【正文】 揚(yáng)州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙摘 要本設(shè)計(jì)中首先介紹了步進(jìn)電機(jī)的工作原理、控制特點(diǎn)和運(yùn)行狀態(tài)，然后給出了步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。在這個(gè)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)選用AT89C51，其作為控制核心，擔(dān)負(fù)著產(chǎn)生脈沖，發(fā)送、接受控制命令等任務(wù)；脈沖分配采用硬件方法，由8713接收到單片機(jī)的控制信號(hào)后產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖，避免了軟件法在不停地產(chǎn)生脈沖時(shí)占用的時(shí)間；采用單電壓驅(qū)動(dòng)的方法驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行；利用鍵盤、顯示專用芯片8279能夠以較簡(jiǎn)單的硬件電路和較少的軟件開銷實(shí)現(xiàn)微型機(jī)與鍵盤和LED顯示器接口。本設(shè)計(jì)最后詳細(xì)介紹了硬件部分和軟件部分的實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；步進(jìn)電機(jī)；速度控制。ZLG7290。顯示器Abstract The design introduces the working principle of stepper motor, control features and operations, and then gives the stepper motor microcontroller control system design programs. In this control system, the SCM selecting AT89C51, the control center of the shoulder produces pulses, sending, receiving control mands and other tasks。 pulse distribution method using hardware from the 8713 chip control signals received resulting from the corresponding control pulse, to avoid software method to generate pulses in constant time occupied。 adopt a single voltagedriven approach drive motor to drive the load operation。 use of keyboard, display 8279 can be dedicated to simple hardware and less software overhead to achieve keyboard and LED display interface. Finally introduce the hardware and software implementation methods in detail. Key words: SCM。 stepper motor。 speed control；ZLG7290。display； 目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒論 1 1 2 2 2第二章步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 3 3 5 6 7第三章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件部分 9 9 10 AT89C51的主要性能 10 AT89C51引腳功能說(shuō)明 10 15 LED顯示電路 16 LED顯示器的結(jié)構(gòu)原理 16 LED顯示接口 18 19 ZLG7290概述 1引線與功能 21 ZLG7290鍵盤、顯示接口電路設(shè)計(jì) 23 26第四章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件部分 30 30 30 31 速度控制 31第五章 總結(jié) 35致謝 36參考文獻(xiàn) 37附錄 38IV第一章 緒論 本章將簡(jiǎn)要介紹步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展過(guò)程、步進(jìn)電機(jī)在日常生活中的廣泛應(yīng)用、步進(jìn)電機(jī)作為數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)以及本次研究的主要內(nèi)容和論文安排。步進(jìn)電機(jī)最早是在1920年由英國(guó)人所開發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，這對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過(guò)不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過(guò)程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)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。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進(jìn)電機(jī)可以直接用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，使用非常方便。一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每給它一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)以外的第三類電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有累積誤差的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制?！　〔竭M(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動(dòng)的形式，正是這個(gè)特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。步進(jìn)電機(jī)在控制精度、速度變化范圍、低速性能方面比傳統(tǒng)的閉環(huán)控制直流伺服電動(dòng)機(jī)有較好的性能。本設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制為主要目標(biāo)，主要內(nèi)容有： 1. 了解步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理； 2. 了解步進(jìn)電機(jī)的控制方法； 3．選擇、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)所需的控制電路，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)；控制電路主要由AT89C51單片機(jī)、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、ZLG7290芯片等組成，ZLG7290芯片能自動(dòng)完成對(duì)顯示的刷新，同時(shí)還可以對(duì)鍵盤自動(dòng)掃描，識(shí)別閉合鍵的鍵號(hào)，使用非常方便。 4．繪制系統(tǒng)原理圖、方框圖和線路圖等。1. 原理部分：第一章和第二章主要介紹了步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)和工作原理以及步進(jìn)電機(jī)的控制特點(diǎn)和運(yùn)行狀態(tài)。2. 硬件電路部分：第三章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的控制核心AT89C51單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路，顯示電路和ZLG7290芯片。第二章步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定義步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。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，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。,2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分類一般說(shuō)來(lái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為三大類：反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)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，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子使用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以步距角一般很大。