基于-PIC單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、-PAGE . z.編號本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于PIC單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Stepping Motor positioncontrol system design based on the PIC Microputer學(xué) 生 姓 名石 懂專 業(yè)電子信息工程學(xué) 號040411520指 導(dǎo) 教 師白雪梅學(xué) 院電子信息工程學(xué)院2021 年 6 月*理工大學(xué)本科畢業(yè)生論文-. z摘 要本文介紹了步進(jìn)電機(jī)工作原理以及各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，分析了單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的方法。系統(tǒng)采用了單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)串行控制方案，采用旋轉(zhuǎn)編碼器對系統(tǒng)的準(zhǔn)確度進(jìn)展衡量。以PIC單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)的控制器，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動。硬件

2、構(gòu)造由串行顯示電路、鍵盤接口電路、電機(jī)驅(qū)動電路等構(gòu)成。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，通過調(diào)用一系列子程序，如中斷，鍵盤掃描，串行顯示等實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)三相單四拍、雙四拍和單、雙八拍的運(yùn)行。給出了硬件原理圖、編程流程圖和軟件程序。關(guān)鍵字：步進(jìn)電機(jī)PIC單片機(jī)硬件接口電路ABSTRACT.Key words:Stepping motor；PIC microputer；Hardware interface circuit-. z目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc202228345第一章概述 PAGEREF _Toc202228345 h 1HYPERLINK l _Toc20

3、22283461.1 課題背景 PAGEREF _Toc202228346 h 1HYPERLINK l _Toc2022283471.2 單片機(jī)應(yīng)用開展簡介 PAGEREF _Toc202228347 h 1HYPERLINK l _Toc2022283481.3 主要研究工作 PAGEREF _Toc202228348 h 2HYPERLINK l _Toc202228349第二章步進(jìn)電機(jī)原理及驅(qū)動 PAGEREF _Toc202228349 h 4HYPERLINK l _Toc2022283502.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 PAGEREF _Toc202228350 h 4HYPERLI

4、NK l _Toc2022283512.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動 PAGEREF _Toc202228351 h 6HYPERLINK l _Toc202228352步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式 PAGEREF _Toc202228352 h 6HYPERLINK l _Toc202228353步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動特點(diǎn) PAGEREF _Toc202228353 h 8HYPERLINK l _Toc202228354步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的直流供電電源確實(shí)定 PAGEREF _Toc202228354 h 12HYPERLINK l _Toc2022283552.3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成 PAGEREF _Toc2022

5、28355 h 12HYPERLINK l _Toc202228356第三章單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的方法 PAGEREF _Toc202228356 h 14HYPERLINK l _Toc2022283573.1 步進(jìn)電機(jī)控制方法 PAGEREF _Toc202228357 h 14HYPERLINK l _Toc2022283583.1.1 串行方式 PAGEREF _Toc202228358 h 14HYPERLINK l _Toc2022283593.1.2 并行方式 PAGEREF _Toc202228359 h 14HYPERLINK l _Toc2022283603.2 PIC單片機(jī)

6、介紹 PAGEREF _Toc202228360 h 14HYPERLINK l _Toc2022283613.2.1 PIC單片機(jī)介紹 PAGEREF _Toc202228361 h 14HYPERLINK l _Toc2022283623.2.2 PIC系列單片機(jī)的構(gòu)造 PAGEREF _Toc202228362 h 15HYPERLINK l _Toc2022283633.3 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 PAGEREF _Toc202228363 h 16HYPERLINK l _Toc202228364第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc202228364 h 20HYPERLINK

7、 l _Toc2022283654.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)造 PAGEREF _Toc202228365 h 20HYPERLINK l _Toc2022283664.2 模擬步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc202228366 h 20HYPERLINK l _Toc2022283674.3 LED顯示接口電路 PAGEREF _Toc202228367 h 21HYPERLINK l _Toc2022283684.4 鍵盤接口設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc202228368 h 22HYPERLINK l _Toc2022283694.5 石英多諧振蕩器電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc2

8、02228369 h 24HYPERLINK l _Toc2022283704.6 光電編碼器原理及分類 PAGEREF _Toc202228370 h 25HYPERLINK l _Toc202228371第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc202228371 h 28HYPERLINK l _Toc2022283725.1 軟件構(gòu)造 PAGEREF _Toc202228372 h 28HYPERLINK l _Toc2022283735.2 子程序模塊 PAGEREF _Toc202228373 h 29HYPERLINK l _Toc2022283745.2.1 串行靜態(tài)顯示模塊

9、 PAGEREF _Toc202228374 h 29HYPERLINK l _Toc2022283755.2.2 鍵盤掃描模塊 PAGEREF _Toc202228375 h 30HYPERLINK l _Toc2022283765.2.3 中斷模塊 PAGEREF _Toc202228376 h 31HYPERLINK l _Toc202228377結(jié)論 PAGEREF _Toc202228377 h 36HYPERLINK l _Toc202228378參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc202228378 h 37HYPERLINK l _Toc202228379致 PAGEREF _T

