基于單片機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 緒 論1.1 引言 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī),國(guó)外一般稱為Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo,其應(yīng)用開(kāi)展已有約80年的歷史。步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)變成直線位移或角位移的控制電機(jī),其位移速度與脈沖頻率成正比,位移量與脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成,可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí),定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng),該矢量場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度,使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。因此,控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律

2、控制定子繞組的電流來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。每來(lái)一個(gè)脈沖電壓,轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角,稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式,步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換,在供應(yīng)連續(xù)脈沖時(shí),就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同,在不丟步的情況下運(yùn)行,其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差,精度高,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以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)控制等,這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)1。 正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨

3、著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開(kāi)展,步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增,在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用2。比方在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。目前世界各國(guó)都在大力開(kāi)展數(shù)控技術(shù),我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的開(kāi)展,我國(guó)已經(jīng)能夠自行研制開(kāi)發(fā)適合我國(guó)數(shù)控機(jī)床開(kāi)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。近年來(lái)由于微型計(jì)算機(jī)方面的快速開(kāi)展,使步進(jìn)電機(jī)的控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點(diǎn)明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)的許多外圍設(shè)備中,例如打印機(jī),紙帶輸送機(jī)構(gòu),卡片閱讀機(jī),主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和存儲(chǔ)器存取機(jī)構(gòu)等,步進(jìn)電機(jī)也在軍用儀器,通信和雷達(dá)設(shè)備,攝影系統(tǒng),光電組合裝置,閥門(mén)控制,數(shù)控機(jī)床,電子鐘,醫(yī)療設(shè)備及自動(dòng)繪圖儀,數(shù)字控制系統(tǒng),工具機(jī)控制,程序控

4、制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用3。因而,對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得尤為重要了。 為了得到良好的控制性能,對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制的研究就一直沒(méi)有停止過(guò),許多重大的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。上世紀(jì)80年代以后,由于微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。原來(lái)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路,或者集成電路,不僅調(diào)試安裝復(fù)雜,要消耗大量元器件,而且一旦定型之后,要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路,不利于系統(tǒng)的改良升級(jí)。基于微型單片機(jī)的控制系統(tǒng)那么通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī),能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。因此,用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì),也符合數(shù)字化的時(shí)代

5、開(kāi)展要求。還比方為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運(yùn)行平穩(wěn)性的要求,出現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù),就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細(xì)分驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)斬波恒流驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)的直流電壓驅(qū)動(dòng)三種常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)方式,除上述三種步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案之外,目前報(bào)道的驅(qū)動(dòng)方案還有根據(jù)匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā),通過(guò)串行或并行通行的方式實(shí)現(xiàn)pc機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通信,最終實(shí)現(xiàn)由PC機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法4,5。 但是在有些應(yīng)用場(chǎng)合,并不需要高精度的控制,而是需要在滿足一般工作要求的情況下,盡量使控制系統(tǒng)做到:系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,本錢(qián)低;功能較為齊全;適應(yīng)性強(qiáng);電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)指示一目了然,操作方便;系統(tǒng)抗干擾

6、能力強(qiáng),可靠性高等要求。本論文就是采用這個(gè)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般步進(jìn)電機(jī)控制器都用硬件實(shí)現(xiàn),雖然電路可以做到了高集成度,可價(jià)格較貴,功能相對(duì)較單一,并且設(shè)計(jì)要求有所改變,就得改變整個(gè)硬件電路,比擬麻煩。而采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié)合進(jìn)行控制,運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能,充分利用單片機(jī)的各種資源,能靈活的對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制,如果需改變控制要求,一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境,并且在本設(shè)計(jì)中利用動(dòng)態(tài)掃描技術(shù),把顯示電路和鍵盤(pán)電路有機(jī)的結(jié)合起來(lái),能做到一定的人機(jī)交換,而且為了抗干擾,提高可靠性,具有一定的應(yīng)用價(jià)值6,7。1.2 步進(jìn)電機(jī)常見(jiàn)的控制方案與驅(qū)動(dòng)技術(shù)

7、簡(jiǎn)介1.2.1 常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制方案 1、基于電子電路的控制 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)電路。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)由三局部組成: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1.1所示。 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,本錢(qián)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

8、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)反響和適當(dāng)?shù)奶幚?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4。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。 2、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

9、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,到達(dá)比擬大的驅(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

10、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,降低硬件本錢(qián)。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)的頻率只能到達(dá)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。 3、基于單片機(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,到達(dá)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最正確控制。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

