【正文】 元件，而單片機在本次畢業(yè)設計中也是一個十分重要的元件。單片機是把微型計算機主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計算機。由于單片機的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內的信號傳送距離，優(yōu)化了結構配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運行速度，同時它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機在工業(yè)過程及設備控制中得到了廣泛的應用。第二節(jié) 設計目的及系統(tǒng)功能本次畢業(yè)設計應用了一片ATMEL公司的AT89C52單片機作為步進電機伺服控制器的核心運算器件，利用單片機強大的運算能力和可編程的特點，可以實現(xiàn)較為復雜的步進電機控制功能。且適應能力強，能夠在不改變硬件電路的情況下，只需對軟件進行必要的修改就可以適應不同的步進電機和控制要求。而且可以做到人機交換，使控制更加的直觀和方便，各種運行狀態(tài)也都有相應的指示，使操作者隨時都能對電機的運行狀況進行方便的了解。一個利用單片機來構成的步迸電機控制系統(tǒng)的優(yōu)點是十分明顯的。根據步進電機將電脈沖轉化為角位移的特點，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而精確地控制轉動角度。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的角度和加速度，從而達到調速的目的。因此，本次畢業(yè)設計就是通過改變脈沖頻率來調節(jié)步進電機的速度的。本次畢業(yè)設計選用四相步進電機，以AT89C52單片機為核心，L297和L298作為驅動芯片，設計出一個由單片機控制步進電機的伺服控制器。通過軟件和硬件的結合實現(xiàn)步進電機的啟停、正轉、反轉、加速、減速功能，并將并電機所處的狀態(tài)用數(shù)碼管顯示出來。第二章 系統(tǒng)硬件分析硬件是整個系統(tǒng)的平臺，各種功能的實現(xiàn)和軟件的運行都是以硬件為基礎的，硬件設計的合理與否從根本上決定了整個系統(tǒng)的質量，所以要對整個系統(tǒng)用到的硬件進行認真的分析。通過對整個系統(tǒng)的硬件分析在學習上及實踐中可以起一定的促進作用。第一節(jié) 系統(tǒng)組成步進電機控制系統(tǒng)是一個有機的完整的整體，由運動控制系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)組成。由操作系統(tǒng)完成把操作者的操作轉化為運動控制系統(tǒng)能接受的電信號，運動控制系統(tǒng)隨之作出反應，完成規(guī)定動作。運動控制是一門有關如何對物體位置和速度進行控制的技術。典型的運動控制系統(tǒng)應由三部份構成：控制部分、驅動部分、執(zhí)行部分。運動控制部件驅動部件執(zhí)行部件運動控制部件 運動控制系統(tǒng)組成在步進電機控制系統(tǒng)中運動執(zhí)行部件為步進電機，步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機的正反轉和電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動，這種裝置就是步進電機驅動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，加以放大以驅動步進電機。步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調速；控制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。因此典型的步進電機驅動控制系統(tǒng)主要由三部分組成：步進控制器、驅動器(把控制器輸出的脈沖加以放大，來驅動步進電機)、步迸電機。不同的控制方案，步進控制器、驅動器也有不同的類型。步進電機是數(shù)控式電機，其最大特點是通過輸入脈沖信號來進行控制，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。它具有輸入脈沖與電機軸轉角成比例的特征，將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此本次畢業(yè)設計選用單片機控制步進電機。電源模塊AT89C52驅動模塊顯示模塊鍵盤模塊 總體設計框圖使用軟件方法，用單片機對步進電機控制(包括控制脈沖的產生和分配)，這樣既簡化了電路，也降低了成本。采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結合的控制方法。系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅動電路。通過軟件的控制，單片機按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機的轉動，從而實現(xiàn)數(shù)字——角度的轉換。轉動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉動的速度與脈沖頻率成正比，而轉動方向則與脈沖的順序有關。電路接在驅動電路和單片機出口之間。