【正文】 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）基于AT89C51單片機的步進電機控制系統(tǒng)畢業(yè)論文目錄摘要 I第一章 引言 1 課題提出的背景和研究意義 1 課題的主要研究內容 2 本章小結 2第二章 步進電機控制系統(tǒng)設計 3 步進電機的原理 3 三相單三拍通電方式 3 三相雙三拍通電方式 5 三相六拍通電方式 6 環(huán)形脈沖分配器 8 續(xù)流電路 12 二極管續(xù)流 13 二極管—電阻續(xù)流 14 步進電機驅動電路 15 步進電機的變速控制 17 變速控制的方法 19 步進電機在自動生產線中的應用 20 本章小結 22第三章 控制系統(tǒng)硬件設計 23 硬件系統(tǒng)設計原則 23 控制系統(tǒng)組成 23 主要元件的選擇 24 單片機的選擇 24 EPROM的選擇 25 可逆計數(shù)器的選擇 27 控制系統(tǒng)接口電路的設計 27 環(huán)形脈沖分配器設計 27 顯示電路設計 29 外部復位電路設計 30 控制系統(tǒng)整體電路設計 31 本章小結 31第四章 控制系統(tǒng)軟件設計 32 軟件系統(tǒng)設計原則 32 步進電機控制系統(tǒng)功能設計 32 主程序設計 33 主程序工作過程 33 主程序工作流程圖 34 定時器T0中斷程序流程圖 34 Proteus仿真 37 顯示程序設計 39 鍵盤程序設計 39 調速程序設計 41 20BY步進電機參數(shù) 41 步進電機轉速與頻率的關系 41 本章小結 42第五章 結束語 43參考文獻 44附錄 46附錄A 系統(tǒng)程序（C） 46附錄B 20BY步進電機轉速與定時器定時常數(shù)關系表 59附錄C 控制系統(tǒng)電路圖 62致謝 6363第一章 引言 課題提出的背景和研究意義由于步進電機不需要位置傳感器或速度傳感器就可以實現(xiàn)定位，即使在開環(huán)狀態(tài)下它的控制效果也是令人非常滿意的，這有利于裝置或設備的小型化和低成本，因此步進電機在計算機外圍設備、數(shù)控機床和自動化生產線等領域中都得到了廣泛的應用。對于一個步進電機控制系統(tǒng)而言，總希望它能以最短的時間到達控制終點。因此要求步進電機的速度盡可能地快，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。此外，一般步進電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。當步進電機帶負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據(jù)步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉矩越小，帶負載的能力越差。當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進電機不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動時有一個加速的過程。從高速運行到停止也應該有一個減速的過程，防止步進電機因為系統(tǒng)慣性的原因，而發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象。為此本文以單片機作為控制核心，實現(xiàn)步進電機的自動加減速控制，使系統(tǒng)以最短的時間到達控制終點，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。因為步進電機的轉速正比于控制脈沖的頻率，所以調節(jié)步進電機的轉速，實質上是調節(jié)單片機輸出的脈沖頻率【1】。由于步進電機的運動特性受電壓波動和負載變化的影響小，方向和轉角控制簡單，并且步進電機能直接接收數(shù)字量的控制，非常適合采用微機進行控制。步進電機工作時，失步或者過沖都會直接影響其控制精度。