【正文】 好的一種功率接口。 （ 2）高低壓驅(qū)動(dòng) 該電路是指不論電動(dòng)機(jī)的工作頻率是多少，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的上升沿斜率，而在前沿過(guò)后采用低電壓來(lái)維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過(guò)改善電路的時(shí)間常數(shù)來(lái)使矩頻性能得以提高。 （ 1）單電壓功率驅(qū)動(dòng) 該電路是在單電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時(shí)間 常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還 可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，外接 LCD、 LED 顯示器，來(lái)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速速度等狀態(tài)。而采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié)合進(jìn)行控制，運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能，充分利用單片機(jī)的各種資源，能靈活的對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，加上驅(qū)動(dòng)芯片ULN2021 可以實(shí)現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果需改變控制要求 ，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計(jì)中利用動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，節(jié)約了單片機(jī)的端口，能做到一定的人機(jī)交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，因此本設(shè)計(jì)就是采用這個(gè)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)課題是基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)攪拌機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，因而對(duì)控制精度的要求并不高，要實(shí)現(xiàn)攪拌機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，啟動(dòng)加速、減速，并通過(guò)光碼盤或光電編碼器測(cè)速反饋到單片機(jī)，通過(guò) LED、 LCD 顯示器來(lái)顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，和設(shè)定值。 （ 4） 改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告 6 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) （ 1）步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)， 驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒(méi)有脈沖的時(shí)候， 步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)， 就會(huì)以一定的角度（稱為步距角）轉(zhuǎn)動(dòng)。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小 (相比反應(yīng)式 )，但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電； (3)混合式步進(jìn)電機(jī) (Hybrid，簡(jiǎn)稱 HB)混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者 的優(yōu)點(diǎn)。 (1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) (Variable Reluctance，簡(jiǎn)稱 VR)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。利用單片機(jī)控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，脈沖分配器將產(chǎn)生一定規(guī)律的電脈沖輸出給驅(qū)動(dòng)器，就可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電流流過(guò)某相定子繞組時(shí)，相應(yīng)的定子繞組 分別形成 NS極，產(chǎn)生一矢量 磁場(chǎng) ?；谖⑿蛦纹瑱C(jī)的控制系統(tǒng)則通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。因此用好步進(jìn) 電機(jī) 卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。優(yōu)點(diǎn)明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)的許多外圍設(shè)備中，例 如打印機(jī)，紙帶輸送機(jī)構(gòu)，卡片閱讀機(jī)，主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和存儲(chǔ)器存取機(jī)構(gòu)等，步進(jìn)電機(jī)也在軍用儀器，通信和雷達(dá)設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機(jī)床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動(dòng)繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機(jī)控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。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。 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，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差，精度高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等。 步進(jìn)電機(jī)的概述 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，其應(yīng)用發(fā)展已有約 80 年的歷史。采用嵌入式系統(tǒng)集成器件，將電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從單純的硬件設(shè)計(jì)變?yōu)橹悄芑挠病④浖O(shè)計(jì)，從而使現(xiàn)代電子系統(tǒng)軟硬件結(jié)合，具有智能化、系統(tǒng)功能，具有 柔韌性及激勵(lì)、運(yùn)行、響應(yīng)等特點(diǎn)?；诮档彤a(chǎn)品總體成本、減少維修保養(yǎng)成本和提高設(shè)備品均維修間隔時(shí)間的要求，大大提高設(shè)備運(yùn)行壽命，逐漸的采用以單片機(jī)為核心的智能化攪拌機(jī)。 近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)理論的完善和進(jìn)一步成熟，攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)和制造獲得了飛速發(fā)展。硬件是以 AT89C51 單片機(jī)為核心的控制電路，主要包括： LED/LCD 顯示器、鍵盤顯示電路、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片等。具有步距角精度高特點(diǎn)，因此在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。 本文首先簡(jiǎn)單的介紹了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展概況、特點(diǎn)及工作原理。軟件部分采用 C 語(yǔ)言編程，主要包括鍵盤顯示程序、步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速程序、停止判斷程序等。