10、oc202228379 h 38HYPERLINK l _Toc202228380附錄1 PAGEREF _Toc202228380 h 39HYPERLINK l _Toc202228381附錄2 PAGEREF _Toc202228381 h 43-. z第一章 概 述1.1 課題背景步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機(jī)電執(zhí)行元件，每外加一個(gè)控制脈沖，電機(jī)就運(yùn)行一步故稱為步進(jìn)電機(jī)或脈沖馬達(dá)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖信號，它就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度(步進(jìn)角)。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而到達(dá)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，從而到達(dá)調(diào)

11、速的目的。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子慣量低，定位精度高，無累積誤差，控制簡單等特點(diǎn)。實(shí)際操作時(shí)不受電源電壓，負(fù)載，環(huán)境，溫度的影響能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進(jìn)展高精度控制，步進(jìn)電機(jī)作為控制執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，以廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)和精細(xì)機(jī)械等領(lǐng)域。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展,步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。隨著數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)的開展，研究步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，使步進(jìn)電機(jī)的控制更加簡便，靈活和智能化，使其應(yīng)用更加廣泛。步進(jìn)電動機(jī)的開展方向主要有如下三點(diǎn):1進(jìn)一步完善和擴(kuò)展驅(qū)動和控制功能。如采用SVPWM技術(shù)，采用電子齒輪比技

12、術(shù)，擴(kuò)展通訊網(wǎng)絡(luò)功能等。2高功率密度步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)。3閉環(huán)控制步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)。為了徹底克制步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)一些根本性的弱點(diǎn)，如振蕩的傾向及失步等，可改為閉環(huán)系統(tǒng)，但這種改變使步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)已起了質(zhì)的變化，不再是本來意義上的步進(jìn)電動機(jī)，而成為無刷直流電動機(jī)(BLDCM)，或交流伺服電機(jī)(AC SERVO。1.2 單片機(jī)應(yīng)用開展簡介單片微型計(jì)算機(jī)Single Chip Microputer)簡稱單片機(jī)，是在一塊芯片體上集成了中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM或EPROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器以及串行和并行I/O接口等部件，構(gòu)成的一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。自1971年Intel公司制造出第一塊4位微

13、處理器以來，開展十分迅猛，經(jīng)歷了4位機(jī)、低檔8位機(jī)、高檔8位機(jī)、16位機(jī)及最新一代的單片機(jī)。最新一代單片機(jī)在構(gòu)造上采用雙CPU或部流水線，CPU有8位、16位、32位，時(shí)鐘頻率高達(dá)20Hz，片有PWM輸出、監(jiān)視定時(shí)器WDT、可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA、DMA傳輸、調(diào)制解調(diào)器等。芯片向高集成化，低功耗方向開展，使得單片機(jī)在大量數(shù)據(jù)的及時(shí)處理、高級通信系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、復(fù)雜工業(yè)過程控制、高級機(jī)器人以及局域網(wǎng)等方面得到大量應(yīng)用。單片機(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格廉價(jià)、功耗低、控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，故在國民經(jīng)濟(jì)建立、軍事及家用電器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。按照單片機(jī)特點(diǎn)，單片機(jī)可分為單機(jī)應(yīng)用和多機(jī)應(yīng)用。單

14、機(jī)應(yīng)用主要領(lǐng)域有：1測控系統(tǒng)：用單片機(jī)構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)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(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。2智能儀表：用單片機(jī)改造原有的測量、控制儀表，能促進(jìn)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化開展。如溫度、壓力、流量、濃度的測量、顯示及儀表控制。通過單片機(jī)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(jī)電一體化產(chǎn)品：如簡易數(shù)控機(jī)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(jī)進(jìn)展接口的控制與管理，這個(gè)因?yàn)閱纹瑱C(jī)與主機(jī)是并行工作的，可大大提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。如大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用單片機(jī)對AD

15、C接口進(jìn)展控制不僅可提高采集速度還可對數(shù)據(jù)進(jìn)展預(yù)處理。如數(shù)字濾波、線形化、誤差修正等。多機(jī)應(yīng)用主要領(lǐng)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(shè)置的多機(jī)系統(tǒng)。如一個(gè)加工中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)除完成機(jī)床加工運(yùn)行控制外，還要控制對刀系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)、刀庫管理、狀態(tài)監(jiān)視、伺服驅(qū)動等機(jī)構(gòu)。2并行多控制系統(tǒng)：并行多控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的加速問題，以便構(gòu)成大型實(shí)時(shí)工程應(yīng)用系統(tǒng)。典型的有快速并行數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)圖象處理系統(tǒng)等。3局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的出現(xiàn)，使單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的水平。目前該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是分布式測控系統(tǒng)，單片機(jī)主要用于系統(tǒng)中的通信控制，以及

