【正文】 便地組成一個閉環(huán)系 統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。主要表現(xiàn)在步進電機本身的改進以及驅(qū)動技術(shù)的多樣化和精密化等幾個方面。小型化、機電一體化、電機優(yōu)化設(shè)計、提高電機效率、降低生產(chǎn)成本等是這一階段乃至今后步進電機發(fā)展的趨勢和方向。 我國步進電機 的 發(fā)展 我國開展步進電機的研究工作相對較晚， 上 世紀 50 年代才開始對步進電機進行研究和制造，到目前為止已有六十多年。從發(fā)展趨向來講，步進電動機已經(jīng)能與直流電動機、異步電動機，以及同步電動機并列，從而成為電動機的一種基本類型。 此后，在電話自動交換機中廣泛使用了步進電動機。隨著控制電機重要性的增加，控制電機的使用量也逐年增加。伴 隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，它的需要量與日俱增， 被廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中，在各個國民經(jīng)濟領(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、可維護性以及性價比最優(yōu)，根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求及步進電機應用環(huán)境，確定設(shè)計系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實現(xiàn)了基于 8051 單片機的四相步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)。 simulation 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設(shè)計 1 引 言 步進電機是機電數(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用，大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及單片機技術(shù)的迅速普及，為設(shè)計功能強，價格低的步進電機控制驅(qū)動器提供了先進的技術(shù)和充足的資源。 L297。 通過按鍵設(shè)置行程，由按鍵控制步進電機 正轉(zhuǎn)前進、停止以及反轉(zhuǎn)復位， 并 可以由相應按鍵控制步進電機 以 加減速方式 前進和復位。 步進電機是一種進行精確步進運動的機電執(zhí)行元 件 ， 是將電 脈沖 信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。 通 過單片機對步進電機的轉(zhuǎn)速進行控制，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、 停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響。 再 由液晶 LCD1602 顯示定位行程 、轉(zhuǎn)動方向 、 當前行程 值 和狀態(tài) 。 L298N。步進電機驅(qū)動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移，或者說控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就使步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角?？刂葡到y(tǒng)通過單片機存儲器、 I/O 接口、中斷、鍵盤、 LCD 顯示器的擴展、步進電機的環(huán)形分頻器、 驅(qū)動及保護電路、人機接口電路、中斷系統(tǒng)及復位電路、 等的設(shè)計，實現(xiàn)了步進電機的正反轉(zhuǎn)、急停、定位等功能。 在 現(xiàn)代科學技術(shù)的進步以及現(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用。其應用主要以處理辦公業(yè)務能力很強的機器和工廠自動化機器為核心，并廣泛的應用于醫(yī)療器械、計量儀器、汽車、游戲機等 方面 。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統(tǒng)中廣泛使用。 以后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解性能、高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。我國步進電動機研究的初始階段，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電動機大量應用在工業(yè)自動化中的關(guān)鍵問題 —制造優(yōu)質(zhì)的驅(qū)動控制電源，同時工業(yè)自動化系統(tǒng)本身的發(fā)展也不斷推進步進電動機的改進以適應工業(yè)應用的要求。在我國，由于歷史緣由，磁阻式步進電機還在一定的場合里使用，但混合式步進電機在工業(yè)自動化系統(tǒng)中的優(yōu)勢越來越明顯，市場占有率隨之不斷提高。現(xiàn)階段，最有發(fā)展前景的當屬混合式步進電動機，而混合式電動機又向以下四個方向發(fā)展： （ 1） 小型化方向發(fā)展，隨著電動機本身應用領(lǐng)域的拓 寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小 。 （ 4） 向五相和三相電動機方向發(fā)展，目前廣泛應用的二相和四相電動機，其旋轉(zhuǎn)磁場和電磁轉(zhuǎn)矩不完全對稱，振動和噪聲較大，而五相和三相電動機則是完全對稱的，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，對步進電機的研究也逐步從單機運行轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)化控制。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)，因此非常適合于控制 。自從步進電機在計算機外圍設(shè)備上取代小型電動機以后，使其設(shè)備的性能提高，很快的促進了步進電機的發(fā)展。 （ 1） 按鍵設(shè)置步進電機 所 要走的行程值（即線位）， 由 顯示器直觀顯示出來，按下啟動鍵后步進電機由原點前進到達所需位置。在到達指定位置后也能通過按鍵復位返回。 通過對步進電機控制器的設(shè)計，可以更深刻地理解步進電機的工作原理，而且由此設(shè)計我們可以舉一反三，對此類相關(guān)設(shè)計積累一定 經(jīng)驗。每來一個脈沖，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，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 號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的 4 號齒就和 C、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒， 5 號齒就和 D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。 四相步進電機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。基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設(shè)計 6 四相步進電機單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖 所示。 步進電機的控制 步進電機的驅(qū)動 本設(shè)計 是基于單片機的單軸步進電機控制器設(shè)計，所謂單軸步進電機就是指控制一個步進電機。由于步進電機能直接接受數(shù)字量輸入，所以它特別適合于微機控制 。 圖 步進電機驅(qū)動電路 步進電機接受來自控制器的 CP 脈沖，并按步進電機 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導通或截止的信號。 從環(huán)形分配器輸出的各相導通或截止的信號送入信號放大與處理級。推動級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以推動驅(qū)動級輸入的較大信號。有時還需要對輸入信號進行監(jiān)護，發(fā)現(xiàn)輸入異常時也可以提供保護動作。 下面介紹兩種驅(qū)動電路的原理以及工作方式。 VDARRsVT 2VT 1+ 12 v 圖 單電壓功率驅(qū)動電路 電動機繞組串有電阻 RS，使繞組回路的時間常數(shù)減少，縮短了繞組中電流上升的過渡時間。但由于 RS引起了附加的損耗，故一般這種方法只適用 于小功率步進電機。高低壓功率驅(qū)動電路如圖 所示。 如 L298N 雙 H 橋驅(qū)動器 ，是一款集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電動機驅(qū)動芯片。因此，環(huán)形分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計數(shù)器 。軟件環(huán)形分配器采用微機的軟件實現(xiàn)脈沖分配，因此它往往受到微機運算速度的限制，有時難以滿足高速實時控制的要求。 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，一種是軟件延時法，另一種是定時器延時法。這種方法的有點是程序簡單，占用片內(nèi)資源少，全部由軟件實現(xiàn)，且調(diào)用不同的延時子程序就可以實現(xiàn)不同的速度運行。若將步進電機換相子程序放在定時器中斷服務程序之中，則定時器每中斷一次，電動機就換相一次，定時器定時的大小就決定了電動機換相的頻率，從而可實現(xiàn)電動機的速度控制。但是為了保證定位不出錯，設(shè)計系統(tǒng)時要留出足夠的裕度。 指令 圖 步進電機開環(huán)控制 確定設(shè)計方案 由前面對與步進電機的工作原理、驅(qū)動、調(diào)速、開環(huán)控制等的介紹，針對所提出的設(shè)計問題，確定相關(guān)的設(shè)計方案。一種是延時，一 種是定時。常用的 集成化驅(qū)動芯片有 L298N、ULN2020 等。由上述闡述可知步進電機控制設(shè)計有多種不同的設(shè)計思路和不同的方案可供選擇。此設(shè)計方案通過單片機內(nèi)部的定時器改變 CP 脈沖 輸入各相的順序從而改變步進電機的正反轉(zhuǎn)、起停。此設(shè)計方案中顯示換成了 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、符號等的點陣型液晶模塊。 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設(shè)計 13 （ 3） 方案三：此設(shè)計方案選擇硬件環(huán)形分配的形式， 硬件環(huán)形分配器選擇L297 集成芯片， L297 是步進電機專用控制器，能產(chǎn)生 4 相控制信號。并輔以相關(guān)的按鍵電路對步進電機進行實時控制。