11、,鍵盤(pán)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)用中斷效勞程序,完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最正確控制,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),采用軟件編程的方法實(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,防止了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響;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;3單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤(pán)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8。 基于以上優(yōu)點(diǎn),本

12、次設(shè)計(jì)采用基于單片機(jī)的控制方案。1.2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上個(gè)世紀(jì)就出現(xiàn)了,它的組成、工作原理和今天的反響式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有什么本質(zhì)區(qū)別,也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀(jì)80年代以后,由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)指的是用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電和斷電,同時(shí)也是對(duì)繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制的技術(shù)。到目前為止,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常分為單電壓驅(qū)動(dòng)、單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、上下壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、升頻升壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等9。 單電壓驅(qū)動(dòng)是通過(guò)改變電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。該驅(qū)

13、動(dòng)方式早在六十年代初期國(guó)外就已大量使用,它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢(qián)低;缺點(diǎn)是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗,尤其是在高頻工作時(shí)更加嚴(yán)重,因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)是在單電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的根底上為電樞繞組回路串入電阻,用以改善電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。它提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)、減少了電動(dòng)機(jī)的共振,也帶來(lái)了損耗大、效率低的缺點(diǎn)。這種驅(qū)動(dòng)方式目前主要用于小功率或啟動(dòng)、運(yùn)行頻率要求不高的場(chǎng)合10。 上下壓驅(qū)動(dòng)是指不管電動(dòng)機(jī)的工作頻率是多少,在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的上升沿斜率,而在前沿過(guò)后采用低電壓來(lái)維持繞組的電流,即采用加大繞組電

14、流的注入量以提高出力,而不是通過(guò)改善電路的時(shí)間常數(shù)來(lái)使矩頻性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動(dòng)方式的電機(jī),其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開(kāi)始的銜接處呈凹形,致使電機(jī)的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動(dòng)方式目前在實(shí)際應(yīng)用中還比擬常見(jiàn)。 為了彌補(bǔ)上下壓電路中電流波形的下凹,提高輸出轉(zhuǎn)矩,七十年代中期研制出斬波電路,該電路由于采用斬波技術(shù),使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動(dòng),流過(guò)繞組的有效電流相應(yīng)增加,故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大,而且不需外接電阻,整個(gè)系統(tǒng)的功耗下降,效率較高,因而恒流斬波電路得到了廣泛應(yīng)用,本文正是應(yīng)用恒流斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)控制。 為改善恒流驅(qū)動(dòng)方式的低頻特性,設(shè)計(jì)一個(gè)低速時(shí)低電壓驅(qū)動(dòng),高速

15、時(shí)高電壓驅(qū)動(dòng)的電路,使其成為一個(gè)由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電源。在低速運(yùn)行時(shí),電子控制器調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通角,使線路輸出的平均電壓較低,電動(dòng)機(jī)不會(huì)像在恒流斬波驅(qū)動(dòng)下那樣在低速容易出現(xiàn)過(guò)沖或共振現(xiàn)象,從而防止產(chǎn)生明顯的振蕩。當(dāng)運(yùn)行速度逐漸變快時(shí),平均電壓漸漸提高以提供應(yīng)繞組足夠的電流。調(diào)頻調(diào)壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路,但實(shí)際運(yùn)行中需要針對(duì)不同參數(shù)的電機(jī),相應(yīng)調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指在每次脈沖切換時(shí),不是將繞組的全部電流通入或切除,而是只改變相應(yīng)繞組中電流的一局部,電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一局部。細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí),繞組電流不是一個(gè)方波而是階梯波,額定

16、電流是臺(tái)階式的投入或切除。比方:電流分成n個(gè)臺(tái)階,轉(zhuǎn)子那么需要n次才轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角,即n細(xì)分細(xì)分驅(qū)動(dòng)最主要的優(yōu)點(diǎn)是步距角變小,分辨率提高,且提高了電機(jī)的定位精度、啟動(dòng)性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩:其次,減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng),降低了步迸電機(jī)在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f(shuō)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的一個(gè)飛躍。 2 步進(jìn)電機(jī)概述2.1 步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多,從廣義上講,步進(jìn)電機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為反響式VR、永磁式PM和混合式HB三大類;按相數(shù)分那么可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反響式和混合式步進(jìn)電機(jī)11。

