【正文】 便地組成一個(gè)閉環(huán)系 統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。主要表現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)本身的改進(jìn)以及驅(qū)動(dòng)技術(shù)的多樣化和精密化等幾個(gè)方面。小型化、機(jī)電一體化、電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高電機(jī)效率、降低生產(chǎn)成本等是這一階段乃至今后步進(jìn)電機(jī)發(fā)展的趨勢和方向。 我國步進(jìn)電機(jī) 的 發(fā)展 我國開展步進(jìn)電機(jī)的研究工作相對(duì)較晚， 上 世紀(jì) 50 年代才開始對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行研究和制造，到目前為止已有六十多年。從發(fā)展趨向來講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能與直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)，以及同步電動(dòng)機(jī)并列，從而成為電動(dòng)機(jī)的一種基本類型。 此后，在電話自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。隨著控制電機(jī)重要性的增加，控制電機(jī)的使用量也逐年增加。伴 隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它的需要量與日俱增， 被廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用 。 為使系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護(hù)性以及性價(jià)比最優(yōu)，根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求及步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用環(huán)境，確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實(shí)現(xiàn)了基于 8051 單片機(jī)的四相步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。 simulation 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 1 引 言 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，由于其精度高、體積小、控制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應(yīng)用，大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及單片機(jī)技術(shù)的迅速普及，為設(shè)計(jì)功能強(qiáng)，價(jià)格低的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器提供了先進(jìn)的技術(shù)和充足的資源。 L297。 通過按鍵設(shè)置行程，由按鍵控制步進(jìn)電機(jī) 正轉(zhuǎn)前進(jìn)、停止以及反轉(zhuǎn)復(fù)位， 并 可以由相應(yīng)按鍵控制步進(jìn)電機(jī) 以 加減速方式 前進(jìn)和復(fù)位。 步進(jìn)電機(jī)是一種進(jìn)行精確步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)電執(zhí)行元 件 ， 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。 通 過單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，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。 再 由液晶 LCD1602 顯示定位行程 、轉(zhuǎn)動(dòng)方向 、 當(dāng)前行程 值 和狀態(tài) 。 L298N。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角?？刂葡到y(tǒng)通過單片機(jī)存儲(chǔ)器、 I/O 接口、中斷、鍵盤、 LCD 顯示器的擴(kuò)展、步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分頻器、 驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路、人機(jī)接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、 等的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、急停、定位等功能。 在 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)得到了廣泛而深入的應(yīng)用。其應(yīng)用主要以處理辦公業(yè)務(wù)能力很強(qiáng)的機(jī)器和工廠自動(dòng)化機(jī)器為核心，并廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療器械、計(jì)量儀器、汽車、游戲機(jī)等 方面 。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中廣泛使用。 以后經(jīng)過不斷改良，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。我國步進(jìn)電動(dòng)機(jī)研究的初始階段，主要以高等院校的理論研究為主 ， 隨著 微電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的快速發(fā)展，解決了長久以來限制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)大量應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化中的關(guān)鍵問題 —制造優(yōu)質(zhì)的驅(qū)動(dòng)控制電源，同時(shí)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)本身的發(fā)展也不斷推進(jìn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的要求。在我國，由于歷史緣由，磁阻式步進(jìn)電機(jī)還在一定的場合里使用，但混合式步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的優(yōu)勢越來越明顯，市場占有率隨之不斷提高?，F(xiàn)階段，最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而混合式電動(dòng)機(jī)又向以下四個(gè)方向發(fā)展： （ 1） 小型化方向發(fā)展，隨著電動(dòng)機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓 寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動(dòng)機(jī)也必須越來越小 。 （ 4） 向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動(dòng)機(jī)，其旋轉(zhuǎn)磁場和電磁轉(zhuǎn)矩不完全對(duì)稱，振動(dòng)和噪聲較大，而五相和三相電動(dòng)機(jī)則是完全對(duì)稱的，因此更具有優(yōu)勢性。 