16、構(gòu)成各種測控子級系。1.3 主要研究工作硬件設(shè)計(jì)方面：通過單片機(jī)實(shí)驗(yàn)加深對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源和電機(jī)工作情況了解，測定并研究其在單步運(yùn)行狀態(tài)，角位移和脈沖數(shù)關(guān)系，平均轉(zhuǎn)速和脈沖頻率的關(guān)系。觀察轉(zhuǎn)子振蕩狀態(tài)，并且掌握步進(jìn)電機(jī)的根本特性和指標(biāo)。根據(jù)功能需要選擇電路元器件和型號，設(shè)計(jì)電路并能解決現(xiàn)實(shí)抗干擾問題。畫出電路原理圖。軟件設(shè)計(jì)方面：通過匯編語言編寫核心模塊對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)展控制。最終編寫出一個(gè)完整步進(jìn)電機(jī)控制程序，能夠調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。由于轉(zhuǎn)速是通過調(diào)節(jié)脈沖頻率實(shí)現(xiàn)的，因此設(shè)計(jì)脈沖分配采用完全軟件方式，既按照給定的通電換向順序，通過單片機(jī)I/O口向驅(qū)動電路發(fā)出控制脈沖，這樣就防止采用復(fù)雜脈

17、沖分配芯片，來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制。程序設(shè)計(jì)按照掌握計(jì)算機(jī)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(shí)操作中解決堵轉(zhuǎn)和啟動失步等問題。第二章 步進(jìn)電機(jī)原理及驅(qū)動2.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(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)可分為反響式步進(jìn)電機(jī)簡稱VR、永磁式步進(jìn)電機(jī)簡稱PM和混合式步進(jìn)電機(jī)簡稱HB。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)展控制的，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)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號

18、工作，控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生。其根本原理如下：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(jìn)電機(jī)的工作方式如下：單相四拍工作方式：正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篈-B-C-D-A反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篋-C-B-A-D四相八拍工作方式：正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篋-DC-C-CB-B-BA-A-AD-D控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。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)。2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)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步

19、進(jìn)電機(jī)進(jìn)展調(diào)速。3步進(jìn)電機(jī)指標(biāo)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(gè)磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)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/504=1.8度俗稱整步，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/508=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

20、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)動時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)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)動電壓及驅(qū)動電源等無關(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)，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。4步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的35%，且不累積。步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)。一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏2

21、00度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏8090度完全正常。步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動勢，頻率越高，反向電動勢越大。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。步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但假設(shè)高于一定速度就無法啟動,并伴有噪聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)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(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)到達(dá)高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)速

22、從低速升到高速。步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的開展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。5常用步進(jìn)電機(jī)的類型現(xiàn)在比擬常用的步進(jìn)電機(jī)包括反響式步進(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。反響式步進(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，但噪聲和振動都很大。反響式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反響式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：

23、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。6步進(jìn)電機(jī)在應(yīng)用中的注意點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，0.9度時(shí)6666PPS)，最好在10003000PPS0.9度間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動大。只有標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)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(dāng)然12V的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源，不過要考慮溫度的變化。轉(zhuǎn)動慣量大的

24、負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號電機(jī)。電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停頓的定位精度。高精度時(shí)，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機(jī)，不過其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是不準(zhǔn)確的。電機(jī)不應(yīng)在振動區(qū)工作，如假設(shè)必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。電機(jī)在600PPS0.9度以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原則。2.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式步進(jìn)電機(jī)常用的驅(qū)動方式是全電壓驅(qū)動，即在電機(jī)移步與鎖步時(shí)都加載額定電壓。為防止電機(jī)過

25、流及改善驅(qū)動特性需加限流電阻。由于步進(jìn)電機(jī)鎖步時(shí)，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(guān)管也要有較高的負(fù)載能力。步進(jìn)電機(jī)的另一種驅(qū)動方式是上下壓驅(qū)動，即在電機(jī)移步時(shí)加額定或超過額定值的電壓，在較大電流驅(qū)動下，使電機(jī)快速移步。而在鎖步時(shí)則加低于額定值的電壓，只讓電機(jī)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(jī)運(yùn)行速度，但這種驅(qū)動方式的電路相對要復(fù)雜一些。驅(qū)動脈沖的分配可以使用硬件方法，即使用脈沖分配器實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在脈沖分配器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，芯片化，市場上可以買到。但硬件方法不但構(gòu)造復(fù)雜，而且本錢也較高。步進(jìn)電機(jī)控制也可以使用軟件方法，即使用單片

26、機(jī)實(shí)現(xiàn)，這樣不但簡化了電路，而且也降低了本錢。使用單片機(jī)以軟件方法，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，不但可以通過編程方法在一定圍自由地設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，往返轉(zhuǎn)動的角度以及轉(zhuǎn)動次數(shù)等，而且還方便靈活控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。步進(jìn)電動機(jī)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)電動機(jī)驅(qū)動器。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與電動機(jī)自身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。信號放大級推動級環(huán)形分配級驅(qū)動級保護(hù)級圖 2-1 驅(qū)動器構(gòu)成步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的主要構(gòu)成如圖2-1所示，一般由環(huán)形分配器、信號處理級、推動級、驅(qū)動級等局部組成，用于功率步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器還要有多種保護(hù)線路。環(huán)形分配器用來承受來自控制器

