564501064畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系（分院） 河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 06311091 專業(yè)名稱 數(shù)控專業(yè) 指導(dǎo)教師 2010年 12月 27日基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)范永賀摘要：隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。步進(jìn)電機(jī)是一種用于開(kāi)環(huán)控制的驅(qū)動(dòng)元件。本文闡述了步進(jìn)電機(jī)的基本知識(shí)和特性,提出了基于單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng).本設(shè)計(jì)采用at89c51單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,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.該系統(tǒng)以pc機(jī)作為上位機(jī)，以單片機(jī)作為下位機(jī),pc機(jī)能夠?qū)⒖刂浦噶詈蛥?/p>

2、數(shù)發(fā)送到單片機(jī)，保證單片機(jī)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)上作;同時(shí)，pc通過(guò)單片機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的各種狀態(tài)信號(hào)。同時(shí)系統(tǒng)可以通過(guò)單片機(jī)采集手輪發(fā)出的信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行同步控制。可使步進(jìn)電機(jī)的控制更加方便，靈活，具有高的數(shù)據(jù)傳輸速率、良好的實(shí)時(shí)性、較高的穩(wěn)定性和友好的人機(jī)對(duì)話功能。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī);單片機(jī);pc 機(jī)一、 前言單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器,可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素、壓力等物理量的測(cè)量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、

3、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測(cè)量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。 同時(shí)用單片機(jī)還可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。 現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī),電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車無(wú)線通信、再到日常工作中隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無(wú)線電對(duì)講機(jī)等。此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國(guó)防航空航天等

4、領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著cmos化、低功耗、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。綜合所述，單片機(jī)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方面。另一方面，單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過(guò)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。 隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。步進(jìn)電機(jī)是一種用于開(kāi)環(huán)控制的驅(qū)動(dòng)元件。本文闡述了步進(jìn)電機(jī)的基本知識(shí)和特性，提出了基于單片機(jī)控制

5、和集成電路驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)方法以及軟硬件設(shè)計(jì)方法。電機(jī)在自動(dòng)化控制中使用的場(chǎng)合相當(dāng)頻繁，步進(jìn)電機(jī)作為電機(jī)的一種，可以靠開(kāi)路控制做精確的定位，因此普遍應(yīng)用于電腦的外設(shè)及工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化機(jī)具設(shè)備中，如nc車床、切割機(jī)，此外機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)控制也大量的使用步進(jìn)電機(jī)。近些年來(lái)，由于步進(jìn)電機(jī)的控制精度不斷提高，越來(lái)越多有較高控制精度要求的系統(tǒng)也開(kāi)始采用步進(jìn)電機(jī)。對(duì)于小功率步進(jìn)電機(jī),一般采用單片機(jī)與專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器聯(lián)合工作的方式，單片機(jī)產(chǎn)生脈沖,控制停啟、正反轉(zhuǎn)，變速等,專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器則進(jìn)行脈沖環(huán)形分配及功率驅(qū)動(dòng)，這種控制方式降低成本,縮小體積,簡(jiǎn)單方便,易于實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)突出的優(yōu)點(diǎn)是它可以

6、在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，并且用其組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？桑竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。其角速度與脈沖頻率成正比，而且在時(shí)間上與脈沖同步。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)一定的情況下，只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度因此在眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。研制一種高性價(jià)比步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)具有重要的意義。本次設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)以pc機(jī)作為上位機(jī)，以單片機(jī)作為下位機(jī)，可使上位機(jī)能夠?qū)⒔?jīng)過(guò)處理的控制指令和參數(shù)發(fā)送到下位機(jī)，保證下位機(jī)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)上作。同時(shí)，上位機(jī)檢測(cè)下位機(jī)的各種狀態(tài)

7、信號(hào)，進(jìn)行診斷和處理。同時(shí)可以通過(guò)單片機(jī)采集手輪發(fā)出的信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行同步控制。可使步進(jìn)電機(jī)的控制更加方便，靈活，具有高的數(shù)據(jù)傳輸速率、良好的實(shí)時(shí)性、較高的穩(wěn)定性和友好的人機(jī)對(duì)話功能。二、步進(jìn)電機(jī)概述2.1步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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（稱為“步距角” ），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(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)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差（精度為1

8、00%）的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（vr）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（pm）、混合式步進(jìn)電機(jī)（hb）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛.2.2步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)1.電機(jī)固有步距

9、角： 電機(jī)固有步距角表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86byg250a型電機(jī)給出的值為0.9/1.8（表示半步工作時(shí)為0.9，整步工作時(shí)為1.8），這個(gè)步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 2.步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)： 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同它們的步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72 。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己