由于單片機的強大功能，還可設計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，和單片機端口連接，設置了步進電機啟動、停止、正轉、反轉、加速、減速等功能，采用中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉、反轉速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配。待驅動、晶振、復位、鍵盤、LED顯示各個電路的設計完成之后，進行硬件整合，就是一個完整的步進電機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的軟件設計通常采用模塊化結構，軟件系統(tǒng)總體框架一般包括三部分：主程序、中斷服務子程序以及其他相應的輔助子程序(包括正轉子程序、反轉子程序、加/減速子程序鍵盤子程序、LED顯示子程序以及延時子程序)。第二節(jié) 步進電機簡介步進電動機(Stepping Motor，Step Motor或Steper Motor)是一種由電脈沖控制的特殊同步電動機。其作用是將脈沖電信號變換為相應的線位移或角位移，可以實現(xiàn)信號變換；因此，步進電動機又稱為脈沖電動機（Pulse Motor）。在自動控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)中是應用廣泛的執(zhí)行元件。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。正常情況下，步進電機轉過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，電動機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。一、步進電動機的種類步進電動機的分類方法較多。按工作方式分類：可分為功率式和伺服式兩種。功率式：輸出轉矩較大，能直接帶動較大負載（一般使用反應式、混合式步進電機）。伺服式：輸出轉矩較小，只能帶動較小負載（一般使用永磁式、混合式步進電機）。按勵磁方式分類，可將步進電動機分為永磁式（PM）、反應式（VR）、混合式（HB）三類。目前應用最廣泛的是反應式和混合式步進電動機。①反應式步進電機(Ⅵlriable Reluctance，簡稱VR)反應式步進電機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應式步進電機有單段式和多段式兩種類型。②永磁式步進電機(PeaneIlt Maet，簡稱PM)永磁式步進電機的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。轉子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應式)，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電。③混合式步進電機(Hybrid，簡稱HB)混合式步進電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。二、步進電機的結構及工作原理步進電機主要是有定子和轉子構成。定子的主要結構是繞組，三相、四相、五相步進電機分別有3個、4個、5個繞組，其他依此類推。繞組按一定的通電順序工作，這個通電順序稱為“相序”。轉子的主要結構是磁性轉軸，當定子中的繞組在相序信號作用下有規(guī)律的通電、斷電工作時，轉子周圍就會有一個按此規(guī)律變化的電磁場，因此一個按規(guī)律變化的電磁力就會作用在轉子上，轉子總是力圖轉動到磁阻最小的位置，正是這樣，使得轉子按一定的步距角轉動，使轉子發(fā)生轉動。，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。 四相步進電機步進示意圖（一）步進電機的工作方式開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的4號齒就和C、D相繞組磁極產生錯齒，5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和4號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動，4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產生錯齒，5號齒就和A、D相繞組磁極產生錯齒。依次類推，A、B、C、D。四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。單四拍、。 步進電機工作時序波形圖（二）步進電機的轉向控制如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。對步進電機四個繞組依次實現(xiàn)如下方式的循環(huán)通電控制，單四拍運行：正轉ABCD，反轉DCBA；雙四拍運行：正轉ABBCCDDA，反轉DCCBBAAD；八拍運行：正轉AABBBCCCDDDA，反轉DDCCCBBBAAAD。（三）步進電機的啟?？刂撇竭M電機由于其電氣特性，運轉時會有步進感即振動感，為了使電機轉動平滑，減小振動，可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細分的梯形波；可以減小步進電機的步進角，提高電機運行的平穩(wěn)性。