研究步進電機的加減速控制，可以提高步進電機的響應速度、平穩(wěn)性和定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能。 課題的主要研究內容步進電機的工作原理通過查閱文獻對步進電機的單拍運行、雙拍運行、單雙拍運行等各種運行方式進行研究，深入了解各種運行方式的特點和對步進電機控制性能的影響。環(huán)形脈沖分配器的設計研究環(huán)形脈沖分配器的作用和構成，并設計出可靠、靈活的環(huán)形脈沖分配器電路。步進電機的續(xù)流電路根據(jù)步進電機的控制特點，分析續(xù)流電路對步進電機控制性能的影響，并設計步進電機的續(xù)流電路。步進電機控制系統(tǒng)的軟硬件設計根據(jù)步進電機的原理和控制特點，對步進電機控制系統(tǒng)的軟硬件進行分析和設計。程序的調試及修改用Keil軟件進行編程和調試，并且在Proteus環(huán)境下進行系統(tǒng)仿真。 本章小結本章首先介紹了課題研究的背景，提出設計的思路。其次介紹了課題研究的目的和意義，最后介紹了課題的主要研究內容。第二章 步進電機控制系統(tǒng)設計 步進電機的原理反應式步進電機的工作原理是與反應式同步電機一樣，也是利用轉子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應轉矩而轉動， 所示是一臺反應式步進電機的工作原理，定子鐵心為凸極式，共有三相，六個磁極，不帶小齒，磁極上裝有控制繞組，相對的兩個磁極串聯(lián)連接，組成一相控制繞組。轉子用軟磁材料制成，也是凸極結構，只有兩個齒，齒寬等于定子的極靴寬【2】。 三相單三拍通電方式這是步進電機的一種最簡單的工作方式，所謂“三相”，即三相步進電機，具有三相定子繞組；“單”指每次只有一相繞組通電；“三拍”指三次換接為一個循環(huán)，第四次換接重復第一次情況。 (a) 所示，而B相和C相不通電時，A相的兩個磁極被勵磁，一個呈N極另一個呈S極，由于磁場對轉子鐵心的電磁吸力，使轉子軸線對準A相磁極的軸線。這種現(xiàn)象也可以這樣來理解，A相通電時，轉子對定子的相對位置不同，則磁路的磁阻也不同，使A相磁路的磁阻為最少的轉子位置，就是該時的穩(wěn)定平衡位置，即轉子穩(wěn)定在轉子軸線和A相磁極軸線相重合的位置。同樣道理，當A相斷開，接通B相時， (b) 所示，B相磁極對轉子的電磁力將使轉子順時針轉過60176。，達到轉子軸線和B相磁極軸線相重合的位置，即轉子走過一步，然后B相電源斷開， (c) 所示，同理將使轉子按順時針方向再走一步。如此按ABCA的順序使三相繞組輪流通電，則轉子依順時針方向一步一步地轉動。如果改變三相繞組的通電順序為ACBA顯然步進電機將按逆時針方向轉動。上述三相三拍運行，表示三種通電狀態(tài)為一個循環(huán)，即三次通電狀態(tài)改變后，又恢復到起始狀態(tài)，一拍對應轉子轉過的角度稱為步距角，通常用θs表示，176。（a）A相通電 （b）B相通電 （c）C相通電 三相反應式步進電機原理如果將上圖的反應式步進電機的轉子制成四極（或稱為四個齒）結構，則按三相單三拍運行時，轉子的步距角也將發(fā)生變化。 (a)所示，轉子齒3對準A相磁極軸線重合， (b)所示，轉子將逆時針轉過30176。，穩(wěn)定在轉子齒4對準B相磁極軸線的位置， (c)所示，轉子又將逆時針方向轉動30176。，轉子齒3對準C相磁極軸線的位置，由此可見，每通電一次轉子轉過的角度為30176。即每步轉過的步距角為30176。 (a) A相通電 (b) B相通電 (c) C相通電 轉子為四極的三相步進電機 三相雙三拍通電方式如果將步進電機的控制繞組的通電方式改為：ABBCCAAB或ACCBBCCA。這種通電方式每拍同時有兩相繞組通電，三拍為一循環(huán)，轉子為四極的反應式步進電機。 (a) 為AB相同時通電的情況， (b) 為BC相通電的情況，可見轉子每步轉過的角度為30176。與單三拍運行方式相同，但其中有一點不同，即在雙三拍運行時，每拍使步進電機從一個狀態(tài)轉變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)時，總有一相繞組保持通電。