基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目： 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng) 系（院）： 專業(yè)： 姓 名： 學(xué)號： 校內(nèi)指導(dǎo)教師： 職稱： 講 師 摘 要步進(jìn)電動機(jī)由于用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價(jià)，又非?？尚?，因此在打印機(jī)等辦公自動化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。本文介紹的是一種基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用匯編語言編寫出電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止程序，通過單片機(jī)、電機(jī)的驅(qū)動芯片ULN2004以及相應(yīng)的按鍵實(shí)現(xiàn)以上功能，并且步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)要用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示出來。本文內(nèi)容介紹了步進(jìn)電機(jī)以及單片機(jī)原理、該系統(tǒng)的硬件電路、程序組成，同時(shí)對軟、硬件進(jìn)行了調(diào)試，同時(shí)介紹了調(diào)試過

2、程中出現(xiàn)的問題以及解決問題的方法。該設(shè)計(jì)具有思路明確、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過調(diào)試實(shí)現(xiàn)了上述功能。關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機(jī) 脈寬調(diào)制 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 單片機(jī) 目 錄引 言- 1 -第1章 步進(jìn)電機(jī)的現(xiàn)狀及趨勢- 2 -1.1 課題研究的目的和意義- 2 -1.2 國內(nèi)外研究情況- 2 -1.3論文的主要研究內(nèi)容- 3 -第2章 步進(jìn)電機(jī)的原理及總體設(shè)計(jì)- 4 -2.1步進(jìn)電機(jī)原理及控制技術(shù)- 4 -2.1.1換相順序的控制- 4 -2.1.2步進(jìn)電機(jī)的換向控制- 4 -2.1.3步進(jìn)電機(jī)的速度控制- 4 -2.1.4步進(jìn)電機(jī)的起?？刂? 4 -2.1.5步進(jìn)電機(jī)的加減速控制- 5 -2.1.6步進(jìn)電機(jī)

3、的換向控制- 6 -2.2總體設(shè)計(jì)方框圖- 6 -2.3設(shè)計(jì)原理分析- 6 -2.3.1元器件介紹- 7 -2.3.2方案論證- 8 -第3章 硬件設(shè)計(jì)- 9 -3.1控制電路- 9 -3.2最小系統(tǒng)- 10 -3.3驅(qū)動電路- 10 -3.4顯示電路- 11 -3.5總體電路圖- 12 -第4章 軟件設(shè)計(jì)- 12 -4.1主程序設(shè)計(jì)- 12 -4.2定時(shí)中斷設(shè)計(jì)- 13 -4.3外部中斷設(shè)計(jì)- 14 -4.4源程序（匯編語言程序）- 16 -第5章 調(diào)試與檢測- 19 -5.1 程序編譯時(shí)的錯(cuò)誤及處理辦法- 19 -5.2 LM7812出現(xiàn)的錯(cuò)誤及解決辦法- 20 -5.3步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動錯(cuò)誤

4、及解決辦法- 20 -第6章 結(jié)論- 20 -致 謝- 21 -參考文獻(xiàn)- 22 - - 23 -引 言步進(jìn)電機(jī)是一種進(jìn)行精確步進(jìn)運(yùn)動的機(jī)電執(zhí)行元件，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械的數(shù)字控制，為使系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護(hù)性以及性價(jià)比最優(yōu)，根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求及步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用環(huán)境，確定了設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實(shí)現(xiàn)了基于8051單片機(jī)的四相步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過單片機(jī)存儲器、I/O接口、中斷、鍵盤、LED顯示器的擴(kuò)展、步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分頻器、驅(qū)動及保護(hù)電路、人機(jī)接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、單電壓驅(qū)動電路等的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了四相步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，急停等功能。為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

5、在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)外部中斷，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)在某段時(shí)間內(nèi)的反復(fù)正反轉(zhuǎn)功能，也即數(shù)控機(jī)床的刀架自動進(jìn)給運(yùn)動，隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，自六十年代初期以來，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用得到很大的提高。人們用它來驅(qū)動時(shí)鐘和其他采用指針的儀器，打印機(jī)、繪圖儀，磁盤光盤驅(qū)動器、各種自動控制閥、各種工具，還有機(jī)器人等機(jī)械裝置。此外作為執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，被廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中，隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它的需要量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，由于其精度高、體積小、控制方便靈活