17、 1反響式步進(jìn)電機(jī)Variable Reluctance,簡(jiǎn)稱VR反響式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的,轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,本錢(qián)低,步距角可以做得很小,但動(dòng)態(tài)性能較差。反響式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型; 2永磁式步進(jìn)電機(jī)Permanent Magnet,簡(jiǎn)稱PM永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的,轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同,所以一般步距角比擬大。它輸出轉(zhuǎn)矩大,動(dòng)態(tài)性能好,消耗功率小相比反響式,但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低,還需要正負(fù)脈沖供電; 3混合式步進(jìn)電機(jī)Hybrid,簡(jiǎn)稱HB混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反響式和永 磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。混合式與傳統(tǒng)的反響式相比,結(jié)構(gòu)上

18、轉(zhuǎn)子加有永磁體,以提供軟磁材料的工作點(diǎn),而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能,因此該電機(jī)效率高,電流小,發(fā)熱低。2.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 2.2.1 結(jié)構(gòu)及根本原理 步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成,可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí),定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng),該矢量場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度,使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。因此,控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。每來(lái)一個(gè)脈沖電壓,轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角,稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式,步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換,在供應(yīng)

19、連續(xù)脈沖時(shí),就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)脈沖所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)是精確的,并可重復(fù),這就是步進(jìn)電機(jī)為什么在定位應(yīng)用中如此有效的原因。 通過(guò)電磁感應(yīng)定律我們很容易知道鼓勵(lì)一個(gè)線圈繞組將產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng),分為北極和南極,見(jiàn)圖2.1所示。定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到與定子磁場(chǎng)對(duì)直。通過(guò)改變定子線圈的通電順序可使電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 2.2.2 兩相電機(jī)的步進(jìn)順序1、兩相電機(jī)的單相通電步進(jìn)順序 在圖2.2中我們很清晰的展示了在單相通電時(shí)一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)的典型的步進(jìn)順序。在第1步中,兩相定子的A相通電,因異性相吸,其磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子固定

20、在圖示位置。當(dāng)A相關(guān)閉、B相通電時(shí),轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。在第3步中,B相關(guān)閉、A相通電,但極性與第1步相反,這促使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)90°。在第4步中,A相關(guān)閉、B相通電,極性與第2步相反。重復(fù)該順序促使轉(zhuǎn)子按90°的步距角順時(shí)針旋轉(zhuǎn)8 9。 圖2.2 兩相電機(jī)的單相通電步進(jìn)順序 2、兩相電機(jī)的雙相通電步進(jìn)順序“單相鼓勵(lì)步進(jìn)。更常用的步進(jìn)方法是“雙相鼓勵(lì),其中電機(jī)的兩相一直通電。但是,一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性,見(jiàn)圖2.3所示。在第1步中,兩相定子的A相和B相同時(shí)通電,因異性相吸,再加上力的相互作用關(guān)系,其磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子固定在圖示step1位置。在第2步中,兩相定子的A相關(guān)閉

21、,而B(niǎo)和a相(此時(shí)的a相通電極性與第1步A相反)同時(shí)通電,因異性相吸,再加上力的相互作用關(guān)系,其磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子固定在圖示step2位置。在第3步中,兩相定子的a相和b相同時(shí)通電,因異性相吸,再加上力的相互作用關(guān)系,其磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子固定在圖示step3位置。在第4步中,兩相定子的b相和A相同時(shí)通電,因異性相吸,再加上力的相互作用關(guān)系,其磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子固定在圖示step4位置。按照這樣的通電方式電機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)了一周8 9。 兩相步進(jìn)時(shí),轉(zhuǎn)子與定子兩相之間的軸線處對(duì)直。由于兩相一直通電,本方法比“單相通電步進(jìn)多提供了41.1%的力矩,但輸入功率卻為2倍。 圖2.3 兩相電機(jī)的雙相通電步進(jìn)順序 3、步進(jìn)電機(jī)的半步工作

22、方式 電機(jī)也可在轉(zhuǎn)換相位之間插入一個(gè)關(guān)閉狀態(tài)而走“半步。這將步進(jìn)電機(jī)的整個(gè)步距角一分為二。例如,一個(gè)90°的步進(jìn)電機(jī)將每半步移動(dòng)45°,見(jiàn)圖2.4。但是,與“兩相通電相比,半步進(jìn)通常導(dǎo)致15%30%的力矩?fù)p失(取決于步進(jìn)速率)。在每交換半步的過(guò)程中,由于其中一個(gè)繞組沒(méi)有通電,所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力要小,造成了力矩的凈損失。 從原理圖我們很容易看到半步工作方式其實(shí)就是將兩相電機(jī)的單相通電工作方式和兩相電機(jī)的雙相通電工作方式相互結(jié)合起來(lái)。 兩相步進(jìn)電機(jī)的工作模式有兩相四拍和兩相八拍等兩種,其中我們?cè)趫D2.2和圖2.3中展示的都叫做兩相四拍工作模式,而下面的2.4圖展示的就是兩

