步進(jìn)電機(jī)的控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告.

1、總課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：步進(jìn)電機(jī)的控制專 業(yè)：電子信息工程年 級(jí)：2010級(jí)學(xué) 號(hào)：1010612043學(xué)生姓名：弓 聯(lián)系電話導(dǎo)老師： 完成日期：2013 年12 月 20 日賀州學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告步進(jìn)電機(jī)的控制摘要利用8051單片機(jī)STC89C51集成芯片ULN2003以及電阻晶振等集成元件 和分立元件，制作簡(jiǎn)易智能化的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)基于8051單片機(jī)的四 相步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)達(dá)到四相步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，急停， 測(cè)速以及顯示速度等級(jí)等功能 的要求，具有精度高、體積小、控制方便靈活 的 優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：8051單片機(jī)；ULN2003四相步進(jìn)電機(jī)1A

2、BSTRACTUsi ng 8051 microco ntroller STC89C51, in tegrated chip ULN2003 resista nee as well as integrated components such as crystals and discrete component, to make simple intelligent stepper motor control system, the implementation is based on 8051 single chip microcomputer of four phase stepper mo

3、tor open-loop control system. After test ing, the system achieve four phase stepper motor and revers ing, stop, speed measuri ng and display speed level fun cti ons such as requireme nt, with high accuracy, the adva ntages of small volume, convenient con trol and flexible.Key Words： 8051 single chip

4、 microcomputer; ULN2003; Four phase stepper motor.目錄摘要IABSTRACT ii1設(shè)計(jì)要求及方案選擇41.1設(shè)計(jì)要求41.2方案選擇42 理論分析與設(shè)計(jì) 42.1步進(jìn)電機(jī)原理及控制 42.2設(shè)計(jì)原理分析62.3方案論證83 電路設(shè)計(jì)93.1硬件電路的設(shè)計(jì)93.2軟件的設(shè)計(jì)134系統(tǒng)測(cè)試174.1調(diào)試所用的基本儀器清單 174.2調(diào)試結(jié)果與分析175總結(jié)17參考文獻(xiàn)18附錄18PCB圖19實(shí)物圖19賀州學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告201設(shè)計(jì)要求及方案選擇1.1設(shè)計(jì)要求（1）查閱資料，了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理；（2）通過(guò)單片機(jī)給步數(shù)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；（3）通過(guò)按

5、鈕可控制啟停及正反轉(zhuǎn)；（4）測(cè)量步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；（5）所用到的電路板必須有作者的名字和學(xué)號(hào)。1.2方案選擇1.2.1步進(jìn)電機(jī)控制方案方案一：基于電子電路的控制1-1步進(jìn)電機(jī)受電脈沖信號(hào)控制，電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的 動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于脈沖控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動(dòng)路. 步進(jìn)電機(jī)與控制電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路組成一體，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。此種控 制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)。這個(gè)系統(tǒng)由三部分組 成：脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào)分配電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)組成如圖 所示。脈1環(huán)功 動(dòng)步?jīng)_形_率 電進(jìn)控分放 路、電制V配V大V機(jī)

6、器器驅(qū)圖1-1 基于電子電路控制系統(tǒng)此種方案即可為開(kāi)環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)時(shí)，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)單，但未能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分。采用閉環(huán)控制，即能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。 閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過(guò)反饋和適當(dāng)?shù)奶幚恚?自動(dòng)給出脈沖鏈，使步進(jìn)電機(jī)每一步響應(yīng)控制信號(hào)的命令，從而只要控制策略正確電 機(jī)不可能輕易失步。該方案多通過(guò)一些大規(guī)模集成電路來(lái)控制其脈沖輸出頻率和脈沖 輸出數(shù)，功能相對(duì)較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計(jì)，因此靈活性不高。 方案二：基于PLC的控制PLC也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計(jì)算機(jī)。PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有

7、通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡(jiǎn)單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn) 而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用PLC來(lái)產(chǎn)生控制脈沖。通過(guò)PLC編程輸出一定數(shù)量的 方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量，同時(shí)通過(guò)編程控制脈沖 頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。環(huán)形脈沖分配器將 PLC輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用PLC資源較多，特別是步進(jìn)電機(jī)繞組相數(shù)大于 4時(shí)，對(duì)于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采

