【正文】 ............................................... 22 （一）步進(jìn)脈沖產(chǎn)生模塊 ................................................................................... 22 （二）系統(tǒng)中斷模塊 ........................................................................................... 24 （三）步進(jìn)電機(jī)加減速模塊 ............................................................................... 25 結(jié)論 .............................................................................................................................. 28 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 29 致謝 .............................................................................................................................. 30 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計 1 緒 論 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電動機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度，具有快速啟動和停止的特點(diǎn)。其驅(qū)動速度和指令脈沖嚴(yán)格同步，具有較高的重復(fù)定位精度，并能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和平滑速度調(diào)節(jié)。它的運(yùn)行速度和步距 不受電源電壓波動和負(fù)載的影響，而且由于步進(jìn)電動機(jī)組成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，性能上能滿足工業(yè)控制的基本要求，在簡易數(shù)控機(jī)床，數(shù)字繪圖儀，點(diǎn)陣打印機(jī)，家用電器等大量角度、速度、位移控制系統(tǒng)中，得到了極其廣泛的應(yīng)用 [1]。 但是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動信號往往還是有專門的模擬芯片控制器或者信號發(fā)生器產(chǎn)生，缺乏靈活性和可靠性。尤其在一些智能化要求較高的場合，用模擬芯片及信號發(fā)生器來控制步進(jìn)電機(jī)有一定的局限 [2]。而利用單片機(jī)進(jìn)行脈沖控制，控制精度高，外圍電路相對也比較簡單，因此在工業(yè)應(yīng)用場合，基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制 器應(yīng)用廣泛。 PIC 系列 8 位單片機(jī)是美國 Microchip Technology 公司推出的精簡指令集計算機(jī)（ RISC）結(jié)構(gòu)的嵌入式控制器，其硬件系統(tǒng)設(shè)計簡潔，指令系統(tǒng)設(shè)計簡練。 PIC 系列單片機(jī)具有體積小，功能強(qiáng)，功耗低、設(shè)計開發(fā)靈活方便和價格低廉等特點(diǎn)，可以應(yīng)用在數(shù)字化儀器儀表，自動測試和控制，智能化家用電器等領(lǐng)域 [3]。 基于 PIC 單片機(jī)的上述特點(diǎn)， 本設(shè)計采用 PIC16F877 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心 ，具體介紹了一個步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，既包括硬件設(shè)計，也有具體的軟件實現(xiàn)。 該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能 ： 1．通過鍵盤可以設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)數(shù)（以整轉(zhuǎn)為單位）， 2．通過鍵盤可以設(shè)定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向， 3．鍵盤所設(shè)置的參數(shù)可以通過 LCD進(jìn)行實時顯示。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計 2 第一章 控制系統(tǒng)實現(xiàn)原理 一、 步進(jìn)電機(jī)的分類 和主要性能指標(biāo) （ 一 ） 步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電機(jī)可分為 3 大類 1． 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī) 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是有軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組，定子上有多相勵磁繞組。 它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做的很小， 一般為 度， 但 噪聲和振動都很大 [4]。 2． 永磁式步進(jìn)電動機(jī) 永磁式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身 就是一個磁源。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好。轉(zhuǎn)子的級數(shù)與定子的級數(shù)相同，所以步距角較大 ，一般為 度或 15 度 。需供給正負(fù)脈沖信號 [4]。 3． 混合式步進(jìn)電動機(jī) 混合式步進(jìn)電動機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好 。它又分為兩相 、三相 和五相：兩相步距角一般為 度而五相步距角一般為 度。這種步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最為廣泛，也是本控制系統(tǒng)所選用的步進(jìn)電動機(jī) [4]。 （二） 步進(jìn)電機(jī)的 主要性能指標(biāo) 1． 