23、相八拍工作模式8 9。 圖2.4 兩相電機(jī)的半步步進(jìn)順序 2.2.3 步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn) 本設(shè)計(jì)選用了型號(hào)為42BYG型的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī),它與傳統(tǒng)的反響式步進(jìn)電機(jī)相比結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體,以提供軟磁材料的工作點(diǎn),而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能,因此該電機(jī)效率高,電流小,發(fā)熱低。因永磁體的存在,該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì),其自身阻尼作用比擬好,使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比擬平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。就目前步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用情況來(lái)說(shuō),步進(jìn)電機(jī)的自身特點(diǎn)具體歸納起來(lái)有10: 1 電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào),沒(méi)有脈沖的時(shí)候步進(jìn)電機(jī)靜止,如果參加適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào),步進(jìn)電機(jī)就

24、會(huì)以一定的角度(稱為步角)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。 2 步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。 3 改變驅(qū)動(dòng)器輸入脈沖的順序,可以方便的改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 4 位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng),步距誤差不長(zhǎng)期積累,可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),也可以要求更高精度時(shí)組成 閉環(huán)控制系。 5 電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候具有自鎖功能。 6 步距角選擇范圍大,可在幾十角分至180度大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下,通?？梢栽谠降退傧乱愿咿D(zhuǎn)矩運(yùn)行,因而可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。 7 步進(jìn)電機(jī)不能使用普通的交流電源驅(qū)動(dòng)。 8 一般步進(jìn)電機(jī)的精度是步進(jìn)角的3%5%,且步距誤差不會(huì)長(zhǎng)

25、期積累。 9 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降:當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì);頻率越高,反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下,電機(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導(dǎo)致力矩下降。 10 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但假設(shè)高于一定頻率就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲.步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù):空載啟動(dòng)頻率,即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機(jī)不能正常啟動(dòng),可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下,啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)到達(dá)高速轉(zhuǎn)動(dòng),脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程,即啟動(dòng)頻率較低,然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚?。2.3 步

26、進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù) 在混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)和工作原理的根底上,本章就步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比擬。首先介紹了傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式:單電壓驅(qū)動(dòng)包括單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)包括上下壓驅(qū)動(dòng)和恒流斬波驅(qū)動(dòng)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn),然后重點(diǎn)介紹了細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式的原理及其模型。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不像直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)一樣,它不能直接接到交直流電源上工作,而必須使用專用設(shè)備?步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的性能,除與電動(dòng)機(jī)木身的性能有關(guān)外,也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。因此,對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究幾乎是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究同步進(jìn)行的。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要構(gòu)成如圖2.5所示,一般由環(huán)形

27、分配器、信號(hào)處理級(jí)、推動(dòng)級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)等各局部組成,用于功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器還需要有多種保護(hù)電路。 環(huán)形分配器用來(lái)接受來(lái)自控制器的CP脈沖,并按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。每來(lái)一個(gè)CP脈沖,環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。同時(shí),環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號(hào),從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序或者反序轉(zhuǎn)換,決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。因此,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上下、升速或降速、起動(dòng)或停止都完全取決于CP脈沖的有無(wú)或頻率的上下。 信號(hào)放大與處理的作用是將環(huán)分輸出信號(hào)加以放大,變成足夠大的信號(hào)送入推動(dòng)級(jí)。 信號(hào)處理是實(shí)現(xiàn)某些轉(zhuǎn)換、合成等功能,產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號(hào),從而

28、產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動(dòng)。本級(jí)還經(jīng)常與各種保護(hù)電路、各種控制電路組合在一起,形成較高性能的驅(qū)動(dòng)輸出。 推動(dòng)級(jí)的作用是將較小的信號(hào)加以放大,變成足以推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)的較大的信號(hào)。有時(shí)推動(dòng)級(jí)還承當(dāng)電平轉(zhuǎn)換的作用。 保護(hù)級(jí)的作用是保護(hù)驅(qū)動(dòng)級(jí)的平安。一般可根據(jù)需要設(shè)置過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等。 為使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)滿足各種需要的輸出,驅(qū)動(dòng)級(jí)必須對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組提供足夠的電壓和電流,但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與一般電子設(shè)備的驅(qū)動(dòng)有很多不同點(diǎn),其主要表現(xiàn)在: 1.各相繞組都是開(kāi)關(guān)工作,多數(shù)電動(dòng)機(jī)繞組都是連續(xù)的交流或直流,而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組都是脈沖式供電,所以繞組電流不是連續(xù)的。 2.電動(dòng)機(jī)各相繞組都是繞在鐵心上的線圈,所