例如由AB相通電變?yōu)锽C相通電時，B相保持繼續(xù)通電狀態(tài)，C相磁極力圖使轉子逆時針轉動，而B相磁極卻起阻止轉子繼續(xù)向前轉動的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以步進電機工作比較平穩(wěn)，三相單三拍運行時，由于沒有這種阻尼用，所以轉子到達新的平衡位置后會產生振蕩，穩(wěn)定性能遠不如雙三拍運行方式。(a) AB相通電 (b) BC相通電 三相雙三拍運行方式 三相六拍通電方式這是一種將一相通電和兩相通電結合起來的運行方式，其具體通電方式為：AABBBCCCAA 或A–ACCBBBAA，即一相通電和兩相通電間隔輪流進行，六種不同的通電狀態(tài)組成一個循環(huán)， 所示，(a)為A相通電時的情況，轉子齒3磁軸與A相磁極軸線重合，當通電狀態(tài)由A轉為AB時，(b) 所示，轉子齒3磁極離開A相磁極軸線，即轉子逆時針轉過15176。通電方式由AB轉為B時，(c) 所示，轉子齒4磁極軸線和B相磁極軸線相重合，或轉子齒3磁極軸線離開A相磁極軸線30176。角，即轉子又逆時針方向運行了一步，相應的角度為15176。如此類推，可見步進電機每走一步，將轉過15176。，恰好為三相單拍或雙三拍通電方式的一半。六拍運行方式與雙三拍相同，由一個通電狀態(tài)轉變?yōu)榱硪煌姞顟B(tài)時，也總有一相繼續(xù)保持通電，同樣具有電磁阻尼作用，工作也比較平穩(wěn)。(a) A相通電 (b) AB相通電(c) B相通電 (d) BC相通電 三相六拍通電方式通過分析可知一臺步進電機可以有不同的通電方式，即可以有不同的拍數(shù)。拍數(shù)不同時，其對應的步距角大小也不同，拍數(shù)多則步距角小。通電相數(shù)不同也會帶來不同的工作性能。此外，也可以看到同一種通電方式，對于轉子磁極數(shù)不同的步進電機，也會有不同的步距角。步距角θs可由式(11)求得【3】θs=360176。/mKZR (11)式中 m — 控制繞組相數(shù)；ZR — 轉子齒數(shù)；K —與通電方式有關的狀態(tài)系數(shù)，當通電方式為單拍，即拍數(shù)與相數(shù)相同，K=1；為雙拍時，即拍數(shù)為相數(shù)的兩倍時，K=2。 環(huán)形脈沖分配器要使步進電機正常工作，必須按照該種步進電機的勵磁狀態(tài)轉換表所規(guī)定的狀態(tài)和次序依次對各相繞組進行通電和斷電控制。環(huán)形分配器的主要功能是把單片機發(fā)出的脈沖信號按一定的規(guī)律分配給步進電機的驅動電路，控制繞組的導通和截止。同時步進電機有正反轉的要求，所以環(huán)形脈沖分配器的輸出既有周期性又有可逆性?？梢哉f環(huán)形脈沖分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計數(shù)器， 但它輸出的不是一般的編碼，而是步進電機勵磁狀態(tài)所要求的特殊編碼【4】。在步進電機的驅動系統(tǒng)中，控制器與驅動器之間連接方式可分為串行控制和并行控制。串行控制時，控制器輸出脈沖信號和方向電平，環(huán)形脈沖分配器把它轉換成并行的驅動信號，再控制繞組的導通和截止?？刂泼}沖信號的有無就能控制步進電機運行和停止，脈沖信號的頻率決定步進電機的運行速度，方向電平控制步進電機的運轉方向。并行控制時，控制器直接輸出各相繞組的導通和截止信號，此時環(huán)形脈沖分配器在控制器中，由軟件來代替環(huán)形脈沖分配器的功能，不管是串行控制還是并行控制必須有環(huán)形脈沖分配器這個環(huán)節(jié)。步進電機按類型、相數(shù)來劃分種類繁多，不同種類、不同相數(shù)、不同分配方式都必須有不同的環(huán)形脈沖分配器，因此所需要的環(huán)形脈沖分配器的類型是很多的。如果全部用硬件來搭成，結構是相當復雜的，不能滿足步進電機驅動系統(tǒng)的需要，為此提出一種用EPROM搭建的環(huán)形分配器，以滿足不同的要求。