再者，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入發(fā)展，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的研究也逐步從單機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)化控制。在沒有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)，因此非常適合于控制 。自從步進(jìn)電機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備上取代小型電動(dòng)機(jī)以后，使其設(shè)備的性能提高，很快的促進(jìn)了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展。 （ 1） 按鍵設(shè)置步進(jìn)電機(jī) 所 要走的行程值（即線位）， 由 顯示器直觀顯示出來，按下啟動(dòng)鍵后步進(jìn)電機(jī)由原點(diǎn)前進(jìn)到達(dá)所需位置。在到達(dá)指定位置后也能通過按鍵復(fù)位返回。 通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)，可以更深刻地理解步進(jìn)電機(jī)的工作原理，而且由此設(shè)計(jì)我們可以舉一反三，對(duì)此類相關(guān)設(shè)計(jì)積累一定 經(jīng)驗(yàn)。每來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱為一步。開關(guān) SB 接通電源，其余斷開， B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3 號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的 4 號(hào)齒就和 C、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5 號(hào)齒就和 D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。 四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙 四拍、八拍三種工作方式?；?AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 6 四相步進(jìn)電機(jī)單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖 所示。 步進(jìn)電機(jī)的控制 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 本設(shè)計(jì) 是基于單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)，所謂單軸步進(jìn)電機(jī)就是指控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。由于步進(jìn)電機(jī)能直接接受數(shù)字量輸入，所以它特別適合于微機(jī)控制 。 圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)接受來自控制器的 CP 脈沖，并按步進(jìn)電機(jī) 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。 從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)送入信號(hào)放大與處理級(jí)。推動(dòng)級(jí)的作用是將較小的信號(hào)加以放大，變成足以推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)輸入的較大信號(hào)。有時(shí)還需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)輸入異常時(shí)也可以提供保護(hù)動(dòng)作。 下面介紹兩種驅(qū)動(dòng)電路的原理以及工作方式。 VDARRsVT 2VT 1+ 12 v 圖 單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路 電動(dòng)機(jī)繞組串有電阻 RS，使繞組回路的時(shí)間常數(shù)減少，縮短了繞組中電流上升的過渡時(shí)間。但由于 RS引起了附加的損耗，故一般這種方法只適用 于小功率步進(jìn)電機(jī)。高低壓功率驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示。 如 L298N 雙 H 橋驅(qū)動(dòng)器 ，是一款集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。因此，環(huán)形分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計(jì)數(shù)器 。軟件環(huán)形分配器采用微機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，因此它往往受到微機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時(shí)難以滿足高速實(shí)時(shí)控制的要求。 CH250 如圖 所示。軟件環(huán)形分配器 如圖 所示?？刂葡到y(tǒng)可用兩種方法確定 CP 脈沖的周期，一種是軟件延時(shí)法，另一種是定時(shí)器延時(shí)法。這種方法的有點(diǎn)是程序簡單，占用片內(nèi)資源少，全部由軟件實(shí)現(xiàn)，且調(diào)用不同的延時(shí)子程序就可以實(shí)現(xiàn)不同的速度運(yùn)行。若將步進(jìn)電機(jī)換相子程序放在定時(shí)器中斷服務(wù)程序之中，則定時(shí)器每中斷一次，電動(dòng)機(jī)就換相一次，定時(shí)器定時(shí)的大小就決定了電動(dòng)機(jī)換相的頻率，從而可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。但是為了保證定位不出錯(cuò)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)要留出足夠的裕度。 指令 圖 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制 確定設(shè)計(jì)方案 由前面對(duì)與步進(jìn)電機(jī)的工作原理、驅(qū)動(dòng)、調(diào)速、開環(huán)控制等的介紹，針對(duì)所提出的設(shè)計(jì)問題，確定相關(guān)的設(shè)計(jì)方案。一種是延時(shí)，一 種是定時(shí)。常用的 集成化驅(qū)動(dòng)芯片有 L298N、ULN2020 等。由上述闡述可知步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)有多種不同的設(shè)計(jì)思路和不同的方案可供選擇。此設(shè)計(jì)方案通過單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器改變 CP 脈沖 輸入各相的順序從而改變步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、起停。此設(shè)計(jì)方案中顯示換成了 LCD1602, LCD1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 13 （ 3） 方案三：此設(shè)計(jì)方案選擇硬件環(huán)形分配的形式， 硬件環(huán)形分配器選擇L297 集成芯片， L297 是步進(jìn)電機(jī)專用控制器，能產(chǎn)生 4 相控制信號(hào)。