，大于轉子步進一步所需要的時間，則轉子在步進過程中獲得過多的 能量，從而產(chǎn)生前沖和后沖的擺動振蕩，當振蕩足夠嚴重時就會導致失步。 微型計算機 接口 驅動器 步進電機 負載 第三章第三章 單片機控制步進電機的方法單片機控制步進電機的方法 3.13.1 步進電機控制方法步進電機控制方法 3.1.13.1.1

35、 串行方式串行方式 將 PIC 單片機與串行接口芯片 8251 組成串行控制系統(tǒng)，與步進電機驅動電 源相連，通過將控制信號送入電源中的環(huán)形分配器，再經(jīng)功率放大器放大，就 可控制步進電機的運行，如圖 3-1 所示。 圖 3-1 串行控制方式示意 PIC 8251 TXD RXD 環(huán)形分配 器 功率放大 器 步進電 機 3.1.23.1.2 并行方式并行方式 用 PIC 單片機和 P1 的數(shù)據(jù)輸出信號直接控制步進電機各相驅動電路的方 式，稱為并行控制。在步進電機驅動電源內包括環(huán)形分配器，但其功能由單片 機系統(tǒng)完成。由系統(tǒng)實現(xiàn)脈沖分配有 2 種方法，一是純軟件方法，即完全用軟 件來實現(xiàn)相序的分配，直

36、接輸出各相導通或截止信號，主要有寄存器移位法和 緩沖區(qū)查表法；二是軟硬件相結合的方法，單片機向可編程接口芯片 8255 輸出 控制信號數(shù)據(jù)，在由可編程接口芯片輸出步進電機的各相導通或截止的控制信 號。 3.23.2 PIC 單片機介紹單片機介紹 3.2.13.2.1 PIC 單片機介紹單片機介紹 PIC 系列單片機是由美國 Microchip 公司生產(chǎn)的單片機產(chǎn)品，目前在世界 8 位單片機沖銷量第一。PIC 系列單片機具有良好的抗干擾性能、簡潔的指令集， 所需硬件配置較少，因此，在電腦的外設、家電控制、電信通信、智能儀器、 汽車電子及金融電子等各個領域得到了廣泛的應用。 PIC 單片機（Per

37、ipheral Interface Controller）是一種控制外圍設備的集成電 路（IC） ，是把 CPU、ROM 和 I/O 等集成在一塊芯片上的特殊微型計算機。 PIC 系列單片機是一種具有分散（多任務）功能的、面對控制應用的一種微處 理器。它采用精簡指令集、哈佛總線結構、二級流水線指令方式。除了具有一 般單片機所具有的實用、低價、低功耗、高速度、體積小、功能強等特點外， 還具有品種多、指令集小、簡單易學、較強的抗干擾能力、徹底的保密性、自 帶看門狗定時器等特點，體現(xiàn)了單片機發(fā)展的一種新趨勢。 3.2.23.2.2 PIC 系列單片機的結構系列單片機的結構 PIC 系列單片機映入了原

38、用于小型計算機的雙總線和兩級指令流水結構。 1 雙總線結構 在這里 PIC 系列單片機采用了一種雙總線結構，即所謂哈佛結構。這種結 構有兩種總線，即程序總線和數(shù)據(jù)總線。這兩種總線可以采用不同的字長，如 PIC 系列單片機是 8 位機，所以其數(shù)據(jù)總線當然是 8 位。但低檔、中檔和高檔 的 PIC 系列機分別有 12 位、14 位和 16 位的指令總線。這樣，取指令是則經(jīng)指 令總線，取數(shù)據(jù)是則經(jīng)數(shù)據(jù)總線，互不沖突。 指令總線一般要增加位數(shù)，這是因為指令的位數(shù)多，則每條指令包含的信 息量就打，這種指令的功能就是強。一條 12 位、14 位或 16 位的指令可能會具 有兩條 8 位指令的功能。因此，P

39、IC 系列單片機的指令與 CISC 結構的單片機指 令相比，前者的指令總數(shù)（即 RISC 指令集）要少得多。 2 兩級指令流水線結構 由于 PIC 系列單片機采用了指令空間和數(shù)據(jù)空間分開的哈佛結構，用了兩 種位置不同的總線，因此，取指令和取數(shù)據(jù)有可能同時交疊進行，所以在 PIC 系列微控制器取指令和執(zhí)行指令就采用指令流水線結構。 當?shù)谝粭l指令被取出后，隨即進入執(zhí)行階段，這時可能會從某寄存器取數(shù) 而送至另一寄存器，或從一端口向寄存器傳送數(shù)等，但數(shù)據(jù)不會流經(jīng)程序總線， 而只是再數(shù)據(jù)總線中流動，因此，在這段時間內，程序總線有空，可以同時取 出第二條指令。當?shù)谝粭l指令執(zhí)行完畢，就可執(zhí)行第二條指令，同時