27、的CP脈沖，并按步進(jìn)電動機(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。每來一個(gè)CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。因此，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的上下、升速或降速、起動或停頓都完全取決于CP脈沖的有無或頻率。同時(shí)，環(huán)形分配器還必須承受控制器的方向信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序或者按反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)向。承受CP脈沖和方向電平是環(huán)形分配器的最根本功能。從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號送入信號放大與處理級。信號放大的作用是將環(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(shí)現(xiàn)信號的*些轉(zhuǎn)換、合成、產(chǎn)生斬波、抑制等特

28、殊功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動。本級還經(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(qū)動級輸入的較大信號。有時(shí)，推動級還承當(dāng)電平轉(zhuǎn)換的作用。保護(hù)級的作用是保護(hù)驅(qū)動級的平安。一般可根據(jù)需要設(shè)置過電流保護(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等。有時(shí)還需要對輸入信號進(jìn)展監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)輸入異常也提供保護(hù)動作。驅(qū)動級直接與步進(jìn)電動機(jī)各相繞組連接，它承受來自推動級的信號，控制電動機(jī)各相繞組的導(dǎo)通與截止，同時(shí)也對繞組承受的電壓和電流進(jìn)展控制。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動特點(diǎn)各種電子設(shè)備的最末級一般需要功率放大，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動也是這樣。為使步進(jìn)電動機(jī)滿足各種

29、需要的輸出，驅(qū)動級必須對電動機(jī)繞組提供足夠的電壓和電流。但步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動與一般電子設(shè)備的驅(qū)動有不同的特點(diǎn)，主要表達(dá)在：1各相繞組都是開關(guān)工作。多數(shù)電動機(jī)繞組都是連續(xù)的交流或直流，而步進(jìn)電動機(jī)各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是斷續(xù)的。2電動機(jī)各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有比擬大的電感。繞組通電時(shí)電流上升率受到限制，因此影響電動機(jī)繞組電流的大小。3繞組斷電時(shí)，電感中磁場的儲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。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過程中都會產(chǎn)生較大的反電勢，而截止時(shí)的反電勢將對驅(qū)動級器件的平安產(chǎn)生十分有害的

30、影響。4電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，這些電勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢根本上與電動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。5電動機(jī)繞組中有電感電勢、互感電勢、旋轉(zhuǎn)電勢。這些電勢與外加電壓共同作用于功率器件。當(dāng)其疊加結(jié)果使電動機(jī)繞組兩端電壓大大超過電源電壓時(shí)，使驅(qū)動級工作條件更為惡化。步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動有單電壓驅(qū)動、單電壓串電阻驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、上下壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、H橋驅(qū)動、多相橋驅(qū)動、生頻升壓驅(qū)動和細(xì)分驅(qū)動等。下面簡單介紹典型的單電壓驅(qū)動和H橋驅(qū)動。1.電壓驅(qū)動圖 2-2 單電壓驅(qū)動的單元線路所謂單電壓

31、驅(qū)動，是指在電動機(jī)繞組工作過程中，只用一個(gè)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(jī)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(dǎo)通時(shí)，電源電壓全部作用在電動機(jī)繞組上。當(dāng)輸入信號是高電平時(shí)In提供足夠大的基極電流使三極管T處于飽和狀態(tài)，假設(shè)忽略其飽和壓降，則電源電壓全部作用在電動機(jī)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(jī)運(yùn)動而產(chǎn)生的反電勢。電動機(jī)處于靜止?fàn)顟B(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(qū)動器施加一個(gè)脈沖，使勵磁狀態(tài)改變一次，或稱換

32、相一次，使電動機(jī)運(yùn)行一步，這個(gè)過程稱為單步響應(yīng)。當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速足夠低，即CP脈沖周期足夠長時(shí)，電動機(jī)運(yùn)行的每一步都可認(rèn)為是單步響應(yīng)的過程。由導(dǎo)通時(shí)的等值電路，可知其電壓平衡方程為： 2-1如果將電動機(jī)堵轉(zhuǎn)，則電動機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn)，其反電勢為零。此時(shí)繞組電流的單步響應(yīng)可以解方程求出，即：2-2式中，為繞組回路的電氣時(shí)間常數(shù)，且：2-3步進(jìn)電動機(jī)有一個(gè)重要的問題是低頻振蕩。在頻率較低時(shí)，電動機(jī)處于步進(jìn)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(diǎn)附近形成一個(gè)振蕩過程。在*些運(yùn)行頻率下就會發(fā)生共振，此時(shí)電動機(jī)根本沒有帶載能力，在空載時(shí)也不能正常運(yùn)行。共振現(xiàn)象，是由于電動機(jī)獲得的能量過剩而引起的。與