電機(jī)固有步距角 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)出一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步 距角的值，如本設(shè)計所選用的 KP39HM2025 型電機(jī)給出的值為 176。/176。（表示半步工作時為 176。，整步工作時為 176。），即電機(jī)固有步距角。它不一定 是電機(jī)實際工作時的真正步距角，真正步距角和驅(qū)動器有關(guān) [5]。 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)的相數(shù)不同，其步距角也不同，一般 二相電機(jī)的步距角為 176。/176。、三相的為 176。/176。、五相的為 176。/176。[5]。 3． 電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩 保持轉(zhuǎn)矩 指電機(jī)各相繞組通 額定電流，且處于靜態(tài)鎖定狀態(tài)時，電機(jī)所能輸出的 最基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計 3 大轉(zhuǎn)矩 。 通常電動機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(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變化而變化 [5]。 4． 啟動頻率 啟動頻率又稱突跳頻率，是指步進(jìn)電機(jī)能夠不失步啟動的最高頻率，是步進(jìn)電動機(jī)的一項重要指標(biāo)。負(fù)載啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩即慣量的大小有關(guān)。負(fù)載量一定，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，或負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，負(fù)載慣量增加，都會使啟動頻率下降 [5]。 5． 運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)啟動后，控制脈沖頻率連續(xù)上升而維持不失步的最高頻率，稱為運(yùn)行頻率 。通常給出的也是空載情 況下的運(yùn)行頻率 [5]。 二、 步進(jìn)電動機(jī) 的結(jié)構(gòu)及工作原理 （一） 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 1． 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖 11 是一個三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，它分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分。定子由硅鋼片疊成。定子上有 6 個磁極，每兩個相對的磁極組成一對，共有三對。每對磁極都纏有同一繞組，也即形成一相 。每個磁極內(nèi)表面都分布著許多小齒，它們大小相同，間距相同。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動的動力來自于電磁力，在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)行 推動到最大磁導(dǎo)率的位置即對齒的位置，并處于平衡狀態(tài)。 當(dāng)某一相的磁極處于最大 磁導(dǎo)位置時，另外兩相必須處于非最大磁導(dǎo)位置，即錯齒位置 [6]。 1定子 2轉(zhuǎn)子 3定子繞組 圖 11 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu) [6] 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計 4 2． 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 如果給處于錯齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大的位置轉(zhuǎn)動，即向趨于對齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電動機(jī)就是基于這一原理轉(zhuǎn)動的。 下面以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，起典型結(jié)構(gòu)如圖 12 所示。當(dāng) A 相控制繞組接通脈沖電流時，在電磁力作用下使 A 相的定、轉(zhuǎn)子對齊，相鄰的 B 相和 C 相小齒錯開。若換成 B 相通電，則電磁力使 B 相定、轉(zhuǎn)子小齒轉(zhuǎn) 過，而與 B 相相鄰的 C 相和 A 相的定、轉(zhuǎn)子小齒又錯開，即步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)過一個步距角。 圖 12 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理 [1] 若按 A→ B→ C→ A 循環(huán)順序通電，則步進(jìn)電機(jī)按一定方向轉(zhuǎn)動。若改變通電順序為 A→ C→ B→ A，則電動機(jī)反向轉(zhuǎn)動，這種控制方式成為三相單三拍。按 AB→ BC→CA→ AB 或 A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→ A 順序通電則稱為三相雙三拍或三相單、雙六拍。無論采用何種控制方式，在一個通電循環(huán)內(nèi)步進(jìn)單機(jī)轉(zhuǎn)角恒為一步距角，可以通過改變步進(jìn)電機(jī)通電循環(huán)次序來改變轉(zhuǎn)動方向，通過改變通電頻率來改變其角頻率 [1]。 （二） 混合式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 由于本設(shè)計是選用 KP39HM2025 型混合式步進(jìn)電動機(jī)作為控制對象，下面主要介紹混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。 混合式步進(jìn)電動機(jī)又稱為感應(yīng)子式步進(jìn)電動機(jī)，它的定子鐵心與反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)相同，即分為若干大極，每個大極上有小齒及控制繞組；定子控制繞組與永磁式步進(jìn)電動機(jī)相同，也是兩相集中繞組，每相繞組有兩對極，按 A→B→ （ A） → （ B） →A…的順序輪流通以正負(fù)脈沖；轉(zhuǎn)子中間為環(huán)形軸向磁化的永磁體，磁體兩端各套有一段開基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計 5 有齒槽的鐵心，兩段齒心錯開半個齒距，且轉(zhuǎn)子齒距與定 子小齒的齒距相等。 