8、用 硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省PLC資源，目前市場(chǎng)有多種專用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路將 PLC輸出的控制脈沖放大，達(dá)到比較大 的驅(qū)動(dòng)能力，來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。采用軟件來(lái)產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號(hào)，并用PLC中的定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生速度脈沖信號(hào)，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，降低硬件成本。但由于PLC的掃描周期一般為但由于PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率只能達(dá)到 幾百赫茲，因此，受到PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進(jìn)電機(jī)不能在高 頻下工作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時(shí)，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng) 的控制精度就降低了。方案三：基于

9、單片機(jī)的控制采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替 環(huán)形分配器，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步 進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為 一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢 相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示正 轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí) 現(xiàn)脈沖的分配。本方案有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精 確控制，避免了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響；(

10、2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的設(shè)定，用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，大大提高了接口電 路的靈活性和通用性； 單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍 電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性5 0基于以上優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用基于單片機(jī)的控制方案。1.2.2基于單片機(jī)的部機(jī)電機(jī)控制的方案 單片機(jī)的選擇方案一：采用零陽(yáng)單片機(jī)。特點(diǎn)：體積小，集成度搞可靠性好易于擴(kuò)展，采用COM制造工藝，功耗低，工作電壓范圍大，但是它的價(jià)格昂貴，不利于提高作品的性價(jià)比。方案二：采用51系列的單片機(jī)。51系列的單片機(jī)應(yīng)用很廣泛，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低 廉，易于使用的優(yōu)點(diǎn)。由于此次對(duì)單片機(jī)的要求

11、不高，所以采用 51單片機(jī)。驅(qū)動(dòng)電路的選擇方案一：使用達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)芯片 ULN2003 2003為極電極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)芯片，能驅(qū)動(dòng) 4相步 進(jìn)電機(jī)，價(jià)格低廉。方案二：使用驅(qū)動(dòng)芯片L298，L298為H橋驅(qū)動(dòng)芯片，可以為負(fù)載提供雙向的電流。簡(jiǎn) 單方便，但是相應(yīng)的成本增加了。綜合本設(shè)計(jì)的需求，在滿足本設(shè)計(jì)的要求下，選用方案一較為經(jīng)濟(jì)。顯示電路選擇方案一：采用LCD液晶顯示，LCD液晶顯示具有方便，美觀，顯示信息量大的特點(diǎn)，缺 點(diǎn)是成本咼。方案二：采用LED數(shù)碼管顯示，數(shù)碼貢獻(xiàn)是在硬件連接方面顯得較為復(fù)雜，在不同的 場(chǎng)合下配合使用的芯片不同。相對(duì)于LCD液晶顯示來(lái)說(shuō)，LED在成本方面較為優(yōu)勢(shì)。2理論分析與設(shè)

12、計(jì)2.1步進(jìn)電機(jī)原理及控制由于步進(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，典型步進(jìn)電機(jī)控制 系統(tǒng)如圖2-1所示：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(lái)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(guò)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

13、對(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(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：(1) 換相順序的控制通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如，三相步進(jìn)電機(jī)在單三拍的工作方式下， 其各相通電順序?yàn)長(zhǎng)B-CA ，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C相的通斷。三相雙三拍的通電順序?yàn)锳4BC CA-AB ，三相六拍的通電順序?yàn)锳 AB B BC C CAA。(2) 步進(jìn)電機(jī)的換向控制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 B

14、C C CAA。 如果按反序通電換相，即A AC C CB B BAA，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。(3) 步進(jìn)電機(jī)的速度控制如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步 兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，就可以 對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。（4）步進(jìn)電機(jī)的起?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)由于其電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)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，跳過(guò)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)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)

15、電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使步進(jìn)電 機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。（5）步進(jìn)電機(jī)的加減速控制在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果信號(hào)變化太快，步進(jìn)電機(jī)由于慣性 跟不上電信號(hào)的變化，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。所有步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須 有加速過(guò)程，在停止時(shí)波形有減速過(guò)程。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī) 整個(gè)降速過(guò)程頻率變化規(guī)律是整個(gè)加速過(guò)程頻率變化規(guī)律的逆過(guò)程。選定的曲線比較 符合步進(jìn)電機(jī)升降過(guò)程的運(yùn)行規(guī)律，能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性好， 縮短了升降速的時(shí)間，并可防止失步和過(guò)沖現(xiàn)象。在一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù) 負(fù)載的情況來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱為“啟動(dòng)頻 率