29、以都有較大的電感。繞組通電時(shí)電流上升率受到限制,因此影響電動(dòng)機(jī)繞組電流的大小。 3.繞組斷點(diǎn)時(shí),電感中磁場(chǎng)的儲(chǔ)能將維持繞組中已有的電流不能突變,結(jié)果使應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快截止,必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回落。繞組導(dǎo)通和截止都會(huì)產(chǎn)生較大的反電勢(shì),而截止時(shí)反電勢(shì)將對(duì)驅(qū)動(dòng)級(jí)器件的平安產(chǎn)生有害的影響。 4.電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在各相繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì),這些電勢(shì)的大小和方向?qū)?duì)繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢(shì)根本上與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比,轉(zhuǎn)速越高,電勢(shì)越大,繞組電流越小,從而使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。驅(qū)動(dòng)級(jí)線路,既要保證繞組有足夠的電流電壓及正確的波形,同時(shí)要保證功率放大器件的平安運(yùn)行,

30、另外,還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗、較低的本錢(qián)。這就必須要設(shè)計(jì)合理的線路,選用適宜的功率器件。 驅(qū)動(dòng)級(jí)的功率放大器件有中功率晶體管、大功率晶體管、大功率達(dá)林頓晶體管、可控硅、可關(guān)斷可控硅、場(chǎng)效應(yīng)功率管、雙極型晶體管與場(chǎng)效應(yīng)功率管的復(fù)合管以及各種功率模塊等。 目前步進(jìn)電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)方式有單電壓驅(qū)動(dòng)包括單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)包括上下壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。以下分別簡(jiǎn)單介紹前二種驅(qū)動(dòng)方式的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)。將在后面詳細(xì)介紹細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式。2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)分析2.4.1 單電壓驅(qū)動(dòng) 單電壓驅(qū)動(dòng)是指在電動(dòng)機(jī)繞組工作過(guò)程中,只用一個(gè)方向電壓對(duì)繞組供電。其原理圖如圖2.6所示,前面推

31、動(dòng)級(jí)輸出信號(hào)In作用于三極管的基級(jí),其集電極接電動(dòng)機(jī)的一相繞組,繞組另一端直接與電源電壓連接。因此,當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí),電源電壓全部作用在電動(dòng)機(jī)繞組上。歸結(jié)起來(lái),單電壓驅(qū)動(dòng)器有如下特點(diǎn):線路簡(jiǎn)單,本錢(qián)低,低頻時(shí)響應(yīng)較好;有共振區(qū),高頻時(shí),帶載能力迅速下降。 單電壓驅(qū)動(dòng)的致命弱點(diǎn)是繞組導(dǎo)通的回路電氣時(shí)間常數(shù)較大,致使導(dǎo)通時(shí)繞組電流上升較慢、使電機(jī)在導(dǎo)通脈寬T接近時(shí)繞組電流迅速下降。由于,故要減小電氣時(shí)間常數(shù)的方法是減小繞組的電感或增加繞組回路的電阻R。對(duì)于確定的步進(jìn)電動(dòng)機(jī),繞組電感已經(jīng)確定。因此在電路中只有用增加回路電阻的方法。即單電壓串電阻驅(qū)動(dòng),其原理圖如圖2.7所示。單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)的主要缺點(diǎn)是

32、損耗大,效率低。比照前述單電壓驅(qū)動(dòng),其導(dǎo)通時(shí)銅損為,而串電阻后的導(dǎo)通銅損為,所以電源提供的功率大局部都消耗在串聯(lián)電阻上。 雙電壓驅(qū)動(dòng)的根本思想是在較低頻段用較低的電壓驅(qū)動(dòng),而在高頻段用較高電壓驅(qū)動(dòng),原理線路見(jiàn)圖2.7所示。電源直接接到由大功率管和二極管組成的電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上。當(dāng)關(guān)斷時(shí),低壓電源通過(guò)給電路提供驅(qū)動(dòng)電壓,當(dāng)導(dǎo)通時(shí),高壓電源通過(guò)給電路提供驅(qū)動(dòng)電壓,處于反向截止?fàn)顟B(tài),低壓電源自動(dòng)停止供電。 上下壓驅(qū)動(dòng)的原理線路如圖2.9所示,初看起來(lái),與雙電壓驅(qū)動(dòng)電路似乎差異不大,但實(shí)際上工作過(guò)程截然不同。圖中所示為每相的單元線路。主回路由高壓管、電動(dòng)機(jī)繞組、低壓管串聯(lián)而成。加高壓,加低電壓,電動(dòng)機(jī)繞組