40、取出第三 條指令如此等等。這樣，除了第一條指令的取出，其余各條指令的執(zhí)行和 下一條指令的取出是同時進行的，使得在每個時鐘周期可以獲得最高效率。 在大多數(shù)微控制器中，取指令和執(zhí)行指令都是順序進行的，但在 PIC 單片 機指令流水線結構中，取指令和執(zhí)行指令在時間上是互相重疊的，所以用 PIC 系列單片機才可實現(xiàn)單周期指令。只有涉及到改變程序計數(shù)器 PC 值得程序分支 指令（例如 GOTO、CALL 等）才需要兩個周期。 此外，PIC 的結構特點還體現(xiàn)在寄存器組上，如寄存器 I/O 端口、定時器 和程序寄存器等都采用了 RAM 結構形式，而且都只需要一個周期就可以完成 訪問和操作。而其他單片機常需要

41、兩個或兩個以上的周期才能改變寄存器的內 容。 上述各項就是 PIC 系列單片機能做到指令總數(shù)少，且大都為單周期指令的 重要原因。 3.33.3 步進電機的單片機控制步進電機的單片機控制 步進電機控制的最大特點是開環(huán)控制，不需要反饋信號。因為步進電機的 運動不產(chǎn)生旋轉量的誤差累積。由單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)如圖 3-2 圖 3-2 單片機控制步進電機 假定以 PIC 單片機的 PB 口線接步進電機的繞組，輸出控制電流脈沖，其 中 PB0接 A，PB1接 B，PB2接 C。 （1）雙相三拍控制 雙相三拍控制模型如表 3-1 所示 表 3-1 步序PB 口輸出狀態(tài)繞組控制字 1 AB 03H 2

42、 BC 06H 3 CA 05H 假定有如下工作單元和工作位定義： R0為步進數(shù)寄存器； PSW 中，F(xiàn)0為方向標志位，F(xiàn)0=0 正轉，F(xiàn)00 反轉。 參考程序如下： MAIN: BSFSTATUS,RP0 CLRFTRISC BCFSTATUS,RP0 JUDGE: BTFSS PORTC,6;判正反轉 GOTO ANTICLOCKWISE GOTO CLOCKWISE ANTICLOCKWISE:;按照逆時針步序進行 MOVLW03H;第一拍 MOVWFPORTB;向端口 B 送入數(shù)值 03H CALLDELAY;延時 MOVLW06H;第二拍 MOVWFPORTB CALLDELAY M

43、OVLW05H;第三拍 MOVWFPORTB CALLDELAY GOTO JUDGE CLOCKWISE: MOVLW03H MOVWFPORTB CALLDELAY MOVLW05H MOVWFPORTB CALLDELAY MOVLW06H MOVWFPORTB CALLDELAY GOTO JUDGE END （2）三相六拍控制程序 在雙相三拍程序中，PB 口輸出的控制字是在程序中給定的。而在三相六拍 的控制中，由于控制字較多，故可以把這些控制字以表的形式預先存放在內部 RAM 單元中，運行程序時以查表的方式逐個取出并輸出。 MAIN: BSFSTATUS,RP0 CLRFTRISC

44、BCFSTATUS,RP0 JUDGE: BTFSS PORTC,6;判正反轉 GOTO ANTICLOCKWISE GOTO CLOCKWISE ANTICLOCKWISE:;按照逆時針步序進行 MOVLW01H;第一拍 MOVWFPORTB;向端口 B 送入數(shù)值 03H CALLDELAY MOVLW03H;第二拍 MOVWFPORTB CALLDELAY MOVLW02H;第三拍 MOVWFPORTB CALLDELAY MOVLW06H;第四拍 MOVWFPORTB CALLDELAY MOVLW04H;第五拍 MOVWFPORTB CALLDELAY MOVLW05H;第六拍 MOV