EPROM存儲器是一種紫外線擦除的可編程只讀存儲器，存儲器的內容可以由使用者自己編程，且可以用紫外線照射后重新使用。用EPROM可以搭建成各種環(huán)形脈沖分配器。其基本思想是：首先確定步進電機勵磁狀態(tài)轉換表，再以二進制碼的形式存入EPROM存儲器中，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址的內容，那么存儲器輸出的就是各相繞組的勵磁狀態(tài)， 所示，它由兩部分組成。前面是一個可逆的循環(huán)計數(shù)器，計數(shù)脈沖的有無控制步進電機的運行與停止，計數(shù)器加減控制端控制步進電機的正反轉，如果低電平時計數(shù)器加計數(shù)，步進電機正轉，如果高電平時計數(shù)器減計數(shù)，步進電機反轉。計數(shù)器的計數(shù)長度應等于步進電機運行一個周期的拍數(shù)或拍數(shù)的整數(shù)倍，計數(shù)器的輸出端接到EPROM的地址線上，并且使EPROM總是處于讀出的狀態(tài)，這樣計數(shù)器的每個計數(shù)狀態(tài)都對應存儲器的一個地址，存儲器的輸出端就對應步進電機的一種勵磁狀態(tài)。簡單的說存儲器存入的是一個環(huán)形脈沖分配器的狀態(tài)輸出表，計數(shù)器每輸入一個脈沖，計數(shù)器計一個數(shù)，這個數(shù)值就會選通存儲器的一個地址，存儲器就輸出一個數(shù)據(jù)，即步進電機的一個勵磁狀態(tài)。如果計數(shù)器做加計數(shù)，則存儲器按地址遞增的方向依次讀取狀態(tài)表的內容，相反，計數(shù)器做減計數(shù)，則存儲器按地址遞減方向依次取出狀態(tài)表的內容，從而控制步進電機的正反轉。 含有EPROM 環(huán)形脈沖分配器用EPROM設計環(huán)形脈沖分配器，具有如下的特點：線路簡單。由可逆循環(huán)計數(shù)器和存儲器兩部分組成，計數(shù)器可以用現(xiàn)有的器件實現(xiàn)，計數(shù)長度可以用簡單的外圍電路實現(xiàn)。對EPROM存儲器的主要工作是編程，存儲狀態(tài)表，所以工作量小。一種線路可以實現(xiàn)多種勵磁狀態(tài)方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲不同的狀態(tài)表，除軟件工作之外，硬件無需改動。可排除非法狀態(tài)。驅動電路輸入非法狀態(tài)可能會損壞驅動電路。存儲器中存儲的內容，除了在選通的地址存儲所需的狀態(tài)表之外，其他沒用的地址都存儲各相截止的信號。因此即使有非法的地址輸入，輸出端輸出的都是截止的信號，可以保護驅動器不受損壞。由于勵磁狀態(tài)是按運行拍數(shù)循環(huán)的，所以存儲器輸出的狀態(tài)也必須按拍數(shù)循環(huán)出現(xiàn)，這就要求計數(shù)器是可逆計數(shù)器，同時計數(shù)長度是運行循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。實際上，使用RPROM設計的環(huán)形脈沖器是一種軟硬件結合的技術，通過軟件的編程可以實現(xiàn)不同勵磁方式的輸出。由上可見，這種方法適用于控制任意類型的步進電機。對于不同的步進電機及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用CPU的時間，提高了系統(tǒng)的響應速度。軟件方法的優(yōu)點是節(jié)省硬件，降低系統(tǒng)的成本，且更改靈活，有利于系統(tǒng)的小型化，其主要的缺點是占用CPU時間較多，降低系統(tǒng)的響應速度。 環(huán)形脈沖分配器電路，計數(shù)器選用74LS191，74LS191是四位二進制進制可逆計數(shù)器，時鐘脈沖從CP端輸入，計數(shù)器的輸出QA~QD直接接到EPROM的低四位地址線A0~A3，這樣可以選通2716的十六個地址（00H~0FH）。74