33、回路不串電阻。在每相導(dǎo)通期間,低壓管輸入信號(hào)與高壓管輸入信號(hào)見(jiàn)圖2.10所示。當(dāng)為高電平時(shí),該相導(dǎo)通;當(dāng)為低電平時(shí),該相截止。高壓管的輸入信號(hào)是由信號(hào)的前沿信號(hào)獲得的,前沿與同步。但脈沖寬度要比小得多,上下壓驅(qū)動(dòng)可保證在很寬的頻段內(nèi)都能保證相繞組有較大的平均電流,在截止時(shí)又能迅速釋放,因此能產(chǎn)生較大的且較穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩,因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可得到較高的響應(yīng)。 2.5 本章小結(jié) 本章分別從步進(jìn)電機(jī)的分類和步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)等方面詳細(xì)的介紹了步進(jìn)電機(jī)。 其中步進(jìn)電機(jī)的分類是從總體上介紹了步進(jìn)電機(jī)的情況;步進(jìn)電機(jī)的原理一節(jié)是就本設(shè)計(jì)所使用的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的工作原理做了詳細(xì)的介紹,應(yīng)該

34、屬于是重點(diǎn)掌握的局部;步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)一節(jié)詳細(xì)的清楚的一條一條的列出了步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn),了解這些特點(diǎn)對(duì)我們步進(jìn)電機(jī)的選擇和應(yīng)用具有很好的參考作用?？偟膩?lái)說(shuō)通過(guò)這一章的介紹,我們對(duì)步進(jìn)電機(jī)有了一個(gè)總體的也比擬全面的了解和掌握。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本課題主要采用單片機(jī)AT89C52和脈沖分配器芯片8713實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的換相控制、轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)向控制。脈沖分配器的主要作用是把單片機(jī)輸出的控制脈沖信號(hào), 經(jīng)過(guò)邏輯組合轉(zhuǎn)換成為各相繞組通、斷電的時(shí)序邏輯信號(hào), 使步進(jìn)電機(jī)按確定的方式工作。系統(tǒng)的具體功能和要求如下: 1.單片機(jī)最小系統(tǒng)板的設(shè)計(jì); 2.設(shè)計(jì)脈沖分配器; 3.實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)

35、控制; 4.驅(qū)動(dòng)電路可提供電壓為12V,電流為0.3A的驅(qū)動(dòng)信號(hào); 5.能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),最低轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分,最高轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)/分; 3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.1.1 單片機(jī)原理簡(jiǎn)介 單片機(jī)(single-chip microcomputer)是把微型計(jì)算機(jī)主要局部都集成在一塊芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)12。圖3-1中表示單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)圖。由于單片機(jī)的高度集成化,縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)傳送距離,優(yōu)化了結(jié)構(gòu)配置,大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度,同時(shí)它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求,所以單片機(jī)在工業(yè)過(guò)程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用13,14。圖3-1典型單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖3.1.2 單片

36、機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí),需要與外界交換信息。人們需要通過(guò)人機(jī)對(duì)話,了解系統(tǒng)的工作情況和進(jìn)行控制。單片機(jī)芯片與其它CPU比擬,功能雖然要強(qiáng)得多,但由于芯片結(jié)構(gòu)、引腳數(shù)目的限制,片內(nèi)ROM、RAM、I/O口等不能很多,在構(gòu)成實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)需要加以擴(kuò)展,以適應(yīng)不同的工作情況。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成根本上如圖3-2所示。 圖3-2 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置的狀況,可以分為最小應(yīng)用系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)、典型應(yīng)用系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一款最小應(yīng)用系統(tǒng),最小應(yīng)用系統(tǒng)是指能維持單片機(jī)運(yùn)行的最簡(jiǎn)單配置的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)本錢(qián)低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,常用來(lái)構(gòu)成簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)