10、步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒(méi)有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 3.保持轉(zhuǎn)矩（holding torque）： holding torque是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō)2n.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2n.m的步進(jìn)電機(jī)。 4.detent torque： detent torque是指步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有通電

11、的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。detent torque 在國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒(méi)有detent torque。2.3步進(jìn)電機(jī)的特征1.高精度的定位：步進(jìn)電機(jī)最大特征即是能夠簡(jiǎn)單的做到高精度的定位控制。以5相步進(jìn)電機(jī)為例：其定位基本單位(分辨率)為0.72(全步級(jí))/0.36(半步級(jí))，是非常小的；停止定位精度誤差皆在3分(0.05)以內(nèi)，且無(wú)累計(jì)誤差，故可達(dá)到高精度的定位控制。(步進(jìn)電機(jī)的定位精度是取決于電機(jī)本身的機(jī)械加工精度) 2.位置及速度控制： 步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)時(shí)，可以依輸入的脈沖數(shù)做固定角度的回轉(zhuǎn)進(jìn)而得到靈活的

12、角度控制(位置控制)，并可得到與該脈沖信號(hào)周波數(shù)(頻率)成比例的回轉(zhuǎn)速度。 3.具有定位保持力：步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下(無(wú)脈波信號(hào)輸入時(shí))，仍具有激磁保持力，故即使不依靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。械式的剎車，也能做到停止位置的保持。4.動(dòng)作靈敏： 步進(jìn)電機(jī)因?yàn)榧铀傩阅軆?yōu)越,所以可做到瞬時(shí)起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)之快速、頻繁的定位動(dòng)作。5.開(kāi)回路控制、不必依賴傳感器定位：步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，不需要速度感應(yīng)器(encoder、轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī))及位置傳感器(sensor)，就能以輸入的脈波做速度及位置的控制。也因其屬開(kāi)回路控制，故最適合于短距離、高頻度、高精度之定位控制的場(chǎng)合下使用。 6.中

13、低速時(shí)具備高轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機(jī)在中低速時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)矩，故能夠較同級(jí)伺服電機(jī)提供更大的扭力輸出。7.高信賴性：使用步進(jìn)電機(jī)裝置與使用離合器、減速機(jī)及極限開(kāi)關(guān)等其它裝置相較，步進(jìn)電機(jī)的故障及誤動(dòng)作少，所以在檢查及保養(yǎng)時(shí)也較簡(jiǎn)單容易。 8.小型、高功率：步進(jìn)電機(jī)體積小、扭力大，盡管于狹窄的空間內(nèi)，仍可順利做安裝，并提供高轉(zhuǎn)矩輸出。2.4步進(jìn)電機(jī)參數(shù)指標(biāo)及指標(biāo)術(shù)語(yǔ)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)（1)步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。（2）失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上

14、的步數(shù)。稱之為失步。（3）失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。（4）最大空載起動(dòng)頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。（5）最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。（6）運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ) 相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極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

15、脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)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，有四相四拍運(yùn)行方式即ab-bc-cd-da-ab，四相八拍運(yùn)行方式即 a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a.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)的角位移用表示。=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)j*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(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)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)

16、軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）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(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。三、方案設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的要求、控制方案的選擇，以及工藝參數(shù)的測(cè)量范圍等；選擇各參數(shù)檢測(cè)元件及變送器；建立數(shù)學(xué)模型及確定控制算法；選擇單片機(jī)，并決定是自行設(shè)計(jì)還是購(gòu)買成套設(shè)備；系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括接口電路，邏輯電路及操作面板；系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括管理、監(jiān)控程序以及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含有硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)

17、兩部分；系統(tǒng)的調(diào)試與試驗(yàn)。確定單片機(jī)控制系統(tǒng)總體方案，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要、最關(guān)鍵的一步?？傮w方案的好壞，直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能及實(shí)施細(xì)則?？傮w方案的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)被控對(duì)象的任務(wù)及工藝要求而確定的。設(shè)計(jì)方法大致如下：根據(jù)系統(tǒng)的要求，首先確定出系統(tǒng)是采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)，或者是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。選擇檢測(cè)元件，在確定總體方案時(shí)，必須首先選擇好被測(cè)參數(shù)的測(cè)量元件，它是影響控制系統(tǒng)精度的重要因素之一。選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是微型機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部件之一。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇一方面要與控制算法匹配，另一方面要根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際情況確定。選擇輸入/輸出通道及外圍設(shè)備。選擇時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：被控對(duì)象參