45、WFPORTB CALLDELAY GOTO JUDGE CLOCKWISE: MOVLW01H MOVWFPORTB CALLDELAY MOVLW03H MOVWFPORTB CALLDELAY MOVLW02H MOVWFPORTB CALLDELAY MOVLW06H MOVWFPORTB CALLDELAY MOVLW04H MOVWFPORTB CALLDELAY MOVLW05H MOVWFPORTB CALLDELAY GOTO JUDGE END 延時子函數(shù)： DELAY: MOVLW 03H MOVWF DL_COUNTER DLP: MOVLW 6FH MOVWF DL_

46、COUNTER1 DLP1: DECFSZ DL_COUNTER1,1 GOTO DLP1 DECFSZ DL_COUNTER,1 GOTO DLP RETURN 第四章第四章 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計 4.14.1 系統(tǒng)硬件結構系統(tǒng)硬件結構 計算機的硬件和軟件是相互結合而工作的，有些任務必須由硬件來實現(xiàn)， 另外有些任務必須由軟件來實現(xiàn)。但是也有一些任務即可以由軟件來完成，也 可由硬件來完成。一般來說，增加硬件會提高成本，但能簡化設計程序，且實 時性好。反之，加重軟件任務，會增加編程調試工作量，但能降低硬件成本。 所以要合理的安排軟、硬件的結構。 圖 4-1 系統(tǒng)硬件結構 系統(tǒng)的硬件框圖如圖

47、4-1 示。本系統(tǒng)由鍵盤接口電路、數(shù)碼管顯示接口電 路、多諧振蕩電路和發(fā)光二極管模擬的步進電機驅動電路構成。由于本微機控 制系統(tǒng)采用單片機作為核心部件，利用單片機構成系統(tǒng)應從元件進行系統(tǒng)設計， 根據(jù)任務需要，選擇合理的單片機并配置必須的接口和外圍設備來構成系統(tǒng)。 4.24.2 模擬步進電機驅動電路模擬步進電機驅動電路 本系統(tǒng)是由單片機 PC 口輸出的脈沖信號來控制步進電機，用 4 個發(fā)光二極 管 LED 亮滅的快慢來模擬電機速度，用 LED 亮滅的順序來模擬電機的相序和 拍數(shù)。本系統(tǒng)選擇的發(fā)光二極管為紅色、圓形，開啟電壓在 1.61.8V 之間， 正向電流越大，發(fā)光越強。 輸出通道的設計內容是

48、確定通道結構和元件裝置，合理選擇驅動電路。本 系統(tǒng)的輸出通道也就是控制步進電機的通道，由于 PIC 單片機的 PC 口可以作 為輸出使用，所以將其作為輸出通道的控制斷口，采用三相四拍的模擬步進電 機進行控制需要 PC 口中的三位。四相、五相需要 PC 口的四、五位。 本來單片機與步進電機的接口需由專用的控制裝置實現(xiàn)，這里單片機與模 擬步進電機的發(fā)光二極管通過直接連接的方法實現(xiàn)。步進電機的脈沖分配由單 片機通過軟件控制構成環(huán)形分配器。發(fā)光二極管模擬步進電機驅動電路如圖 4- 2 所示。 圖 4-2 模擬步進電機驅動電路 4.34.3 LED 顯示接口電路顯示接口電路 LED 顯示器的發(fā)光二極管有

49、兩種連接方法，共陽極接法和共陰極法。本設 計采用共陰極接法。七段發(fā)光二極管，再加上一個小數(shù)點位，共計八段，因此 提供給 LED 顯示器的字行代碼正好是一個字節(jié)。LED 顯示器顯示十六進制數(shù) 字行代碼在表 4-1 中給出。 表 4-1 十六進制數(shù)字行代碼 字型共陽極代碼共陰極代碼字型共陽極代碼共陰極代碼 00XC00XCFD0XA10X5E 1OXF90X06E0X860X79 2OXA4OX5BF0X8E0X71 3OXB00X4FG0X900X60 40X990X66R0XAF0X50 50X920X6DS0XE20X1D 60X820X7DT0X870X78 70XF80X07P0X8C0

50、X73 80X80OX7FN0XAB0X54 90X900X6FU0XE30X1C A0X880X77-0XF70X08 B0X830X7C滅OXFF0X00 COXC60X39 LED 顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法；靜態(tài)顯示就是顯示每一字符，相應發(fā) 光二極管恒定的導通或截止。動態(tài)顯示就是一位一位輪流點亮各位顯示器。本 系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示，這種方式每一顯示位都需要一個 8 位輸出口控制，這里選 用 5 片 74LS164 做 8 位輸出口。74LS164 芯片是串行-并行移位寄存器，實際上 是由 RS 觸發(fā)器組成的 8 位移位寄存器。除能存儲代碼外還能夠在移位脈沖作 用下依次左移和右移。這種功能能