6、，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應(yīng)用，大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及單片機(jī)技術(shù)的迅速普及，為設(shè)計(jì)功能強(qiáng)，價(jià)格低的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器提供了先進(jìn)的技術(shù)和充足的資源。第1章 步進(jìn)電機(jī)的現(xiàn)狀及趨勢1.1 課題研究的目的和意義步進(jìn)電動機(jī)是用電脈沖信號進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動機(jī)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價(jià)，又非常可行，因此在打印機(jī)等辦公自動化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動機(jī)的需求量與日俱增，研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及其

7、控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。1.2 國內(nèi)外研究情況步進(jìn)電機(jī)是國外發(fā)明的。中國在60年代已經(jīng)生產(chǎn)和應(yīng)用，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川都生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，驅(qū)動電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國產(chǎn)化的，當(dāng)時(shí)是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運(yùn)算電路，還有電容耦合輸入的計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。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(jìn)電動機(jī)，因?yàn)閺尿?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(jī)，加電動機(jī)編碼器整體技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高。一些少數(shù)高級的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機(jī)，交流電機(jī)。國外在小功率的場合，還使用步進(jìn)電機(jī)，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)

8、生產(chǎn)裝備，打印機(jī)，復(fù)印件，速印機(jī)，銀行自動柜員機(jī)。國外用許多現(xiàn)代的手段將步進(jìn)電機(jī)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(jī)還使用光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制。國內(nèi)過去是用大力矩步進(jìn)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控，有實(shí)力的公司現(xiàn)在也采用交流電動機(jī)驅(qū)動數(shù)控機(jī)床，在驅(qū)動設(shè)備的主要差距，是國外對交流電動機(jī)的控制理論與工程分析和應(yīng)用能力強(qiáng)，先進(jìn)的控制理論作為軟件，寫在控制器內(nèi)部?？偟膩碚f，步進(jìn)電機(jī)是一種簡易的開環(huán)控制，對運(yùn)用者的要求低，不適合在大功率的場合使用。在衛(wèi)星、雷達(dá)等應(yīng)用場合，中國在70年代，就生產(chǎn)了力矩電機(jī)，就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機(jī)，在高品質(zhì)的控制場合，有時(shí)還不能使用步進(jìn)電

9、機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，在改革開放初期，國內(nèi)就已經(jīng)基本掌握，這與交流電動機(jī)的矢量控制相比，難度要低得多。1.3論文的主要研究內(nèi)容本論文所選的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī)，采用的方法是利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。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)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(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。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度的，并且通過數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)

10、速的級別。另外通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。第二章 步進(jìn)電機(jī)的原理及總體設(shè)計(jì)2.1步進(jìn)電機(jī)原理及控制技術(shù) 由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(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)動器，典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖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，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)過功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的各項(xiàng)輸入端，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動

11、，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。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動步進(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：2.1.1換相順序的控制通電換相這一過程稱為脈沖分配。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)锳BCA，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BBCCAAB，三相六拍的通電順序?yàn)锳A

12、BBBCCCAA。2.1.2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AABBBCCCAA。如果按反序通電換相，即AACCCBBBAA，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。2.1.3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，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。2.1.4步進(jìn)電機(jī)的起停控制步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會有步進(jìn)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動平滑，減小振動，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，跳過電

13、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)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。2.1.5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，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果信號變化太快，步進(jìn)電機(jī)由于慣性跟不上電信號的變化，這時(shí)就會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。所有步進(jìn)電機(jī)在啟動時(shí)，必須有加速過程，在停止時(shí)波形有減速過程。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī)整個(gè)降速過程頻率變化規(guī)律是整個(gè)加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。選定的曲線比較符合步進(jìn)電機(jī)升降過程的運(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，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。在