33、電動機(jī)帶載的性質(zhì)、電壓上下、電動機(jī)構(gòu)造、驅(qū)動器的構(gòu)造都有一定的關(guān)系。目前，通常在電動機(jī)中加機(jī)械阻尼、在電路中加電氣阻尼、改良電路構(gòu)造等多種方法來克制共振現(xiàn)象。歸納起來，單電壓驅(qū)動器有如下特點(diǎn)：線路簡單，本錢低；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)動由于性能較差，在實(shí)際中應(yīng)用較少，只有在小機(jī)座號電動機(jī)且簡單應(yīng)用中才用到。2.H橋驅(qū)動圖 2-3 H橋驅(qū)動原理圖永磁步進(jìn)電動機(jī)及二相、三相、五相混合式步進(jìn)電動機(jī)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(shí)需通正向電流，有時(shí)需通反向電流。這樣的繞組需要用H橋驅(qū)動。由四個(gè)晶體管T1T4組成H橋的四臂，高壓管T1、T3的集電

34、極接高壓電源，低壓管T2、T4的發(fā)射極共地。當(dāng)輸入信號IR為高電平時(shí)，T2、T3導(dǎo)通T1、T4截止，電流經(jīng)T2、電動機(jī)繞組、T3到地，見圖2-4a。當(dāng)If為高電平時(shí)，T1、T4導(dǎo)通，T2、T3截止，電流經(jīng)T1、電動機(jī)繞組、T4到地，見圖2.4(b)?？梢婋娏髟诶@組中流動是兩個(gè)完全相反的方向。推動級的信號邏輯應(yīng)使兩對角線晶體管不能同時(shí)導(dǎo)通，以免造成上下壓管的直通。直通的結(jié)果會使很大的短路電流流過兩個(gè)晶體管，這是非常危險(xiǎn)。(a)(b)圖 2-4 不同對角線晶體管導(dǎo)通時(shí)電流的方向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的直流供電電源確實(shí)定1電壓確實(shí)定混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的圍比方IM483的供電電壓

35、為1248V，電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，則電壓取值也高，但電源電壓不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。2電流確實(shí)定供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)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(guān)電源，電源電流一般可取I的1.52.0倍。2.3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由步進(jìn)控制器、功率放大器和步進(jìn)電機(jī)組成，如圖2-5所示。步進(jìn)控制器功率放大器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載脈沖方向控制圖 2-5 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成圖步進(jìn)控制器包括緩沖存放器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正反轉(zhuǎn)控制門等。其作用是把輸入脈

36、沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動和正反向控制。功率放大器的作用是將步進(jìn)控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。在這種控制中，由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜，本錢高，限制了它的應(yīng)用。隨著微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。這不僅簡化了線路，降低了本錢，而且控制方便，提高了可靠性。如圖2-6為微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)造圖。微型計(jì)算機(jī)接口驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載圖 2-6 微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)造圖在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過程中，將可能出現(xiàn)失步，其失步原因有兩種：1轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場，也就是低于換相

37、速度而產(chǎn)生的。這是因?yàn)檩斎腚姍C(jī)的電能缺乏，在步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生的同步力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)，從而引起失步。2轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度，這時(shí)定子通電勵磁的時(shí)間較長，大于轉(zhuǎn)子步進(jìn)一步所需要的時(shí)間，則轉(zhuǎn)子在步進(jìn)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(dāng)振蕩足夠嚴(yán)重時(shí)就會導(dǎo)致失步。第三章 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的方法3.1 步進(jìn)電機(jī)控制方法 串行方式將PIC單片機(jī)與串行接口芯片8251組成串行控制系統(tǒng)，與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，如圖3-1所示。PIC8251T*DR*D環(huán)形分配器功率放大器

38、步進(jìn)電機(jī)圖 3-1串行控制方式示意 并行方式用PIC單片機(jī)和P1的數(shù)據(jù)輸出信號直接控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動電路的方式，稱為并行控制。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源包括環(huán)形分配器，但其功能由單片機(jī)系統(tǒng)完成。由系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止信號，主要有存放器移位法和緩沖區(qū)查表法；二是軟硬件相結(jié)合的方法，單片機(jī)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(jìn)電機(jī)的各相導(dǎo)通或截止的控制信號。3.2 PIC單片機(jī)介紹3.2.1 PIC單片機(jī)介紹PIC系列單片機(jī)是由美國Microchip公司生產(chǎn)的單片機(jī)產(chǎn)品，目前在世界8位單片機(jī)沖銷量第