51、夠實現(xiàn)代碼顯示的進位和借位。74LS164 的 引腳如圖 4-3 所示。 A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 CLK 8 CLR 9 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 74LS164 圖 4-3 74LS164 引腳 單片機與 LED 間串口串行通信，P3.0 為串行數(shù)據(jù)接受端 RXD，P3.1 為串 行數(shù)據(jù)發(fā)送端 TXD。 單片機工作在模式 0：這種模式下，不管輸出還是輸入，數(shù)據(jù)總是從 P3.0（RXD）管腳輸出或輸入，而 P3.1（TXD）管腳總用于輸出移位脈沖，每 一個移位脈沖將使 RXD 端輸出或者輸入一個二進制碼。在 TXD 端的移位脈沖 即為模式

52、0 的波特率，其值固定為晶振頻率 f 的 1/12，即每個機器周期移動一 位數(shù)據(jù)。LED 顯示器的串行顯示如圖 4-4 所示。 圖 4-4 串行顯示接口 4.44.4 鍵盤接口設計鍵盤接口設計 有關鍵盤操作的部分，可分為參數(shù)設定和執(zhí)行控制等功能操作。所謂參數(shù) 設定是指本模擬系統(tǒng)在開始運行前要求設置步進電機運行的相數(shù)、拍數(shù)、轉向、 運行步數(shù)等，所以要進行按鍵輸入數(shù)值以傳入?yún)?shù)。所謂執(zhí)行控制是指步進電 機的啟動、停止以及復位。 各功能鍵具體設計如下： S1 鍵：啟動。 S2 鍵：停止。 S3 鍵：正轉。 S4 鍵：反轉。 S5 鍵：加速。 S6 鍵：減速。 S7 鍵：相數(shù)。 S8 鍵：由于外因導致

53、系統(tǒng)死機時可按此鍵，經(jīng)動態(tài)自檢過程后返回系統(tǒng)初 態(tài)。 非編碼式鍵盤識別按鍵的方法有兩種。一是行掃描法，二是線反轉法。在 本系統(tǒng)中選擇行掃描法，8 個功能鍵可看成一個 1 行 8 列的矩陣式鍵盤。因行 線接地線，各行線均為低電平。行線鍵無鍵按下時，行線、列線斷開，行線所 接端口得到的全是“0”信號，當列線輸出是高電平時，有鍵按下列線變?yōu)榈碗?平。此時讀到的鍵值就是按下的鍵。為防止雙鍵或者多鍵同時按下，往往從第 0 行一直掃描到最后一行，若發(fā)現(xiàn) 1 個閉合鍵，則有效否則全部作廢。本系統(tǒng) 從第 1 鍵掃描到第 7 鍵。掃描全部鍵盤時間很短，僅十幾微秒，而按鍵時間一 次至少幾十毫秒，所以只要有鍵按下，

54、都能被掃描到。鍵是機械開關結構，由 于機械觸點的彈性及電壓突跳等原因，在觸點閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖 動，所以要進行鍵的去抖動處理。用軟件延時可以躲過抖動，大約延時 10ms 即可。 本系統(tǒng)鍵盤接口電路由 CPU、鍵盤構成。CPU 的 P1.0P1.6 端口發(fā)出脈 沖對鍵盤進行掃描，CPU 不斷對列線置高電平，有按鍵按下則列線低電平，另 外復位鍵直接和單片機的 RESET 端口相連，作為外因導致系統(tǒng)死機的重置。鍵 盤接口的電路如圖 4-5 所示。 圖 4-5 鍵盤接口電路 4.54.5 石英多諧振蕩器電路設計石英多諧振蕩器電路設計 多諧振蕩器是一種自激勵振蕩器，在接通電源之后，不需要外加觸