14、一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負(fù)載的情況來選擇步進(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“啟動頻率”，于此類似“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然關(guān)斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。電機(jī)的啟動頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對電機(jī)進(jìn)行加減速控制。加速過程有突然施加的脈沖啟動頻率f0。步進(jìn)電機(jī)的最高啟動頻率（突跳頻率）一般為0.1KHz到34KHz，而最高運(yùn)行頻率則可以達(dá)到N*102KHz，以超過最高啟動頻率的頻率直接啟動，會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。f/Hzfa fb0t/s圖2-1 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中頻率變化曲線在一般的應(yīng)用中，經(jīng)過大量實(shí)踐和

15、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，減速則相反。如果使用定時(shí)器來控制電機(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。在此過程中要處理好兩個(gè)問題：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，并通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時(shí)初始表。通過在不同的階段調(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)

16、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，以防超過或未達(dá)到所需速度。2.1.6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)包含了降速換向加速3個(gè)過程。步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn)： 步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計(jì)誤差，具有良

17、好的跟隨性。 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價(jià)，也非?？煽?。同時(shí)，它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。 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很大的轉(zhuǎn)矩，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。 步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接用交流電源或直流電源。 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動比較大，帶慣性負(fù)載的能力強(qiáng)。2.2總體設(shè)計(jì)方框圖總體設(shè)計(jì)方框圖如圖2-2所示。89C51單片機(jī)復(fù)位電路鍵盤控制電路ULN2803啟動電路步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)顯示電路電源及時(shí)鐘電路圖2-2 總體設(shè)計(jì)方框圖2.3設(shè)計(jì)原理分析2

18、.3.1元器件介紹（1）步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個(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：它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。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)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉(zhuǎn)和制動的執(zhí)行元件，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)是由電脈沖信號控制的，其角位

19、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。 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。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)，對應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí)，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，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)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對齊，由此可見，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)

20、及術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同隊(duì)N、S磁場的激磁線圈對數(shù)，常用m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場周期性變化所需脈沖用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(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ABBCCDDAAB,四相八拍運(yùn)行方式即AABBBCCCDDDAA。步距角：對應(yīng)一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=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=360度/（50*4）=1.8度，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=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

21、態(tài)作業(yè)下，電機(jī)不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(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)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。雖然靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)。但過分采用減小氣隙，增加勵(lì)磁匝數(shù)來提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會造成電機(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。各種工作方式在電源通電時(shí)的時(shí)序 與波形分別如圖2-3 a、b、c所示。本設(shè)計(jì)的電機(jī)工作

22、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，脈沖的頻率越高，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進(jìn)電機(jī)跟不上頻率的變化后電機(jī)會出現(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)。圖2步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖（2）89C51單片機(jī) Atmel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和高密度非易失性存儲技術(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編程，內(nèi)部除CPU外，還包括

23、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，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。2.3.2方案論證從該系統(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信號線共需要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，可以個(gè)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)動能力不夠，因而用一片2803增加驅(qū)動能力。用P0口控制

24、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。數(shù)碼管采用共陽的。第三章 硬件設(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)動電路、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_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)動電路主要是對單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。3.1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4所示。通過K1、K2狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動和換向功能。當(dāng)K1、K2的狀態(tài)變

25、化時(shí)，內(nèi)部程序檢測P1.0和P1.1的狀態(tài)來調(diào)用相應(yīng)的啟動和換向程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機(jī)的啟動和正反轉(zhuǎn)控制。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機(jī)的脈沖頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對于單片機(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)速控制主要是通過定時(shí)器的中斷來實(shí)現(xiàn)的，該電路控制電機(jī)加速度主要是通過S2、S3的斷開和閉合，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。圖3-1 控制電路原理圖3.2最小系統(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

26、組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對51系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機(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)鍵對步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對控制功能的擴(kuò)展，使用了6路獨(dú)立式鍵盤。復(fù)位電路采用手動復(fù)位，所謂手動復(fù)位，是指通過接通一按鈕開關(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XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由

27、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)鐘信號比較穩(wěn)定，實(shí)用電路實(shí)用較多。圖3-2 復(fù)位及時(shí)鐘振蕩電路3.3驅(qū)動電路通過ULN2803構(gòu)成比較多的驅(qū)動電路，電路圖如圖3-3所示。通過單片機(jī)的P1.0P1.3輸出脈沖到ULN2803的1B4B口，經(jīng)信號放大后從1C4C口分別輸出到電機(jī)的A、B、C、D相。圖3-3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路3.4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