37、,如開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出控制、時(shí)序控制等。對(duì)于片內(nèi)有ROM/EPROM的芯片來(lái)說(shuō),最小應(yīng)用系統(tǒng)即為配有晶體振蕩器、復(fù)位電路和電源的單個(gè)芯片;對(duì)與片內(nèi)沒(méi)有ROM/EPROM芯片來(lái)說(shuō),其最小應(yīng)用系統(tǒng)除了應(yīng)配置上述的晶振、復(fù)位電路和電源外,還應(yīng)配備EPROM或EEPROM作為程序存儲(chǔ)器使用15,16。3.1.3 AT89C52簡(jiǎn)介 AT89C52的主要參數(shù)如表3-1所示: 表3-1 AT89C52的主要參數(shù)型號(hào)存儲(chǔ)器定時(shí)器I/0串行口中斷速度(MH)其它特點(diǎn)E2PROMROMRAM89C528K1282321624低電壓 AT89C52含E2PROM電可編閃速存儲(chǔ)器。有兩級(jí)或三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密系統(tǒng),防

38、止E2PROM中的程序被非法復(fù)制。不用紫外線擦除,提高了編程效率。程序存儲(chǔ)器E2PROM容量可達(dá)20K字節(jié)。 AT89C52是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM?Falsh 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)。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AT89C52是一種高效微控制器,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。其引腳如圖2-3所示

39、17,18。 圖3-3 單片機(jī)的引腳排列 1.主要特性: ?與MCS-51 兼容?8K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命:1000寫(xiě)/擦循環(huán)?全靜態(tài)工作:0Hz-24Hz?三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定?128*8位內(nèi)部RAM?32可編程I/O線?兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器?5個(gè)中斷源?可編程串行通道?低功耗的閑置和掉電模式?片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 2、管腳說(shuō)明:? VCC:供電電壓。? GND:接地。?P0口:P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口,每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí),被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí),P0 口作為原

40、碼輸入口,當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí),P0輸出原碼,此時(shí)P0外部必須被拉高。?P1口:P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時(shí),將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí),P1口作為第八位地址接收。?P2口:P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個(gè)TTL門(mén)電流,當(dāng)P2口被寫(xiě)“1時(shí),其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時(shí),P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地

41、址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí),P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1時(shí),它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì),當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí),P2口輸出其特殊功能存放器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。? P3口:P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流(ILL)這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,如下所示: P3口管腳備選功能 P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 /I

42、NT0(外部中斷0) P3.3 /INT1(外部中斷1) P3.4 T0(記時(shí)器0外部輸入) P3.5 T1(記時(shí)器1外部輸入) P3.6 /WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通) P3.7 /RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通) P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。?RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí),要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG:當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí),地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí),ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào),此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要

43、注意的是:每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí), ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止,置位無(wú)效。? /PSEN:外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間,每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。?/EA/VPP:當(dāng)/EA保持低電平時(shí),那么在此期間外部程序存儲(chǔ)器(0000H-FFFFH),不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí),/EA將內(nèi)部鎖定為RESET;當(dāng)/EA端保持高電平時(shí),此

44、間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)。 XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。?XTAL2:來(lái)自反向振蕩器的輸出。 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu):MCS-51 單片機(jī)內(nèi)核采用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間分開(kāi)的結(jié)構(gòu),均具64KB外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。 程序存儲(chǔ)器:如果EA引腳接地(GND),全部程序均執(zhí)行外部存儲(chǔ)器。在AT89S51,假設(shè)EA 接至Vcc(電源+),程序首先執(zhí)行地址從0000H-0FFFH (4KB)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器,再執(zhí)行地址為1000H-FFFFH (60KB)的外部程序存儲(chǔ)器。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器:AT89S51的具128字節(jié)的內(nèi)部RA

45、M,這128字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問(wèn),堆棧操作可利用間接尋址方式進(jìn)行,128字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間。 3、I/O口引腳: a:P0口,雙向8位三態(tài)I/O口,此口為地址總線(低8位)及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用; b:P1口,8位準(zhǔn)雙向I/O口; c:P2口,8位準(zhǔn)雙向I/O口,與地址總線(高8位)復(fù)用; d:P3口,8位準(zhǔn)雙向I/O口,雙功能復(fù)用口。 4、振蕩器特性:?AT89S52一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器,引腳XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反響元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。 外接石英晶體(或陶瓷諧振器)及電容Cl