55、發(fā)信號， 便能自動的產(chǎn)生矩形脈沖。本系統(tǒng)對多諧振蕩器振蕩頻率有嚴格要求，因為振 蕩器作為模擬步進電機的脈沖源使用，它的頻率直接影響著電機運轉的穩(wěn)定性。 在這種情形下，采用在多諧振蕩器電路中接入石英晶體，組成石英晶體多 諧振蕩器。石英晶體多諧振蕩器的振蕩頻率取決于石英晶體的固有諧振頻率 f0，而與外接電阻、電容無關。石英晶體的諧振頻率由石英晶體的結晶方向和 外行尺寸所決定，具有極高的頻率穩(wěn)定性。它的頻率穩(wěn)定度可達到 (0/0) ，工作頻率可達到幾十兆赫。 10 1010 11 采用一工作頻率為 12MHz 的石英晶振與對稱式的多諧振蕩器中的耦合電容 串聯(lián)起來組成了如圖 4-6 所示的石英晶體多諧

56、振蕩器。 圖 4-6 石英晶體多諧振蕩器接口 4.64.6 光電編碼器原理及分類光電編碼器原理及分類 光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上 等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸,電動機旋轉時,光柵 盤與電動機同速旋轉,經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈 沖信號,其原理示意圖如圖4-7所示,通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就 能反映當前電動機的轉速。此外,為判斷旋轉方向,碼盤還可提供相位相差90 的兩路脈沖信號。 圖4-7 光電編碼器原理示意圖 根據(jù)編碼器的刻度方法及信號輸出形式,可分為增量式、絕對式以及混合式 三種。 1增量式編碼器

57、 增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相; A、B 兩組脈沖相位差90,從而可方便地判斷出旋轉方向,而Z相為每轉一個脈沖,用 于基準點定位。它的優(yōu)點是原理構造簡單,機械平均壽命可在幾萬小時以上,抗 干擾能力強,可靠性高,適用于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位 置信息。 2絕對式編碼器 絕對式編碼器可直接輸出數(shù)字量。在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼 道,每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成,相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關 系,碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的位數(shù),在碼盤的一側是光源,另一側對 應每一碼道有一光敏元件;當碼盤處于不同位置時,各光敏元件根據(jù)受光照與

58、否 轉換出相應的電平信號,形成二進制數(shù)。這種編碼器的特點是不要計數(shù)器,在轉 軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數(shù)字碼。顯然,碼道越多,分 辨率就越高,對于一個具有N位二進制分辨率的編碼器,其碼盤必須有N條碼道。 絕對式編碼器是利用自然二進制或循環(huán)二進制(葛萊碼)方式進行光電轉換的。 編碼的設計可采用二進制碼、循環(huán)碼、二進制補碼等。它的特點是: 可以直接讀出角度坐標的絕對值 沒有累積誤差 電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數(shù)來決定的, 也就是說精度取決于位數(shù),目前有10 位、14 位等多種。其缺點是引出線較多, 信號線數(shù)量與二進制的位數(shù)相同。 3混合式絕對值編碼器 混

59、合式絕對值編碼器,它輸出兩組信息:一組信息用于檢測磁極位置,帶有絕 對信息功能;另一組則與增量式編碼器的輸出信息完全相同。 增量式編碼器實際上是一種旋轉式角位移檢測裝置，它根據(jù)軸所轉過的角 度，輸出一系列脈沖，能將機械角度變成電脈沖，其輸出信號如圖 4-2 所示。 A、B 兩路信號是相位相差 90的正交方波脈沖串，每個脈沖代表被測對象旋轉 了一定的角度，A、B 之間的相位關系則反映了被測對象的旋轉方向，即當 A 相 超前 B 相，轉動方向為正轉；當 B 相超前 A 相時，轉動方向為反轉。Z 信號是 一個代表零位的脈沖信號，可用于調零、對位。 (a)編碼器正轉輸出 (b)編碼器反轉輸出 圖 4-

60、2 編碼器輸出信號 編碼器測量位移的工作原理如下： 編碼器位移測量系統(tǒng)硬件主要有光柵辨向電路、PIC單片機、WH8280鍵盤 和數(shù)碼管電路組成。編碼器測量位移系統(tǒng)原理圖如圖4-3. 編碼器輸出兩路相角相差90度的位移采集信號，經(jīng)辨向電路得到一方波信 號和一光脈沖信號，由于辨向電路輸出的信號是TTL電平，可將方波信號和光 脈沖信號分別接入PIC的T0和T1進行計數(shù)。WH8280采用串行方式與微處理器通 訊，串行數(shù)據(jù)從DATA引腳送入芯片，并與CLK端同步。當片選信號CS變?yōu)榈?電平后，DATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入WH8280的緩沖寄存器， 即單片機得到采集數(shù)據(jù)通過WH8280送