28、分為七級，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，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、b、c、d、e、f、g、h分別接P2.0P2.7口，用于顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速級別，共七級，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。圖3-4 顯示電路3.5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。圖3-5 總體電路圖第

29、四章 軟件設(shè)計(jì)通過分析可以看出，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、加速信號和方向信號，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)置及啟動開關(guān)的檢測，若啟動開關(guān)合上則系統(tǒng)開始工作，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。4.1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)的顯示以及各種開關(guān)狀態(tài)的檢測判斷等。

30、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P1口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)的啟動速度，對方向值存儲區(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4-1所示。開 始初 始 化速度值為0？啟動開關(guān)為0？停止計(jì)時(shí)器顯 示啟動計(jì)時(shí)器延 時(shí)停止計(jì)時(shí)器圖4-1 主程序流程圖YNYN4.2定時(shí)中斷設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動主要是給電機(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)

31、才會旋轉(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4-2所示。中斷返回T0中斷入口發(fā)速度脈沖讀方向指示重送相關(guān)狀態(tài)恢復(fù)現(xiàn)場保護(hù)現(xiàn)場中斷次數(shù)-1=0？NY圖4-2 定時(shí)中斷程序流程圖4.3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INT0中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)

32、，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4-3所示。外部中斷入口保護(hù)現(xiàn)場延時(shí)去抖中斷返回速度值±1恢復(fù)現(xiàn)場速度=上或限值？按鈕是否彈起？NNNYY圖4-3 外部中斷程序流程圖4.4源程序（匯編語言程序）匯編程序如下：SPEED EQU 10H ;SPEED為轉(zhuǎn)速等級標(biāo)志，共7級，即17FX EQU 11H ;FX為方向標(biāo)志COUNT EQU 12H ;COUNT中斷次數(shù)標(biāo)志ORG 0000HAJMP MAINORG 0003H ;外部中斷0入口地址，加速子程序AJMP UPORG

33、0013H ;外部中斷1入口地址，減速子程序AJMP DOWNORG 000BH ;定時(shí)器0中斷入口地址，控制中斷次數(shù)來達(dá)到控制轉(zhuǎn)速AJMP ZDT0ORG 0030HMAIN:MOV SP,#60HMOV TMOD,#01H ;工作于定時(shí)、軟件置位啟動！模式1（16位計(jì)時(shí)器）MOV TH0,#0CFH MOV TL0,#2CHMOV COUNT,#01HSETB ET0 ;定時(shí)/計(jì)數(shù)器允許中斷CLR IT0 ;外部中斷為電平觸發(fā)方式，低電平有效CLR IT1SETB EX0 ;外部允許中斷SETB EX1SETB EA ;開總中斷MOV R1,#11H ; 四相單四拍運(yùn)行，共陽數(shù)碼管方向顯示

34、8，速度值顯示0MOV SPEED,#00HMOV FX,#00HXIANS:MOV A,SPEEDMOV DPTR,#LEDMOVC A,A+DPTR ;查表獲取等級對應(yīng)數(shù)碼管代碼MOV P2,A ;第二個(gè)數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速等級MOV A,FX ;準(zhǔn)備判斷轉(zhuǎn)向CJNE A,#11H,ELS MOV P0, #0F9H ;第一個(gè)數(shù)碼管顯示1，表示正轉(zhuǎn)AJMP QDELS:CJNE A,#00H,ZHENGMOV P0,#0C0H ;第一個(gè)數(shù)碼管顯示0，表示不轉(zhuǎn)AJMP QDZHENG:MOV P0,#0BFH ;第一個(gè)數(shù)碼管顯示-，表示反轉(zhuǎn)QD:JB P3.4,DD ;P3.4接啟動開關(guān)K1，P3