39、一。PIC系列單片機(jī)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(shè)、家電控制、電信通信、智能儀器、汽車電子及金融電子等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。PIC單片機(jī)Peripheral Interface Controller是一種控制外圍設(shè)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(jì)算機(jī)。PIC系列單片機(jī)是一種具有分散多任務(wù)功能的、面對控制應(yīng)用的一種微處理器。它采用精簡指令集、哈佛總線構(gòu)造、二級流水線指令方式。除了具有一般單片機(jī)所具有的實(shí)用、低價(jià)、低功耗、高速度、體積小、功能強(qiáng)等特點(diǎn)外，還具有品種多、指令集小、簡單易學(xué)、較強(qiáng)的抗干擾能力、徹底的

40、性、自帶看門狗定時(shí)器等特點(diǎn)，表達(dá)了單片機(jī)開展的一種新趨勢。3.2.2 PIC系列單片機(jī)的構(gòu)造PIC系列單片機(jī)映入了原用于小型計(jì)算機(jī)的雙總線和兩級指令流水構(gòu)造。1雙總線構(gòu)造在這里PIC系列單片機(jī)采用了一種雙總線構(gòu)造，即所謂哈佛構(gòu)造。這種構(gòu)造有兩種總線，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(jī)是8位機(jī)，所以其數(shù)據(jù)總線當(dāng)然是8位。但低檔、中檔和高檔的PIC系列機(jī)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?yàn)橹噶畹奈粩?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(qiáng)。一條12位、14

41、位或16位的指令可能會具有兩條8位指令的功能。因此，PIC系列單片機(jī)的指令與CISC構(gòu)造的單片機(jī)指令相比，前者的指令總數(shù)即RISC指令集要少得多。2兩級指令流水線構(gòu)造由于PIC系列單片機(jī)采用了指令空間和數(shù)據(jù)空間分開的哈佛構(gòu)造，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(shí)交疊進(jìn)展，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構(gòu)造。當(dāng)?shù)谝粭l指令被取出后，隨即進(jìn)入執(zhí)行階段，這時(shí)可能會從*存放器取數(shù)而送至另一存放器，或從一端口向存放器傳送數(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(shí)間，程序總線有空，可以同時(shí)取出第二條指令。當(dāng)?shù)谝粭l指令執(zhí)行完畢，就可執(zhí)行第二

42、條指令，同時(shí)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(shí)進(jìn)展的，使得在每個(gè)時(shí)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(jìn)展的，但在PIC單片機(jī)指令流水線構(gòu)造中，取指令和執(zhí)行指令在時(shí)間上是互相重疊的，所以用PIC系列單片機(jī)才可實(shí)現(xiàn)單周期指令。只有涉及到改變程序計(jì)數(shù)器PC值得程序分支指令例如GOTO、CALL等才需要兩個(gè)周期。此外，PIC的構(gòu)造特點(diǎn)還表達(dá)在存放器組上，如存放器I/O端口、定時(shí)器和程序存放器等都采用了RAM構(gòu)造形式，而且都只需要一個(gè)周期就可以完成和操作。而其他單片機(jī)常需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的周期才能改變存放器的容

43、。上述各項(xiàng)就是PIC系列單片機(jī)能做到指令總數(shù)少，且大都為單周期指令的重要原因。3.3 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制的最大特點(diǎn)是開環(huán)控制，不需要反響信號。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)動不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖3-2圖3-2 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)假定以PIC單片機(jī)的PB口線接步進(jìn)電機(jī)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100000011AB03H200000110BC06H300000101CA05H假定有如下工作單元和工作位定義：R0為步進(jìn)數(shù)存放器；PSW中，F(xiàn)0

44、為方向標(biāo)志位，F(xiàn)0=0正轉(zhuǎn)，F(xiàn)00反轉(zhuǎn)。參考程序如下：MAIN:BSFSTATUS,RP0CLRFTRISCBCFSTATUS,RP0JUDGE:BTFSSPORTC,6;判正反轉(zhuǎn)GOTOANTICLOCKWISEGOTOCLOCKWISEANTICLOCKWISE:;按照逆時(shí)針步序進(jìn)展MOVLW03H;第一拍MOVWFPORTB;向端口B送入數(shù)值03HCALLDELAY;延時(shí)MOVLW06H;第二拍MOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW05H;第三拍MOVWFPORTBCALLDELAYGOTOJUDGECLOCKWISE:MOVLW03HMOVWFPORTBCALLDELAYMO

45、VLW05HMOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW06HMOVWFPORTBCALLDELAYGOTOJUDGEEND2三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(yù)先存放在部RAM單元中，運(yùn)行程序時(shí)以查表的方式逐個(gè)取出并輸出。MAIN:BSFSTATUS,RP0CLRFTRISCBCFSTATUS,RP0JUDGE:BTFSSPORTC,6;判正反轉(zhuǎn)GOTOANTICLOCKWISEGOTOCLOCKWISEANTICLOCKWISE:;按照逆時(shí)針步序進(jìn)展MOVLW01H;第一拍MOVWFP