需要供給正負(fù)脈沖信號(hào)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性價(jià)比比較高，應(yīng)用得非常廣泛，下面就以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例來(lái)說(shuō)明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。圖21 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖21是一個(gè)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，它分成轉(zhuǎn)子和定子兩部分。定子上有六個(gè)磁極（大極），每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極（N、S極）組成一對(duì)，共有三對(duì)2,對(duì)于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其工作方式如下：?jiǎn)稳墓ぷ鞣绞秸D(zhuǎn)：ABCA反轉(zhuǎn)：ACBA其中“單”指的是每次對(duì)一相通電；“三拍”指的是磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周需要換相3次，這時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。如果對(duì)多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，每次只對(duì)一相通電，要使磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周就需要多拍。雙三拍工作方式正轉(zhuǎn)：ABBCCAAB反轉(zhuǎn)：BAACCBBA雙三拍工作方式是：每次對(duì)兩相通電，即所謂“雙”；磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周需要換相3次，即所謂“三拍”，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。三相六拍工作方式正轉(zhuǎn)：AABBBCCCA反轉(zhuǎn)：AACCCBBBA六拍工作方式是單三拍與雙三拍交替使用的一種方法，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，通電需要換相6次，即所謂“六拍”，轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。這是與單三拍和雙三拍最大的區(qū)別。同樣，對(duì)于四相電動(dòng)機(jī)其工作方式有單四拍、雙四拍和八拍。其通電時(shí)序和波形如圖22（a）、（b）、（c）所示。圖22（a）單四拍 （b）雙四拍 （c）八拍步進(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)達(dá)到高速轉(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礁咚伲?。、失步及解決方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩和失步是一種普遍存在的現(xiàn)象，它影響應(yīng)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此要盡力去避免。下面對(duì)振蕩和失步的原因進(jìn)行分析，并給出解決方法。振蕩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在低頻區(qū)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在共振區(qū)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)突然停車時(shí)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在共振區(qū)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖頻率接近步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩頻率或振蕩頻率的分頻或倍頻，這會(huì)使振蕩加劇，嚴(yán)重時(shí)造成失步。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩頻率可由下式求出：式中：J—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)； —最大轉(zhuǎn)矩。振蕩失步的過(guò)程如下：在第1個(gè)脈沖到來(lái)后，轉(zhuǎn)子經(jīng)歷了一次振蕩。當(dāng)轉(zhuǎn)子回?cái)[到最大振幅時(shí)，恰好第2個(gè)脈沖到來(lái)，轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)回?cái)[。接著第3個(gè)脈沖到來(lái)，轉(zhuǎn)子受正電磁轉(zhuǎn)矩的作用回到平衡點(diǎn)。這樣，轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)3個(gè)脈沖仍然回到原來(lái)位置，也就是丟了3步。失步步進(jìn)電動(dòng)機(jī)失步的原因有2種：① 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，或者說(shuō)慢于換相速度。例如，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，如果脈沖的頻率較高，由于電動(dòng)機(jī)來(lái)不及獲得足夠的能量，使其無(wú)法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，所以引起失步。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有一個(gè)啟動(dòng)頻率，超過(guò)啟動(dòng)頻率啟動(dòng)時(shí)，肯定會(huì)產(chǎn)生失步。注意，啟動(dòng)頻率不是一個(gè)固定值，提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、減小負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減小步距角都可以提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率。② 轉(zhuǎn)子的平均速凍大于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度。這主要發(fā)生在制動(dòng)和突然換向時(shí)，轉(zhuǎn)子獲得過(guò)多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過(guò)沖，引起失步。怎樣解決失步使步進(jìn)電機(jī)本身產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大。使步進(jìn)電機(jī)克服轉(zhuǎn)矩減小或者更換大一點(diǎn)的電機(jī)。阻尼方法消除振蕩市通過(guò)增加阻尼的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要有機(jī)械阻尼和電子阻尼兩大類。其中機(jī)械阻尼法比較單一，就是在電動(dòng)機(jī)軸上加阻尼器?；趩纹瑱C(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、停止和加減速。單片機(jī)是本次設(shè)計(jì)的控制核心，本次設(shè)計(jì)選用AT89C51。單片機(jī)通過(guò)脈沖分配和驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)原理框圖如23所示。AT89C51脈沖分配鍵盤LED顯示驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載圖23系統(tǒng)原理框圖AT89C51不僅功能強(qiáng)大，而且性能十分靈活性高。價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域，因此本系統(tǒng)中采用AT89C51單片機(jī)作為控制核心。單片機(jī)的控制信號(hào)作用于脈沖分配器，本設(shè)計(jì)中采用8713脈沖分配器可以很好的減輕單片機(jī)的工作量。驅(qū)動(dòng)電路得到脈沖信號(hào)就可以按照控制要求帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。采用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示是由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、配置靈活、顯示清晰、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制中，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本控制作用如下：控制換相順序。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電換相順序嚴(yán)格按照步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式進(jìn)行。通常我們把通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單三拍工作方式，其各相通電的順序?yàn)锳BC，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C相的通電和斷電?？刂撇竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。如果