35、.4=1時(shí)啟動CLR TR0 ;停止定時(shí)/計(jì)數(shù)器MOV P0,#0C0H ;第一個(gè)數(shù)碼管顯示0，表示不轉(zhuǎn)MOV P2,#0C0H ;第二個(gè)數(shù)碼管顯示0，表示轉(zhuǎn)速為0MOV SPEED,#00H ;重新賦初值MOV FX,#00HAJMP QDDD:MOV A,SPEEDJNZ GO ;A不等于0，即初始速度不為零，則轉(zhuǎn)移到GOCLR TR0 ;停止定時(shí)/計(jì)數(shù)器AJMP QDGO:SETB TR0 ;開啟定時(shí)/計(jì)數(shù)器ACALL DELAYAJMP XIANSDELAY:MOV R6,#10 ;延時(shí)子程序DEL1:MOV R7,#250HERE1:DJNZ R7, HERE1 DJNZ R6,DE

36、L1RET;以下ZDT0為定時(shí)器中斷程序ZDT0:PUSH ACCPUSH DPHPUSH DPLMOV TH0,#0D8HMOV TL0,#0F0HDJNZ COUNT,EXITJB P3.5,NIZHUAN ;查詢方向標(biāo)志,P3.5接換向開關(guān)K2MOV FX,#11HNIZHUAN:MOV A,FXCJNE A,#11H,FZ ;若A不等于11，即正轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)移到FZMOV A,R1 ;R1記錄上一次電機(jī)脈沖狀態(tài)MOV P1,ARR A ;循環(huán)右一位MOV R1,AMOV P1,AAJMP RE FZ:MOV A,R1MOV P1,ARL A ;循環(huán)左移一位MOV P1,AMOV R1,AR

37、E:MOV A,SPEEDMOV DPTR,#TABMOVC A,A+DPTRMOV COUNT,A ;把轉(zhuǎn)速級別賦給COUNTJB P3.5 ,FFX ; P3.5接換向開關(guān)K2, 即換向位，若P3.5=1，則跳到FFXMOV FX,#11HAJMP EXITFFX:MOV FX,#0FEH ;只要FX不等于11H,就可以通過循環(huán)左移或右移進(jìn)行換向EXIT:POP DPLPOP DPHPOP ACCRETI;以下UP為加速中斷程序UP:PUSH ACCACALL DELAY ;延時(shí)防抖動JB P3.2,UPEX ;P3.2為外部中斷0位，接增速開關(guān)S2，低電平有效，若P3.2=1，則退出MO

38、V A,SPEEDCJNE A,#7,SZ ;最大等級為7，若A不等于7，則轉(zhuǎn)移到SZAJMP UPEX ;若A=7,則退出SZ:INC SPEED ;SPEED= SPEED+1UPEX:POP ACCHERE2:JNB P3.2,HERE2 ;本條指令為防止開關(guān)S2按下去后彈不起，導(dǎo)致一直產(chǎn)生中斷 RETI;以下DOWN為減速中斷程序DOWN:PUSH ACCACALL DELAYJB P3.3,DEX ; P3.3為外部中斷1位，接減速開關(guān)S3，低電平有效，若P3.3=1，則退出MOV A,SPEEDCJNE A,#0,SJAJMP DEXSJ:DEC SPEED ;SPEED= SPE

39、ED-1DEX:POP ACCHERE3:JNB P3.3,HERE3 RETITAB:DB 0,60,40,35,30,28,25,21 ;經(jīng)仿真，小于21時(shí)，由于脈沖太快，會出現(xiàn)失步; 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9LED:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,98HEND第五章 調(diào)試與檢測5.1 程序編譯時(shí)的錯(cuò)誤及處理辦法把編好的程序（包括正反轉(zhuǎn)程序、停止程序、顯示程序等）合理安排好結(jié)合到一起進(jìn)行編譯。由于編譯只能檢查是否存在語法錯(cuò)誤，所以還要看是否存在邏輯錯(cuò)誤。程序修改好以后，當(dāng)顯示編譯0錯(cuò)誤，0警告的時(shí)候，這說明已經(jīng)沒有語法錯(cuò)誤了，是否有邏輯錯(cuò)誤還要看接上電路板通過仿真以后，步進(jìn)電機(jī)能否正常轉(zhuǎn)動，顯示是否正常。5.2 LM7812出現(xiàn)的錯(cuò)誤及解決辦法電路的工作離不開電源，所以電源是必不可少的。電源采用的是利用變壓器將220V的電壓轉(zhuǎn)換為12V的電壓，再利用橋堆整流使交流電變成直流電，最后分別利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V