46、ORTB;向端口B送入數(shù)值03HCALLDELAYMOVLW03H;第二拍MOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW02H;第三拍MOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW06H;第四拍MOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW04H;第五拍MOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW05H;第六拍MOVWFPORTBCALLDELAYGOTOJUDGECLOCKWISE:MOVLW01HMOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW03HMOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW02HMOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW06HMOVWFPORTBCA

47、LLDELAYMOVLW04HMOVWFPORTBCALLDELAYMOVLW05HMOVWFPORTBCALLDELAYGOTOJUDGEEND延時(shí)子函數(shù)：DELAY: MOVLW 03H MOVWF DL_COUNTERDLP: MOVLW 6FH MOVWF DL_COUNTER1DLP1: DECFSZ DL_COUNTER1,1 GOTO DLP1 DECFSZ DL_COUNTER,1 GOTO DLP RETURN第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)造計(jì)算機(jī)的硬件和軟件是相互結(jié)合而工作的，有些任務(wù)必須由硬件來實(shí)現(xiàn)，另外有些任務(wù)必須由軟件來實(shí)現(xiàn)。但是也有一些任務(wù)即可以由軟件來完成

48、，也可由硬件來完成。一般來說，增加硬件會提高本錢，但能簡化設(shè)計(jì)程序，且實(shí)時(shí)性好。反之，加重軟件任務(wù)，會增加編程調(diào)試工作量，但能降低硬件本錢。所以要合理的安排軟、硬件的構(gòu)造。圖 4-1 系統(tǒng)硬件構(gòu)造系統(tǒng)的硬件框圖如圖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(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路構(gòu)成。由于本微機(jī)控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心部件，利用單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)從元件進(jìn)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)任務(wù)需要，選擇合理的單片機(jī)并配置必須的接口和外圍設(shè)備來構(gòu)成系統(tǒng)。4.2 模擬步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路本系統(tǒng)是由單片機(jī)PC口輸出的脈沖信號來控制步進(jìn)電機(jī)，用4個(gè)發(fā)光二極管LED亮滅的快慢來模擬電機(jī)速度，用L

49、ED亮滅的順序來模擬電機(jī)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(qiáng)。輸出通道的設(shè)計(jì)容是確定通道構(gòu)造和元件裝置，合理選擇驅(qū)動電路。本系統(tǒng)的輸出通道也就是控制步進(jìn)電機(jī)的通道，由于PIC單片機(jī)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(jìn)電機(jī)進(jìn)展控制需要PC口中的三位。四相、五相需要PC口的四、五位。本來單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口需由專用的控制裝置實(shí)現(xiàn)，這里單片機(jī)與模擬步進(jìn)電機(jī)的發(fā)光二極管通過直接連接的方法實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配由單片機(jī)通過軟件控制構(gòu)成環(huán)形分配器。發(fā)光二極管模擬步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路如圖4-2所示。

50、圖 4-2 模擬步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路4.3 LED顯示接口電路LED顯示器的發(fā)光二極管有兩種連接方法，共陽極接法和共陰極法。本設(shè)計(jì)采用共陰極接法。七段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)八段，因此提供應(yīng)LED顯示器的字行代碼正好是一個(gè)字節(jié)。LED顯示器顯示十六進(jìn)制數(shù)字行代碼在表4-1中給出。表 4-1 十六進(jìn)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00*C00*CFD0*A10*5E1O*F90*06E0*860*792O*A4O*5BF0*8E0*713O*B00*4FG0*900*6040*990*66R0*AF0*5050*920*6DS0*E20*1D60*820*7D

51、T0*870*7870*F80*07P0*8C0*7380*80O*7FN0*AB0*5490*900*6FU0*E30*1CA0*880*77-0*F70*08B0*830*7C滅O*FF0*00CO*C60*39LED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(yīng)發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止。動態(tài)顯示就是一位一位輪流點(diǎn)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(gè)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-并行移位存放器，實(shí)際上是由RS觸發(fā)器組成的8位移位存放器。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。這種功能能夠

52、實(shí)現(xiàn)代碼顯示的進(jìn)位和借位。74LS164的引腳如圖4-3所示。A1B2QA3QB4QC5QD6CLK8CLR9QE10QF11QG12QH1374LS164圖 4-3 74LS164引腳單片機(jī)與LED間串口串行通信，P3.0為串行數(shù)據(jù)承受端R*D，P3.1為串行數(shù)據(jù)發(fā)送端T*D。單片機(jī)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P3.0R*D管腳輸出或輸入，而P3.1T*D管腳總用于輸出移位脈沖，每一個(gè)移位脈沖將使R*D端輸出或者輸入一個(gè)二進(jìn)制碼。在T*D端的移位脈沖即為模式0的波特率，其值固定為晶振頻率f的1/12，即每個(gè)機(jī)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。