46、、C2 接在放大器的反響回路 構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容Cl、C2 雖然沒(méi) 十分嚴(yán)格的要求,但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的上下、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如果使用石英晶體,我們推薦電容使用30pF±10pF,而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pF ±10pF。 用戶也可以采用外部時(shí)鐘。這種情況下,外部時(shí)鐘脈沖接到XTAL1端,即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端,XTAL2那么懸空。 由于外部時(shí)鐘信號(hào)是通過(guò)一個(gè)2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的,所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒(méi)有特殊要求,但最小高電平持續(xù)時(shí)間和最大的低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。 XTAL

47、1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件,XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器,因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求,但必須保證脈沖的上下電平要求的寬度。 5、芯片擦除: 整個(gè)EPROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合,并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中,代碼陣列全被寫(xiě)“1且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前,該操作必須被執(zhí)行。 此外,AT89C52設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯,可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯,支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下,CPU

48、停止工作。但RAM,定時(shí)器,計(jì)數(shù)器,串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下,保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器,禁止所用其他芯片功能,直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 6、Flash 閃速存儲(chǔ)器的并行編程 AT89C52單片機(jī)內(nèi)部8k字節(jié)的可快速編程的Flash存儲(chǔ)陣列。編程方法可通過(guò)傳統(tǒng)的EPROM編程器使用高電壓(+12V)和協(xié)調(diào)的控制信號(hào)進(jìn)行編程。 AT89C52的代碼是逐一字節(jié)進(jìn)行編程的。 編程方法: 編程前,須設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號(hào),AT89C51 編程方法如下: 1.在地址線上加上要編程單元的地址信號(hào)。 2.在數(shù)據(jù)線上加上要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)字節(jié)。 3.激活相應(yīng)的控制信號(hào)。 4.將EA /Vpp 端

49、加上+12V 編程電壓。 5.每對(duì)Flash 存儲(chǔ)陣列寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)或每寫(xiě)入一個(gè)程序加密位,加上一個(gè)ALE /PROG編程脈沖。每個(gè)字節(jié)寫(xiě)入周期是自身定時(shí)的,大多數(shù)約為50us。改變編程單元的地址和寫(xiě)入的數(shù)據(jù),重復(fù)1-5 步驟,直到全部文件編程結(jié)束。3.1.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采用AT89C52單片機(jī)構(gòu)成了控制系統(tǒng)的核心,其根本模塊就主要包括復(fù)位電路和晶體震蕩電路。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中,單片機(jī)的P 0口、P 1口、P 2口、P 3口全部參與系統(tǒng)工作,單片機(jī)最小系統(tǒng)的接線如圖3.4所示: 圖3.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 PMM8713是日本三洋電機(jī)公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器。該器件采用DIP 16封裝,

50、適用于二相或四相步進(jìn)電機(jī)。PMM8713在控制二相或四相步進(jìn)電機(jī)時(shí)都可選擇三種勵(lì)磁方式1相勵(lì)磁,2相勵(lì)磁,3相勵(lì)磁三種勵(lì)磁方式之一,每相最小的拉電流和灌電流為20mA,它不但可滿足后級(jí)功率放大器的要求,而且在所有輸人端上均內(nèi)嵌有施密特觸發(fā)電路,抗干擾能力很強(qiáng),其原理框圖如圖1所示,表1所列是PMM8713的引腳功能。在PMM8713的內(nèi)部電路中,時(shí)鐘選通局部用于設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)脈沖輸入法。PMM8713有兩種脈沖輸人法:雙脈沖輸人法和單脈沖輸人法。采用雙脈沖輸人法的連線方式如圖3-5A所示,其中CPI CA兩端分別輸人步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制脈沖。當(dāng)采用單脈沖輸人法時(shí),其連線方式如圖2所示; 圖3-5 8713脈沖輸入 圖3-6 PWM8713的引腳圖PMM8713 引腳功能介紹1腳:輸入相位上升時(shí)鐘輸入2腳:輸入相位下降時(shí)鐘輸入3腳:輸入相位時(shí)鐘輸入4腳;轉(zhuǎn)向控制5,6,7腳:控制方式選擇8腳:地線9腳:復(fù)位10,11,12,13腳:相位輸出14腳:通電監(jiān)控輸出15腳:輸入監(jiān)控輸出16腳:電源 PMM8713 是專用的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)脈沖產(chǎn)生芯片,它適用于三相和四相步進(jìn)電機(jī)。如圖1 所示PMM8713 的引腳,Cu 為加脈沖輸入端,它使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn),Cp 為減脈沖輸入端,它使步進(jìn)電