在步進電機停轉時，為了防止因慣性而使電機軸產生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產生鎖定磁力矩鎖定步進電機的轉軸，使步進電機的轉軸不能自由轉動。（四）步進電機的速度控制步進電動機運轉的速度是由輸入到A、B、C、D四相繞組的頻率所決定的。脈沖的頻率越高，電動機運轉的速度越快，否則，速度就越慢。因而通過延時程序控制輸出脈沖的頻率，就可以實現(xiàn)對步進電機速度的控制。速度控制中加/減控制是最基本的控制。電機由靜止到達設定的最大的速度所需的時間是由調試決定的。加速度太大，電機甚至不能克服慣性而失步，加速度太少，則完成指定的運動耗費時間太多。加速度有兩中方案：線性加/減速度控制和等步距加/減速度控制。前者規(guī)定從加速度開始，每一加速度周期指令電機速度遞增相同的增量△f；后者則是要求每一加速度周期電機走過相同的步數(shù)。等步距加/減速度控制的優(yōu)點，在于加/減過程中電機走的步數(shù)可以非常精確的計算，這一點對于加/減的位置控制非常重要，但從電機要克服慣性力來看，線性加速方案好些。調試也方便。 線性加速控制曲線f=(f2f1)/n，其中n為加速過程的臺階數(shù)，減速控制也類似，只是△f為負值。步進電動機的最高起動頻率（突跳頻率），而最高運行頻率則可以達到N*102 KHz。以超過最高起動頻率的頻率直接起動，將出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象，甚至無法起動。較為理想的起動曲線，應是按指數(shù)規(guī)律起動。但實際應用對起動段的處理可采用直線擬合的方法，即“階梯升速法”?？砂磧煞N情況處理：①已知突跳頻率則按突跳頻率分段起動，分段數(shù)n=f/fq。②未知突跳頻率，則按段擬合至給定的起動頻率，每段頻率的遞增量（后稱階梯頻率）△f=f/8，即采用8段擬合。在運行控制過程中，將起始的速度（頻率）分為n分作為階梯頻率，采用“階梯升速法”將速度連續(xù)升到所需要的速度，然后鎖定，按預置的曲線運行。 階梯升速起動三、步進電動機的驅動步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備——步進電機驅動器，驅動器驅動電流流過電機內部線圈、依順序切換激磁相序的方式才能夠讓電機運轉。步進電機驅動系統(tǒng)的性能，除與電機本身的性能有關外，也在很大程度上取決于驅動器的優(yōu)劣。典型的步進電機驅動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅動器和步進電機本體三部分組成。步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進電機驅動器驅動步進電機轉子旋轉一個步距角，即步進一步。步進電機轉速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低?？刂破鞯姆较蛐盘枦Q定步進電機的順時針或逆時針旋轉。通常，步進電機驅動器由邏輯控制電路、功率驅動電路、保護電路和電源組成。步進電機驅動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預先設定的電機通電方式產生步進電機各相勵磁繞組導通或截止信號?？刂齐娐份敵龅男盘柟β屎艿?，不能提供步進電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅動器的功率驅動部分。功率驅動電路向步進電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉磁場，驅動轉子運動。保護電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅動器和電機的運行。步進電機驅動系統(tǒng)的性能，與電機本身的性能也有關。步進電機各相繞組都是在鐵心上的銅線圈，電阻和電感是電機相繞組的兩個固有屬性，電機的性能和這兩個因素密切相關。繞組通電時，電感使繞組電流上升速度受到限制，因此影響電機繞組電流的大小。繞組線圈的電阻是電機溫升和電能損耗的主要因素。 電感電阻串聯(lián)電路及其電流波形步進電機的相繞組可以等效為一個電感一電阻串聯(lián)電路。在t=0時刻，電壓V施加到該電路上時，電路中的電流變化規(guī)律為:I(t)=V(1eRt/L)/R通電瞬間繞組電流上升速率為：di(0)/dt=V/t經過一段時間，電流達到最大值：Imax=V/RL/R定義為該電路的時間常數(shù)，是電路中的電流達到最大電流Imax的63%所需要的時間。在t=t1時刻，電路斷開與直流電壓源V的連接，并且短路，電路中的電流以初始速率一V/L開始下降，電流變化規(guī)律為：I(t)=VeR(tt1)/L/R不同頻率的矩形波電壓施加到該電路上。低頻時電流能夠達到最大值(a)；當矩形波頻率上升達到某一臨界頻率，電流剛達到最大值就開始下降(b)；矩形波頻率超過此臨界值后，繞組中的電流不能達到最大值(c)。因為步進電機轉矩的大小與繞組的電流成正比，所以電機低速運行時，電機能夠達到其額定轉矩，而在某一特定頻率以上運行時，繞組電流隨著頻率的提高逐漸下降，電機轉矩也相應逐漸減小，從而降低了高速運轉時帶負載能力。 不同頻率脈沖作用下電感電阻電路的電流波形，要改善電機高速運行時的性能，有兩種辦法:提高電流上升速度VA和減小時間常數(shù)L/R；可以通過加大繞組的電壓從而增加電流上升的速率得時間常數(shù)?；蛘咴陔娐分写?lián)電阻，使L/R減少。