18、數(shù)的數(shù)量；各輸入/輸出通道是串行操作還是并行操作；各通道數(shù)據(jù)的傳遞速率；各通道數(shù)據(jù)的字長(zhǎng)及選擇位數(shù)；對(duì)顯示、打印有何要求；畫(huà)出整個(gè)系統(tǒng)原理圖。3.1步進(jìn)電機(jī)控制原理步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移在步進(jìn)電機(jī)中，控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，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)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。使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如3.1（1）所示： 圖3.1

19、（1）步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下：(1)控制換相順序通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：四相步進(jìn)電機(jī)的四拍工作方式，其各相通電順序?yàn)閍-b-cd,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制a,b,c,d或者d,c,b,a相的通斷。(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向由脈沖的分配順序決定，如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)，要想改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，只需將脈沖的分配次序顛倒即可實(shí)現(xiàn)。(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(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,即通電一周的

20、周期越短,驅(qū)動(dòng)頻率越高,則電機(jī)轉(zhuǎn)速越快,因此步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖的發(fā)送速度的快慢，脈沖速度快了不進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就會(huì)加快，反之則會(huì)變慢，但步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不可能太快,因?yàn)樗孔咭徊叫枰欢ǖ臅r(shí)間,若信號(hào)頻率過(guò)高,可能導(dǎo)致電機(jī)失步,甚至只在原步顫動(dòng). 調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。 3.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)包括信號(hào)發(fā)生、信號(hào)分配、功率放大等幾個(gè)模塊。3.2.1信號(hào)發(fā)生通過(guò)對(duì)單片機(jī)的io口置高低點(diǎn)電平來(lái)產(chǎn)生脈沖信號(hào)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

21、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。 第一種方案是延時(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)用不同的子程序可以實(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。第二種方案是定時(shí)。 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),從而可方便地控制系統(tǒng)輸出cp脈沖的周期。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

22、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。用定時(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

23、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。其流程圖如圖4所示。這個(gè)時(shí)間不應(yīng)采用延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闀?huì)影響到其他功能的實(shí)現(xiàn)。這里以定時(shí)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.2.2功率放大由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力較小，控制系統(tǒng)中應(yīng)使用驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，然后才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式很多，有單電壓驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)和集成電路驅(qū)動(dòng)。由于集成電路集驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體，作為小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)芯片，使用起來(lái)非常方便

24、。功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。因而不同的場(chǎng)合采取不同的的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。功率放大方案選擇：方案一：使用多個(gè)功率放大器件驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進(jìn)電機(jī)，就需要對(duì)四路信號(hào)分別進(jìn)行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時(shí)運(yùn)行起來(lái)會(huì)不穩(wěn)定，

25、而且電路的制作也比較復(fù)雜。方案二：使用uln2004芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)uln2004芯片每片封裝了7個(gè)達(dá)林頓管每個(gè)驅(qū)動(dòng)管的輸出電流可達(dá)500ma（峰值600ma）對(duì)于較大的電流,可以將輸出并之直接使ttl/cmos/pmos/dtl 與兼容可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)（如圖11），也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50v，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的io口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。通過(guò)比較，使用uln2004芯片充分發(fā)揮了它的功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，且價(jià)格不高，故選用uln2004驅(qū)動(dòng)電機(jī)。而使用uln2004時(shí)，可以用uln2004來(lái)提供時(shí)序信號(hào)，可以節(jié)省單片機(jī)

26、io口的使用；也可以直接用單片機(jī)模擬出時(shí)序信號(hào)，由于控制并不復(fù)雜，故選用后者。3.2.3脈沖分配 本設(shè)計(jì)使用的步進(jìn)電機(jī)四相步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為 42d130 步距角為1.8度，繞組線圈的電阻為每相7.5歐姆，可有四相四拍，四相八拍兩種脈沖分配方式。四相四拍的脈沖分配方式為a-b-c-d-a或者d-c-b-a-d,四相八拍的分配方式為a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a或者順序顛倒過(guò)來(lái)。其中四相四拍式分配方式比較方便，且程序較易實(shí)現(xiàn)，接線簡(jiǎn)單，所以選擇此方式進(jìn)行脈沖分配。脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大之后直接分別的接到步進(jìn)電機(jī)的粉、紅、藍(lán)、黃根接線上，而電機(jī)的黑、白兩線都直接與電源相接。四、軟件硬件設(shè)計(jì)