并輔以相關(guān)的按鍵電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。而且數(shù)碼管顯示電路所能顯示的內(nèi)容比較單一。比較上面三種設(shè) 計(jì)方案不難發(fā)現(xiàn) 方案三更加簡單合理，方案三的硬件環(huán)形分配器減少了占用微機(jī)系統(tǒng)資源，液晶顯示也能顯示更豐富的內(nèi)容，于是選擇方案三作為本次課題的方案設(shè)計(jì)。其中晶振電路為單片機(jī)工作提供時(shí)鐘信號(hào)；復(fù)位電路是單片機(jī)復(fù)位程序重新開始執(zhí)行；電 源電路為單片機(jī)提供電源。 其中用 12V 電源來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) ， L297 作為硬件環(huán)形分配器 ，設(shè)計(jì)中 采 用的是 57BYG007 型四相步進(jìn)電機(jī) ，工作方式為四相八拍 。內(nèi)含兩個(gè) H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 15 感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。 IN1IN4 輸入控制電位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn) ,ENA， ENB 為使能控制端 則控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。變換器由一個(gè)三倍計(jì)算器加某些組合邏 輯電路組成，產(chǎn)生一個(gè)基本的八格雷碼。 CONTROL 為高電平時(shí)，對(duì) A、 B、 C、 D 有抑制作用；為低電平時(shí)，則對(duì)抑制線 INH1 和 INH2 有抑制作用，從而可對(duì)電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。若 CONTROL 端輸入是低電 平時(shí)，用斬波器調(diào)節(jié)負(fù)載電流。此引腳輸入負(fù)脈沖時(shí)，變換器恢復(fù)初始狀態(tài) (ABCD=0101)。加到此引腳的電壓決定繞組電流的峰值。 （ 7） 17 引腳為方向控制端。該引腳輸入負(fù)脈沖時(shí)步進(jìn)電機(jī) 向前 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 17 步進(jìn)一個(gè)增量，該步進(jìn)是在信號(hào)的上升沿產(chǎn)生。 在本次設(shè)計(jì)中選用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為 57BYG007，其為混合式步進(jìn)電機(jī) 。 采用單雙八拍工作方式： AABBBCCCDDDA (即一個(gè)脈沖 ,轉(zhuǎn) 度 )八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步），其中 50為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 表 步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 電壓 電流 電阻 電感 靜轉(zhuǎn)矩 機(jī)身長 出軸長 重量 單位 V A Ω mH mm mm Kg 57BYG 4 12 32 30 41 21 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 18 由以上分析知設(shè)計(jì)中使用了 L297 與 L298N 共同組成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，由于步進(jìn)電機(jī)在工作中需要正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)等工作方式，設(shè)計(jì)中還應(yīng)該加上保護(hù)電路以免電機(jī)正反轉(zhuǎn)交替時(shí)產(chǎn)生的 感應(yīng)電流 對(duì)電路產(chǎn)生危害。方向和模式輸入信號(hào)。 L297 的 A、 B、 C、D 四相輸出連接到 L298N 的 IN1IN4 四個(gè)輸入端，并把信號(hào)輸出給步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示。 1602 為工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示 16*02 即 32 個(gè)字符（ 16 列 2 行）。 1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，對(duì) 比度可調(diào)，內(nèi)部有復(fù)位電路。 在本設(shè)計(jì)中 LCD1602 的作用是顯示步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)，通過按鍵電路按下不同的按鍵，步進(jìn)電機(jī)有不同的工作狀態(tài)，此狀態(tài)則通過顯示電路顯示出來。當(dāng)按下不同的按鍵時(shí)顯示內(nèi)容有所不同。 LCD1602 顯示電路如圖 所示。其余key1key4 分別連接到單片機(jī)的 ,四個(gè)按鍵的功能分別為：啟動(dòng)系基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 22 統(tǒng)工作時(shí) key1 用來設(shè)置步進(jìn)電機(jī)所要走的行程值， key2 用來啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)， key3 控制步進(jìn)電機(jī)的停止， key4 是復(fù)位按鍵按下此鍵后步進(jìn)電機(jī)復(fù)位到零點(diǎn)，行程值也變?yōu)榱恪Ｋ邪存I處理程序都是在等按下后執(zhí)行的。對(duì)以上的單片機(jī)最小系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊，液晶 LCD1602 顯示電路，按鍵電路模塊，各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)論證后然后銜接起 來完成了整個(gè)硬件部分的設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)主程序 系統(tǒng)主程序流程圖如圖 所示。 void main() { uchar num1, num2。 num1++) //顯示啟動(dòng)界面 { write_data(table1[num1])。 num2 16。 //定時(shí)器初始化 while(1) { keyscan()。在步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，系基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 25 統(tǒng)程序 則 繼續(xù) 執(zhí)行按鍵掃描程序 ，如果有相應(yīng)的按鍵按下則轉(zhuǎn)到 相應(yīng)按鍵子程序去執(zhí)行。 系統(tǒng)初始化 子 程序 系統(tǒng)初始化對(duì)相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，包 括系統(tǒng)上電默認(rèn)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定，包括四相八拍的工作方式， LCD1602 顯示界面 、 系統(tǒng)定時(shí)器設(shè)定 、 載入定時(shí)器初值和默認(rèn)的工作參數(shù)等。 系統(tǒng)初始化上電后，沒有按鍵按下，沒有設(shè)置行程值則