【正文】 無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 5 第二章 控制系統(tǒng)硬件 分析與 設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實(shí)際上是一種單相或多相同步電動(dòng)機(jī)。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動(dòng)，輸出功率一般很小，其用途為微小功率 驅(qū)動(dòng)。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動(dòng)，用途很廣。 使用多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，單路電脈沖信號(hào)可先通過(guò)脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號(hào)，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組。每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電動(dòng)機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（稱為步距角）。 正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。 步進(jìn)電機(jī)的 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，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)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)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(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。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： 通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī) 的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)?A— B— C— D，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 相的通斷。 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)。 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，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(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 1. 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%，角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比 ，沒(méi)有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。 2. 步進(jìn)電機(jī)外表 不 允許較高的溫度。 步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)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(lái)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 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 3. 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 6 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。 4. 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 5. 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常的可靠。同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 6. 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停，正反轉(zhuǎn)及變速。 7. 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大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 8. 步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 9. 步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和 機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。 10. 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn) ,但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng) ,并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電動(dòng)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)的發(fā)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(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)的分類 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。 1. 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 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。 2. 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 度 或 15 度； 3. 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 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，性能最好。 永磁步進(jìn)電機(jī)的控制原理 在本設(shè)計(jì)以常用的永磁式步進(jìn)電機(jī)為例，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。 其接線圖如圖 所示 : 圖 CZ2801 型永磁步進(jìn)電機(jī)接線圖 無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 7 從圖中可以看出，電機(jī)共有四組線圈，四組線圈的一個(gè)端點(diǎn)連在一起引出，這樣一共有 5 根引出線。要使用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，只要輪流給各引出端通電即可。將 COM 端標(biāo)識(shí)為 C，只要 AC、 BC 或 /AC、 /BC，輪流加電就能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，加電的方式可以有多種，如果將 COM 端接正電源，那么只要用開(kāi)關(guān)元件（如三極管） ，將 A、 B或 /A、/B 輪流接地。 不難設(shè)計(jì)出控制電路，因其工作電壓為 12V，因此用一塊開(kāi)路輸出達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器（這里用 ULN2021，關(guān)于 ULN2021 將在后面介紹）作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò) 、 來(lái)控制各線圈的接通與切斷。開(kāi)機(jī)時(shí)， 、 均為高電平，依次將 、 （或 、 反向）切換為低電平即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度只要改變兩次接通之間的時(shí)間。改變轉(zhuǎn)速，只要改變 、 （或 、 反向）輪流變低電平的時(shí)間即可達(dá)到要求，因?yàn)椴粫?huì)影響到其他功能的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)時(shí)間可以用延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里以定時(shí)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面首先計(jì)算一下定時(shí)時(shí)間。 按要求，最低轉(zhuǎn)速為 20 轉(zhuǎn) /分，而上述步進(jìn)電機(jī)的步距角為 ，即每 48 個(gè)脈沖為 1 周，即在最低轉(zhuǎn)速時(shí)，要求為 960 脈沖 /分，相當(dāng)于 。而在最高轉(zhuǎn)速時(shí)，要求為 100 轉(zhuǎn) /分，即 48000 脈沖 /分，相當(dāng)于 。 單片機(jī)的選擇 本次設(shè)計(jì)選用 AT89C5l 作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片． AT89C51 的結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬(wàn)次以上．使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容 MCS5l 系列單片機(jī)的所有功能。 AT89C51 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 MCS51 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，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 單片機(jī)的引腳 功能 （ 1） VCC（ 40）：電源 +5V。 （ 2） VSS（ 20）：接地，也就是 GND。 （ 3） XTL1（ 19）和 XTL2（ 18）：振蕩電路。單片機(jī)是一種時(shí)序電路，必須有脈沖信號(hào)才能工作，在它的內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個(gè)電容和一個(gè)晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時(shí)，需在 XTL2 上加外部時(shí)鐘信號(hào) 。 （ 4） PSEN（ 29）：片外 ROM 選通信號(hào)，低電平有效。 （ 5） ALE/PROG（ 30）：地址鎖存信號(hào)輸出端 /EPROM 編程脈沖輸入端。 （ 6） RST/VPD（ 9）：復(fù)位信號(hào)輸入端 /備用電源輸入端。 （ 7） EA/VPP（ 31）：內(nèi) /外部 ROM 選擇端。 （ 8） P0 口（ 3932）：雙向 I/O 口。 （ 9） P1 口（ 18）：準(zhǔn)雙向通用 I/0 口。 （ 10） P2 口（ 2128）：準(zhǔn)雙向 I/0 口。 主要特性 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 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)無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 8 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 （ 1） 振蕩器特性： XTAL1 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，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 （ 2） 芯片擦除： 整個(gè) PEROM 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 “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， AT89C51 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 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。 步進(jìn) 電機(jī)控制系統(tǒng)的組成 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)共分為六個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)模塊、鍵盤控制模塊、數(shù)碼顯示模塊 、測(cè)速模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊。 。復(fù)位電路為單片機(jī)系統(tǒng)提供可靠復(fù)位，使單片機(jī)能正常啟動(dòng)。時(shí)鐘電路采用外部時(shí)鐘方式，保證單片機(jī)個(gè)功能部件都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。 、加速鍵和減速鍵、啟停鍵，分別與單片機(jī)的 、 和 相連。實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。并且鍵盤上連接有發(fā)光二極管，以指示鍵盤狀態(tài)。 。利用 I/O口為數(shù)碼管的 端提供低電平。二號(hào)單片機(jī)的 P1 口提供數(shù)碼管的段選信號(hào)， 和 控制數(shù)碼管的位選信號(hào)。 ，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤每次帶動(dòng)小磁片經(jīng)過(guò)霍爾片時(shí)，其都將有脈沖信號(hào)從霍爾片輸出。單片機(jī)外部中斷口對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。 NPN達(dá)林頓連接晶體管 ULN2021為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。該模塊與單片機(jī)的 — 相連。 220V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?12V和直流 5V分別供給驅(qū)動(dòng)模塊和單 片機(jī)模塊 。 鍵盤控制電路 鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。鍵盤實(shí)質(zhì)是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合。鍵盤所用開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。 一個(gè)電壓信號(hào)在機(jī)械觸點(diǎn)的斷開(kāi)、閉合過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，一般為 5— 10ms；兩次抖動(dòng)之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時(shí)間由按鍵動(dòng)作所決定；第一次抖動(dòng)前和第二次抖動(dòng)后為斷開(kāi)狀態(tài)。 按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過(guò)對(duì)輸出電平的高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下與否。在本設(shè)計(jì)中，高電平表示 按鍵斷開(kāi)，低電無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 9 平表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個(gè)按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開(kāi)時(shí)，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。 為了確保單片機(jī)對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動(dòng)的影響。消除按鍵抖動(dòng)通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，本設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用，在此不再詳細(xì)敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡(jiǎn)單