27、4.1硬件設(shè)計(jì)根據(jù)總體方案的設(shè)計(jì)分析，選擇at89c51單片機(jī)，uln2004驅(qū)動(dòng)芯片，和型號(hào)為 42d130 步距角為1.8度，繞組線圈的電阻為每相7.5歐姆的四相步進(jìn)電機(jī)來(lái)組建控制系統(tǒng)。at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機(jī)。at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51

28、指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。at89c單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。uln2004芯片管腳如圖所示 uln2004芯片每片封裝了7個(gè)達(dá)林頓管每個(gè)驅(qū)動(dòng)管的輸出電流可達(dá) 500ma（峰值 600ma）對(duì)于較大的電流，可以將輸出并接使用 輸入 ttl/cmos/pmos/dtl 與兼容可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)（如圖11），也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50v，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的io口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單

29、，把a(bǔ)t89c51的p0-0p0-1p0-2p0-3口分別與uln2004芯片的輸入端in1，in2，in3，in4接口連接，p0口通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)高低電平的依次轉(zhuǎn)換，然后再把口的電平信號(hào)通過(guò)uln2004芯片放大后再把放大后的信號(hào)通過(guò)out1，out2，out3，out4一次接到步進(jìn)電機(jī)的abcd四相uln2004的管腳作用如圖4.1（1）所示 圖4.1（1）步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件原理圖如圖4.1（2）所示。p0p2n機(jī)手輪.步進(jìn)電機(jī) 圖4.1（2）4.2軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)一般分2類，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是：管理整個(gè)控制系統(tǒng)的全過(guò)程，比如，powerup

30、自診斷功能，keyinpit 的管理功能，printer output報(bào)表功能，display功能等等。是控制系統(tǒng)的核心程序，也稱之為moniter監(jiān)控管理程序其作用類似pc機(jī)的dos系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面如下： (1)可靠性設(shè)計(jì)為保證系統(tǒng)軟件的可靠性，通常設(shè)計(jì)一個(gè)自診斷程序，定時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行診斷。在可靠性要求較高的場(chǎng)合，可以設(shè)計(jì)看門狗電路，也可以設(shè)計(jì)軟件陷阱，防止程序跑飛。 (2)軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)的統(tǒng)一性在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常一個(gè)同樣的功能，通過(guò)硬件和軟件都可以實(shí)現(xiàn)，確定那些由硬件完成，那些由軟件完成，這就是軟件、硬件的折衷問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)可能的情況下，盡量采用軟件，因?yàn)檫@樣可以節(jié)

31、省經(jīng)費(fèi)。若系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)，則可采用硬件。 (3)應(yīng)用軟件的特點(diǎn) 實(shí)時(shí)性：由于工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，所以對(duì)應(yīng)用軟件的執(zhí)行速度都有一定的要求，即能夠在被控對(duì)象允許的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制、計(jì)算和處理。換言之，要求整個(gè)應(yīng)用軟件必須在一個(gè)采樣周期內(nèi)處理完畢。所以一般都采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)應(yīng)用軟件。但是，對(duì)于那些計(jì)算工作量比較大的系統(tǒng)，也可以采用高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合使用的辦法，即數(shù)據(jù)采集、判斷、及控制輸出程序用匯編語(yǔ)言，而對(duì)于那些較為復(fù)雜的計(jì)算可采用高級(jí)語(yǔ)言。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)于那些需要隨機(jī)間斷處理的任務(wù)，通常采用中斷系統(tǒng)來(lái)完成。通用性：在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中，為了節(jié)省內(nèi)存和具有較強(qiáng)的適

32、應(yīng)能力，通常要求程序有一定的靈活性和通用性。為此，可以采用模塊結(jié)構(gòu)，盡量將共用的程序編寫(xiě)成子程序，如算術(shù)和邏輯運(yùn)算程序、a/d、d/a轉(zhuǎn)換程序、延時(shí)程序、pid運(yùn)算程序、數(shù)字濾波程序、標(biāo)度變換程序、報(bào)警程序等。本系統(tǒng)編程部分工作采用keli-c51語(yǔ)言完成，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。4.2.1上下位機(jī)功能設(shè)計(jì)上位主機(jī)部分的主要功能包括用戶界面管理、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視其發(fā)送控制指令的程序流程圖如圖3 所示, 它采用查詢方式發(fā)送命令, 用戶輸入指令后, 由計(jì)算機(jī)查詢單片機(jī)是否可以接收指令, 若可以接收, 則發(fā)送用戶的指令, 如果此時(shí)單片機(jī)還沒(méi)空, 就計(jì)時(shí)等待一段時(shí)間,在等待期間, 不斷詢問(wèn)單片機(jī)是否