由于定子同一個極的兩端極性相同，轉(zhuǎn)子兩端極性相反，且錯開半個齒距，所以當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離平衡位置時，兩端作用轉(zhuǎn)矩的方向是一致的。當(dāng)定子各相繞組按順序通以直流脈沖時，轉(zhuǎn)子每次將轉(zhuǎn)過一個步距角。 這種電機(jī)可以像反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)那樣做成小步距角，并有較高的啟動頻率，同時它具有控制功率小的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，由于采用永磁體，轉(zhuǎn)子鐵心需分成兩段，結(jié)構(gòu)和工藝都比反應(yīng)式要復(fù)雜一些 [6]。 （三） KP39M2025 型混合式步進(jìn)電動機(jī)的工作方式 經(jīng)實驗測定，該類型混合式步進(jìn)電動機(jī)以 兩相雙 四拍工作方式進(jìn)行工作 。 該步進(jìn)電動 機(jī)的正轉(zhuǎn)通電順序為 AB→ A(B)→ (A)(B)→ (A)B→A B… ；反轉(zhuǎn)通電順序為AB→ (A)B→ (A)( B)→ A(B)→A B… 。 雙 四拍工作時各相通電的電壓和電流波形如圖13，圖 14 所示。 雙四拍方式還有一個優(yōu)點(diǎn)就是不易產(chǎn)生失步。這是因為 當(dāng)兩相通電后，兩相繞組中的電流幅值不同，產(chǎn)生電磁力的作用方向也不同，所以，其中一相產(chǎn)生的電磁力起到阻尼作用。繞組中的電流越大，阻尼作用就越大，這有利于步進(jìn)電機(jī)在低頻區(qū)工作 [4]。 圖 13 正向旋轉(zhuǎn)、雙四拍工作方式時的相電壓，電流波形 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計 6 圖 14 反向旋轉(zhuǎn)，雙四拍工作方式時的相電壓，電流波形 （四） 步進(jìn)電動機(jī)的加減速 步進(jìn)電機(jī)有一個空載啟動頻率 fa， 即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能正常啟動的脈 沖頻率 。 若脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，會發(fā)生失步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象 。 而在有負(fù)載的情況下，正常啟動頻率應(yīng)該更低。在停止時也應(yīng)該有一個減速過程，而不能突然停止，否則會出現(xiàn)超程現(xiàn)象 ，因此步進(jìn)電機(jī)需要加速啟動和減速停止 [7]。 升降速有 兩 種方法：直線升降法，指數(shù)曲線升降法 。 勻加減速控制是指加速度保持不變，速度以線性規(guī)律上升或下降，如圖 15 所示。這種控制方法軟件實現(xiàn)比較簡單 ，適用速度變化較大的快速定位，但是該方法不完全符合步進(jìn)電機(jī)的速度變化規(guī)律 ， 效果不是很理想。 f bf a? f? tt / s 圖 15 勻加減速控制 [7] 指數(shù)曲線控制是指在加速或減速時步進(jìn)電機(jī)的速度 呈指數(shù)曲線變化 。指數(shù)曲線 如圖16 所示，在開始時加速度最大，隨著時間的推移，加速度逐漸減小，在理想情況下應(yīng)該減小為零，這種方法符合步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性，快速響應(yīng)特性好，升降時間短 。因此基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計 7 采用指數(shù)曲線控制法是最好的選擇 [7]。 如果采用指數(shù)曲線升降法，要用離散法將加減速曲線離散化。將離散所得的 轉(zhuǎn)速序列所對應(yīng)的定時常數(shù)序列，做成表格儲存在程序控制器中。在程序運(yùn)行中，使用查表的方式 重裝定時常數(shù)，這樣做比用計算法節(jié)省時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度 [7]。 f bf at / s 圖 16 指數(shù)曲線控制 [7] 由于本次設(shè)計選用的步進(jìn)電機(jī)為混合是步進(jìn)電動機(jī)，且輸出功率較小，多用于對控制精度 要求相對 不高的場合，因此采用勻加減速控制方法來實現(xiàn) 控制系統(tǒng) 運(yùn)行過程中的加減速。 三、 液晶顯示模塊 OCMJ48C （一） 帶有中文字庫圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊的應(yīng)用 隨著儀表的智能化以及人們對顯示信息和 操作界面要求的不斷提高，液晶顯示器件得到了廣泛的應(yīng)用。自上個世紀(jì)七十年代初，液晶開始作為一種顯示媒體使用以來，液晶顯示器件 LCD 以其具有體積小，重量輕，超薄型，工作電壓低，功耗低，顯示信息量大，壽命長，不產(chǎn)生電磁輻射污染，可以顯示復(fù)雜的文字 ，圖形，表格及曲線等優(yōu)點(diǎn)，在儀表設(shè)備中作為顯示終端和人機(jī)接口，而被廣泛在各種儀器儀表，電子設(shè)備，移動通訊及家用電器中 [8]。 液晶顯示模塊是將液晶顯示器件，連接件，驅(qū)動控制器， PCB 線路板，背光源，結(jié)構(gòu)件等裝配在一起的組件 ， 簡稱 LCM。根據(jù) 液晶 顯示器件結(jié)構(gòu)的不同， 液晶 顯示 模塊可以分為段式和點(diǎn)陣式兩種。 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，段式 LED 顯示應(yīng)用比較廣泛，但由于電極引出線數(shù)量少，一般只能用于顯示數(shù)字和個別字符，無法顯示更多復(fù)雜的字符，而點(diǎn)陣型液晶顯示器則可以解決這個問題。本系統(tǒng)采用的液晶顯示模塊作為人機(jī)交基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計 8 互的接口體現(xiàn)了數(shù)字化的優(yōu)勢， 能夠根據(jù)用戶的需求對 步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài) 的參數(shù) 進(jìn)行 設(shè)置 [8][9]。 （二） OCMJ48C 液晶顯示模塊的功能 本設(shè)計采用 OCMJ48C 液晶顯示模塊作為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的顯示部分，下 面