16、”于此類似“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然關(guān)斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過(guò)目標(biāo)位置的 最高步進(jìn)頻率。電機(jī)的啟動(dòng)頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng)， 有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速控制。加速過(guò)程有突然施加的脈沖啟動(dòng) 頻率fO。步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率（突跳頻率）一般為 0.1 KHz到34KHz，而最高運(yùn) 行頻率則可以達(dá)到 N*102KHz，以超過(guò)最高啟動(dòng)頻率的頻率直接啟動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和在一般的應(yīng)用中，經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐和反復(fù)驗(yàn)證，頻率如按直線上升或下降，控制效 果就可以滿足常規(guī)的應(yīng)用要求。用 PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加P減速控制，實(shí)踐上就是控 制發(fā)脈沖的頻率。加速時(shí)，使脈沖頻率增高，減速則相

17、反。如果使用定時(shí)器來(lái)控制電 機(jī)的速度，加減速控制就是不斷改變定時(shí)中斷的設(shè)定值。速度從v1v2變化，如果是線性增加，則按給定的斜率加 P減速；如果是突變，則按階梯加速處理。在此過(guò)程中 要處理好兩個(gè)問(wèn)題： 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，就可以建立一個(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)初始表。通過(guò)在不同的階段調(diào)用相應(yīng)的定時(shí)初值，就可控 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。 保證控制速度的精確性。要從一個(gè)速度準(zhǔn)確達(dá)到另一個(gè)速度，就要建立一個(gè)校 驗(yàn)機(jī)制，以防超

18、過(guò)或未達(dá)到所需速度。（6）步進(jìn)電機(jī)的換向控制步進(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)在換向，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)脈沖結(jié)束后以 及下一個(gè)方向的第一個(gè)脈沖前發(fā)出。對(duì)于脈沖的設(shè)計(jì)主要要求其有一定的脈沖寬度、 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f加速3個(gè)過(guò)程。2.2設(shè)計(jì)原理分析2.2.1元器件介紹（1）步進(jìn)電機(jī)3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(guò)輸入脈沖信號(hào)

19、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(guò)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)行圖2-2總體設(shè)計(jì)方框圖元件，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(kāi)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， 所以，也有人稱步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。

20、 四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理該設(shè)計(jì)采用了 20BY-0型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電 源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)某 一相繞組通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí)，如果定子和轉(zhuǎn)子 的小齒沒(méi)有對(duì)齊，在磁場(chǎng)的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn) 子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對(duì)齊，由此可見(jiàn)，錯(cuò)齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn) 的原因。 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)相數(shù)：產(chǎn)生不同隊(duì)N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)，常用 m表示。拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖用 n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所 需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四

21、相四拍運(yùn)行方式即 A4BSCDHDLAB,四相八拍運(yùn)行方式即 AABBf BCCCDHDDAA。步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用B表示。0=360度(轉(zhuǎn)子齒角運(yùn)行拍數(shù))，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒角為50齒角電機(jī)為例。四相運(yùn)行時(shí)步距角為0=360度/ ( 50*4 ) =1.8度，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為9=360度/ (50*8 ) =0.9度。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電的狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場(chǎng)齒形 的諧波以及機(jī)械誤差造成的)。靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機(jī)不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力 矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。雖然靜態(tài)轉(zhuǎn) 矩與電磁

22、激磁匝數(shù)成正比，與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)。但過(guò)分采用減小氣隙， 增加勵(lì)磁匝數(shù)來(lái)提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。 四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律目前，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖 分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)進(jìn)行控制，主要是利用 軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配。四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍 工作的方式。本設(shè)計(jì)的電機(jī)工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的時(shí)序和波 形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時(shí)的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī) 律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越咼，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率

23、咼到一定程 度，步進(jìn)電機(jī)跟不上頻率的變化后電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在 步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi)(2) 89C51 單片機(jī)2Atmel 公司生產(chǎn)的89C51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口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(lái)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，89C51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)，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。2.3方案