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。其中晶振電路為單片機工作提供時鐘信號；復位電路是單片機復位程序重新開始執(zhí)行；電 源電路為單片機提供電源。 其中用 12V 電源來驅(qū)動步進電機 ， L297 作為硬件環(huán)形分配器 ，設(shè)計中 采 用的是 57BYG007 型四相步進電機 ，工作方式為四相八拍 。內(nèi)含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設(shè)計 15 感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，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的正反轉(zhuǎn) ,ENA， ENB 為使能控制端 則控制電機停轉(zhuǎn)。變換器由一個三倍計算器加某些組合邏 輯電路組成，產(chǎn)生一個基本的八格雷碼。 CONTROL 為高電平時，對 A、 B、 C、 D 有抑制作用；為低電平時，則對抑制線 INH1 和 INH2 有抑制作用，從而可對電動機和轉(zhuǎn)矩進行控制。若 CONTROL 端輸入是低電 平時，用斬波器調(diào)節(jié)負載電流。此引腳輸入負脈沖時，變換器恢復初始狀態(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。該引腳輸入負脈沖時步進電機 向前 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設(shè)計 17 步進一個增量，該步進是在信號的上升沿產(chǎn)生。 在本次設(shè)計中選用的步進電機型號為 57BYG007，其為混合式步進電機 。 采用單雙八拍工作方式： AABBBCCCDDDA (即一個脈沖 ,轉(zhuǎn) 度 )八拍運行時步距角為 θ=360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步），其中 50為步進電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 表 步進電機技術(shù)參數(shù) 型號 相數(shù) 電壓 電流 電阻 電感 靜轉(zhuǎn)矩 機身長 出軸長 重量 單位 V A Ω mH mm mm Kg 57BYG 4 12 32 30 41 21 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設(shè)計 18 由以上分析知設(shè)計中使用了 L297 與 L298N 共同組成的步進電機驅(qū)動電路，由于步進電機在工作中需要正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)等工作方式，設(shè)計中還應該加上保護電路以免電機正反轉(zhuǎn)交替時產(chǎn)生的 感應電流 對電路產(chǎn)生危害。方向和模式輸入信號。 L297 的 A、 B、 C、D 四相輸出連接到 L298N 的 IN1IN4 四個輸入端，并把信號輸出給步進電機。 步進電機 驅(qū)動電路如圖 所示。 1602 為工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示 16*02 即 32 個字符（ 16 列 2 行）。 1602 采用標準的 16 腳接口，對 比度可調(diào)，內(nèi)部有復位電路。 在本設(shè)計中 LCD1602 的作用是顯示步進電機當前的工作狀態(tài)，通過按鍵電路按下不同的按鍵，步進電機有不同的工作狀態(tài)，此狀態(tài)則通過顯示電路顯示出來。當按下不同的按鍵時顯示內(nèi)容有所不同。 LCD1602 顯示電路如圖 所示。其余key1key4 分別連接到單片機的 ,四個按鍵的功能分別為：啟動系基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設(shè)計 22 統(tǒng)工作時 key1 用來設(shè)置步進電機所要走的行程值， key2 用來啟動步進電機正向轉(zhuǎn)動， key3 控制步進電機的停止， key4 是復位按鍵按下此鍵后步進電機復位到零點，行程值也變?yōu)榱?。所有按鍵處理程序都是在等按下后執(zhí)行的。對以上的單片機最小系統(tǒng)，步進電機驅(qū)動電路模塊，液晶 LCD1602 顯示電路，按鍵電路模塊，各個部分進行設(shè)計論證后然后銜接起 來完成了整個硬件部分的設(shè)計。 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++) //顯示啟動界面 { write_data(table1[num1])。 num2 16。 //定時器初始化 while(1) { keyscan()。在步進電機正向轉(zhuǎn)動過程中，系基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設(shè)計 25 統(tǒng)程序 則 繼續(xù) 執(zhí)行按鍵掃描程序 ，如果有相應的按鍵按下則轉(zhuǎn)到 相應按鍵子程序去執(zhí)行。 系統(tǒng)初始化 子 程序 系統(tǒng)初始化對相應的系統(tǒng)參數(shù)進行初始化，包 括系統(tǒng)上電默認運行參數(shù)設(shè)定，包括四相八拍的工作方式， LCD1602 顯示界面 、 系統(tǒng)定時器設(shè)定 、 載入定時器初值和默認的工作參數(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