33、可以接收命令, 如果計(jì)時(shí)滿, 單片機(jī)還不能接收指令, 則報(bào)告出錯(cuò)信息, 并顯示給用戶。每當(dāng)發(fā)送一條指令后, 用戶可以選擇是否繼續(xù)發(fā)送, 即用戶可以預(yù)先編制一系列的控制指令, 連續(xù)發(fā)送, 通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成一系列連貫的動(dòng)作。下位控制單片機(jī)部分 下位控制程序的主要功能包括串口初始化、定時(shí)器1 初始化并設(shè)定相應(yīng)的傳送波特率、中斷接收指令、指令解釋、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等, 采用keil-c 編寫(xiě)。它負(fù)責(zé)從上位計(jì)算機(jī)接收指令, 并解釋指令, 然后將其轉(zhuǎn)換成控制信號(hào), 從并行口輸出到功率放大電路。下位控制程序從上位主機(jī)接收的每一條指令都包含轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖數(shù)、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等參數(shù), 分別存放在變量distance 、

34、rate 、command 中, 每執(zhí)行完一條指令后,用變量k 、n 記錄當(dāng)前位置及轉(zhuǎn)向, 以便下一條指令執(zhí)行時(shí), 能由當(dāng)前位置繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)組plus 當(dāng)前存放四相步進(jìn)電機(jī)在四相四拍工作方式下的正反轉(zhuǎn)控制模型。由此可見(jiàn), 其靈活性及適應(yīng)性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制器。做為下位機(jī)的單片機(jī)通過(guò)串口程序的運(yùn)行接收上位機(jī)pc機(jī)的指令，并對(duì)之進(jìn)行解釋，來(lái)控制脈沖的發(fā)射數(shù)量和分配次序 從而來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小的控制及正反轉(zhuǎn)的切換，pc機(jī)采用編程來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通訊，下位機(jī)采用at89c51的口來(lái)接收數(shù)據(jù)的傳輸；同時(shí)，下位機(jī)又可通過(guò)串口把程序中所記錄的步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)步數(shù)及方向從口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，使上位機(jī)可

35、以監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀況。4.2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)1 步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配步進(jìn)電機(jī)的控制主要由脈沖分配和驅(qū)動(dòng)電路兩部分組成，步進(jìn)電機(jī)脈沖控制的任務(wù)有三點(diǎn)：控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角、控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向?？刂戚斔徒o電機(jī)的脈沖數(shù)就可以控制電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角數(shù)；控制輸送給電機(jī)的脈沖頻率就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，實(shí)際就是控制脈沖輸送給電機(jī)繞組的順序分配，這種分配稱為環(huán)行分配。在數(shù)控系統(tǒng)中，脈沖分配器是將插補(bǔ)輸出脈沖，按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的各相輸入端，用以控制繞組中電流的開(kāi)通和關(guān)斷。同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)有正反轉(zhuǎn)要求，所以脈沖分配器的輸出既是周期性的，又是可逆的，因此，也可稱之為

36、環(huán)形分配器。2 步進(jìn)脈沖產(chǎn)生電路定時(shí)中斷處理程序：采用定時(shí)方式1，因?yàn)閱纹瑱C(jī)使用12m晶振，可產(chǎn)生最高約為65.5ms的延時(shí)。對(duì)定時(shí)器置初值3cb0h可定時(shí)50ms，即系統(tǒng)時(shí)鐘精度可達(dá)0.05s。當(dāng)50ms定時(shí)時(shí)間到，定時(shí)器溢出則響應(yīng)該定時(shí)中斷處理程序，完成對(duì)定時(shí)器的再次賦值，并對(duì)全局變量time加1，這樣，通過(guò)變量time可計(jì)算出系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。4.3程序設(shè)計(jì) 采用定時(shí)器1方式定時(shí)，每隔1ms中斷一次 方向變量direction 速度變量 speed 定時(shí)器中斷子函數(shù)void timeint(void) interrupt 1 static int i=0;static int n=0;th0=0xfc; tl0=0x18; /設(shè)定時(shí)每隔1ms中斷一次n+;if(n=speed)n=0;i+;if(i=200)direction=-direction;i=0;gorun();脈沖分配子函數(shù)void gorun()static int i=0;if(direction = 1)i+;if(i=4) i=0; else if(direction = -1)i-;if(i=-1)i=3;p1_0 = pulsei0;p1_1 = pulsei1;p1_2 = pulsei2;p1_3 =