24、論證從該系統(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)。這里選四相步進(jìn)電機(jī)，該 電機(jī)共有四相繞組，工作電壓為+5V，可以與單片機(jī)共用一個(gè)電源。步進(jìn)電機(jī)的四相繞 組用P1 口的P1.0P1.3控制，由于P1 口驅(qū)動(dòng)能力不夠，因而用一片 2003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(yáng)的。3電路設(shè)計(jì)3.1硬件電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件電路只要包括控制電路、 最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路

25、、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?？刂齐娐分灰砷_(kāi)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(duì)單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。（1）控制電路根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了啟動(dòng)控制， 換向控制，加速控制和減速 控制按鈕，分別是K1、K2、S2、S3,控制電路如圖3-1所示。通過(guò)K1、K2狀態(tài)變化 來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)和換向功能。當(dāng) K1、K2的狀態(tài)變化時(shí)，內(nèi)部程序檢測(cè) P1.0和P1.1 的狀態(tài)來(lái)調(diào)用相應(yīng)的啟動(dòng)和換向程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機(jī)的啟動(dòng)和正反轉(zhuǎn)控制。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知

26、道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過(guò)控制通入電機(jī) 的脈沖頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于單片機(jī)而言，主要的方法有：軟件延時(shí)和定 時(shí)中斷在此電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要是通過(guò)定時(shí)器的中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該電路控制電 機(jī)加速度主要是通過(guò)S2、S3的斷開(kāi)和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速 度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈 沖頻率，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。rrALii19XTAIZP 口 PKvPl IFDAIKZ P33Hm IP.神帆O事 FD/Ld PDAC-a IPLLIT 沁 CT7TT3*X-T1莒二V F p p p PP圖3-1控制電路原理圖(2)最

27、小系統(tǒng)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(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、復(fù)位電路、晶振 電路。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(duì)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對(duì)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(guò)接通一按鈕開(kāi)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。 如圖3-2示。晶振電路：8051單片機(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 XTAL

28、1和XTAL2外部接晶振電路器(簡(jiǎn)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530pf,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。C1OiPOiaAfflPa.VALIPQIADZ paAra IFO.4/AD*PQISAKp PDjACSF3.7/AP7PZIVA5FZAILIIPZ3FA11I N點(diǎn)它 PZSFA 口PZ.TfABPJRXBP3.1fTPB ph 刖mo Fjan

29、nTF1.4H0P35TH 口顧KF3J/KF圖3-2復(fù)位及時(shí)鐘振蕩電路(3)驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)ULN2003構(gòu)成比較多的驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖3-3所示。通過(guò)單片機(jī)的P1.0P1.3輸出脈沖到ULN2803的1B4B 口，經(jīng)信號(hào)放大后從1C4C 口分別輸出到電 機(jī)的A、B、C、D相。i XTAL113RSTPDDTAM PD.IfAM P 口列畑 皿工負(fù)口PEL4WIH POSfAiftS 陽(yáng)砂砧 FQ.TfAJWc- b 7 宮oulczcKgscKMH10171ZA&F5EIALEFZJTA11PZ7/A1EFl Dft： ID pa.ifDa paaunt paumF3.4JHE1F15fT1

30、P37/1TFFrJFPFFPP-IZIPFIzrPFFM1DFPPFFF1TATfflCSI TBTRULN2HU TEKW圖3-3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(4)顯示電路在該步進(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。在顯示電路中，主要是利用了單片機(jī)的P0 口和P2 口。采用兩個(gè)共陽(yáng)數(shù)碼管作顯示。第一個(gè)數(shù)碼管接的 a、b、c、d、e、f、g、h分別 接P0.0P0.7 口，用于顯示電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，正轉(zhuǎn)時(shí)顯示“ 1”，反轉(zhuǎn)時(shí)顯示“一”，不 轉(zhuǎn)時(shí)顯示“ 0”。第二個(gè)數(shù)碼管的a、

31、b、c、d、e、f、g、h分別接P2.0P2.7口，用于顯 示電機(jī)的轉(zhuǎn)速級(jí)別，共七級(jí)，即從 17轉(zhuǎn)速依次遞增，“0”表示轉(zhuǎn)速為零。電路如圖3-4所示。PEJMDCIPC.1/AD1PQ2/AVZXTAI2pnaAcaPC. WAD*R8TmStMG PCSAK Pn.T/AU?FZUAEPZACALEPZ.4fA1Z母P2SAGPZJ9AUPZ.TWSFIDP3ITRXDP1JP3 1fTXDP12F3nrrtjP13Pt*pnrrr PH-tfTQP1*P3ST1P1J6P1JPl.Tiirr1SU1Z7于圖3-4顯示電路（5）總體電路圖把各個(gè)部分的電路圖組合成總電路圖，如圖3-5所示C1I