53、圖 4-4 串行顯示接口4.4 鍵盤接口設(shè)計(jì)有關(guān)鍵盤操作的局部，可分為參數(shù)設(shè)定和執(zhí)行控制等功能操作。所謂參數(shù)設(shè)定是指本模擬系統(tǒng)在開場運(yùn)行前要求設(shè)置步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的相數(shù)、拍數(shù)、轉(zhuǎn)向、運(yùn)行步數(shù)等，所以要進(jìn)展按鍵輸入數(shù)值以傳入?yún)?shù)。所謂執(zhí)行控制是指步進(jìn)電機(jī)的啟動、停頓以及復(fù)位。各功能鍵具體設(shè)計(jì)如下：S1鍵：啟動。S2鍵：停頓。S3鍵：正轉(zhuǎn)。S4鍵：反轉(zhuǎn)。S5鍵：加速。S6鍵：減速。S7鍵：相數(shù)。S8鍵：由于外因?qū)е孪到y(tǒng)死機(jī)時(shí)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(zhuǎn)法。在本系統(tǒng)中選擇行掃描法，8個(gè)功能鍵可看成一個(gè)1行8列的矩陣式鍵盤。因行線接地線

54、，各行線均為低電平。行線鍵無鍵按下時(shí)，行線、列線斷開，行線所接端口得到的全是0信號，當(dāng)列線輸出是高電平時(shí)，有鍵按以下線變?yōu)榈碗娖?。此時(shí)讀到的鍵值就是按下的鍵。為防止雙鍵或者多鍵同時(shí)按下，往往從第0行一直掃描到最后一行，假設(shè)發(fā)現(xiàn)1個(gè)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(shí)間很短，僅十幾微秒，而按鍵時(shí)間一次至少幾十毫秒，所以只要有鍵按下，都能被掃描到。鍵是機(jī)械開關(guān)構(gòu)造，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性及電壓突跳等原因，在觸點(diǎn)閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動，所以要進(jìn)展鍵的去抖動處理。用軟件延時(shí)可以躲過抖動，大約延時(shí)10ms即可。本系統(tǒng)鍵盤接口電路由CPU、鍵盤構(gòu)成。CPU的P1.0P

55、1.6端口發(fā)出脈沖對鍵盤進(jìn)展掃描，CPU不斷對列線置高電平，有按鍵按下則列線低電平，另外復(fù)位鍵直接和單片機(jī)的RESET端口相連，作為外因?qū)е孪到y(tǒng)死機(jī)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4.5 石英多諧振蕩器電路設(shè)計(jì)多諧振蕩器是一種自鼓勵振蕩器，在接通電源之后，不需要外加觸發(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(yán)格要求，因?yàn)檎袷幤髯鳛槟M步進(jìn)電機(jī)的脈沖源使用，它的頻率直接影響著電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)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

56、關(guān)。石英晶體的諧振頻率由石英晶體的結(jié)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)定度可到達(dá)，工作頻率可到達(dá)幾十兆赫。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振蕩器。圖 4-6 石英晶體多諧振蕩器接口4.6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假設(shè)干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動機(jī)同軸,電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn),經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出假設(shè)干脈沖信號,其原理示意圖如圖4-7所示,通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電

57、動機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外,為判斷旋轉(zhuǎn)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增量式編碼器增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)方向,而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖,用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單,機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上,抗干擾能力強(qiáng),可靠性高,適用于長距離傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)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假設(shè)干同心碼道,每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相

58、間組成,相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系,碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù),在碼盤的一側(cè)是光源,另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件;當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí),各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號,形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器,在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然,碼道越多,分辨率就越高,對于一個(gè)具有N位二進(jìn)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(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制(萊碼)方式進(jìn)展光電轉(zhuǎn)換的。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是: 可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值沒有累積誤差電源切除后位置信息不會喪失。但是分辨率是由

59、二進(jìn)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(diǎn)是引出線較多,信號線數(shù)量與二進(jìn)制的位數(shù)一樣。3混合式絕對值編碼器混合式絕對值編碼器,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一樣。增量式編碼器實(shí)際上是一種旋轉(zhuǎn)式角位移檢測裝置，它根據(jù)軸所轉(zhuǎn)過的角度，輸出一系列脈沖，能將機(jī)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(gè)脈沖代表被測對象旋轉(zhuǎn)了一定的角度，A、B之間的相位關(guān)系則反映了被測對象的旋轉(zhuǎn)方向，即當(dāng)A相超前B相，轉(zhuǎn)動方向?yàn)檎D(zhuǎn)；當(dāng)B相超前A相時(shí)，轉(zhuǎn)動方向?yàn)榉?/p>

60、轉(zhuǎn)。Z信號是一個(gè)代表零位的脈沖信號，可用于調(diào)零、對位。(a)編碼器正轉(zhuǎn)輸出 (b)編碼器反轉(zhuǎn)輸出圖4-2 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(jī)、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(jìn)展計(jì)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(dāng)片選信號CS變?yōu)榈碗娖胶?，DATA引腳上的數(shù)據(jù)在CL