32、III15ZZpF卡T護(hù)XICRYSTAL1SC2IIIZZpF9LJT&LJngUHZ3F311PR31 1!=V.i-3PET-1i11k1k232EF：116U29S25A:TB：T：-=TE：7R-1k=TB：7T1-He=TB7P-1D TTSABPBT =TE：ECOM1_Btc7H30jg3QSBSC6Bsc7B7C5bXTALIpnnADD p 口 .11 PDZADZXTAL2pn-H mPCI.*AD *PDSADSPDJ3AD6RSTPn7AD7PZIVAEPZ.VABPNN陽(yáng)口P!=：emP2ZA11ALEP2 *?A1ZEhPZJSAUpi nPTfVmfDP*l 1

33、p*aP1仝P3IN IUpi 1Pl TIMTI卩1 *P3 */rnP *1卑P3氣巧P1 jSP1.7P3.71TTFsinIRqiOc=TB-：rn-圖3-5總體電路圖3.2軟件的設(shè)計(jì)3.2.1程序分析通過(guò)分析可以看出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于隨時(shí)有可能輸入加速、加速信號(hào)和方向信號(hào)，因而采用中斷方式效率最高，這樣總共要完成4個(gè)部分的工作才能滿足課題要求，即主程序部分、定時(shí)器中斷部分、外部中斷0和外部中斷1部分,其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置及啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的檢測(cè)，若啟動(dòng)開(kāi)關(guān)合上則 系統(tǒng)開(kāi)始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時(shí)器部分控制脈沖頻率，它決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn) 速的快慢；兩個(gè)外

34、部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能。下面分析 主程序與定時(shí)器中斷程序及外部中斷程序。（1）主程序設(shè)計(jì)主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種開(kāi)關(guān) 狀態(tài)的檢測(cè)判斷等。其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設(shè)置內(nèi)容較多，該系統(tǒng)中，需要初始化定時(shí) 器、外部中斷；對(duì)P1 口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電 機(jī)的啟動(dòng)速度，對(duì)方向值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向等內(nèi)容。若初始化 P1=11H、速度和方向初始值均設(shè)為 0,就意味著步進(jìn)電機(jī)按四相單四拍運(yùn)行，系統(tǒng)上電后在沒(méi)有操作的情況下，步進(jìn)電機(jī)不旋轉(zhuǎn)，方向值顯示“0”速度值顯示“ 0”主程序流程圖如圖3-6所示。圖

35、3-6主程序流程（2）定時(shí)中斷設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是給電機(jī)各繞組按一定的時(shí)間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通入電 流，步進(jìn)電機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn)，時(shí)間間隔越短，速度就越快。在這個(gè)系統(tǒng)中，這個(gè)時(shí)間間隔是用定時(shí)器重復(fù)中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的，即調(diào)節(jié)時(shí)間間隔就是調(diào)節(jié)定時(shí)器的中斷次數(shù), 因而在定時(shí)器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機(jī)的運(yùn)行方向、發(fā)下一個(gè)脈沖, 以及保存當(dāng)前的各種狀態(tài)。程序流程圖如圖 3-7所示。圖3-7定時(shí)中斷程序流程（3）外部中斷設(shè)計(jì)外部中斷所要完成的工作是根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，也就是改變了電機(jī)的 轉(zhuǎn)速。速度增加按鈕S2為INTO中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當(dāng)值等于 7時(shí)，不改變 原數(shù)值返回，小于7時(shí)，數(shù)據(jù)加1后返回；速度減少按鈕 S3,當(dāng)原數(shù)據(jù)不為0,減1 保存數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)為0則保持不變。程序流程圖如圖3-8所示。圖3-8外部中斷程序流程圖4系統(tǒng)測(cè)試4.1調(diào)試所用的基本儀器清單調(diào)試工具：5V直流電源，萬(wàn)用表，調(diào)試輔助軟件：KEIL，P