但是，它也面臨著 必需滿足合理利用資源、節(jié)能降耗和對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。攪拌機(jī)在化工、制藥、食品水產(chǎn)業(yè)、塑料等行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用也很廣泛，攪拌機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)均是使用工況的要求考慮一定余量，而攪拌機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程中，則不一定要在 最大轉(zhuǎn)速下工作，有很多時(shí)間都可以工作在非滿載狀態(tài)。目前，單片機(jī)價(jià)格已很低廉，這使得單片機(jī)的應(yīng)用更為廣泛，因此就比較普遍地應(yīng)用單片機(jī)來(lái)控制各種電機(jī)完成各種新穎的、高性能的控制策略，特別是單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，使步進(jìn)電機(jī)的各種潛力、能力得到充分的發(fā)揮，也使步進(jìn)電 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告 2 機(jī)的各種性能更符合現(xiàn)代工藝的要求。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 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。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。因而，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得尤為重要了。 為了得到良好的控制性能，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制的研究就一直沒(méi)有停止過(guò)，許多重大的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求。如果這時(shí)定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒(méi)有對(duì)齊，磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。每輸入一個(gè)電 脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。 圖 四相八拍步進(jìn)電機(jī)原理圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告 5 圖 四相八拍步進(jìn)電機(jī)脈沖圖 步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。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?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比 。 因此，目前打印機(jī)，繪圖儀，機(jī)器人，等等設(shè)備都以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力核心。通過(guò) PID 調(diào)節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量值和設(shè)定值的偏差，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)加、減速。 基于單片機(jī)的控制 單片機(jī)控制系統(tǒng)是采用 軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)自帶功能，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。它提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)、減少了電動(dòng)機(jī)的共振，并能 產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩 。但是使用這種驅(qū)動(dòng) 方式的電機(jī)，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開(kāi)始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有所下降。這種功率接口的特點(diǎn)是：高頻響應(yīng)大大提高，接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，共振現(xiàn)象消除，但線路較復(fù)雜，因而在本設(shè)計(jì)中不被采用。 （ 5） 集成功率驅(qū)動(dòng) 目 前有多種用于小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的集成功率驅(qū)動(dòng)芯片可供選用。由操作系統(tǒng)完成把操作者的操作轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能接受的電信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)隨之作出反應(yīng)，完成規(guī)定動(dòng)作。不同的控制方案，步進(jìn)控制器、驅(qū)動(dòng)器也有不同的類型。系統(tǒng)應(yīng)用了一片 ATMEL公司的 AT89C51 單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)控制器的核心運(yùn)算器件，利用單片機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和可編程的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的步進(jìn)電機(jī)控制功能。通過(guò)軟件的控制，單片機(jī)按順序給 ULN2021 不同頻率的脈沖，就可以控制電機(jī)的正、反，以及加、減速，并且通過(guò)測(cè)速模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，把所測(cè)值反饋到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)軟件編程進(jìn)行 PID 數(shù)據(jù)運(yùn)算處理從而使測(cè)量值無(wú)限接近設(shè)定值，并通過(guò) LED/LCD 顯示設(shè)定值和測(cè)量值。 顯示模：我們采用 LED/LCD顯示，主要是顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)向，和系統(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告 11 第 3 章 硬件設(shè)計(jì)與仿真 硬件是整個(gè)系統(tǒng)的平臺(tái)，各種功能的實(shí)現(xiàn)和軟件的運(yùn)行都是以硬件為基礎(chǔ)的，所以硬件設(shè)計(jì)的合理與否從根本上決定了整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量。在本設(shè)計(jì)中單片機(jī)選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機(jī)作為中央處理器，并與外接的電路構(gòu)成最小系統(tǒng)模塊。通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)所需資源的分析，選用 ATMEL公司的 8位單片機(jī) AT89C51作為主控芯片。 單片機(jī)功能及特性 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128字節(jié)內(nèi)部RAM， 32 個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告 12 全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 主要特性： （ 1） CPU 內(nèi)核完全和 MCS51 系列兼容，具有 MCS51 系列單片機(jī)的一切功能。 （ 5） 可在 0～ 24MHz 的晶振頻率范圍內(nèi)可靠工作，加快了系統(tǒng)的工作速度，可用在某些高速實(shí)時(shí)處理控制系統(tǒng)中。 圖 AT89C51引腳圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告 13 單片機(jī)最小系統(tǒng) 原理圖 采用 AT89S51 單片機(jī)構(gòu)成了控制系統(tǒng)的核心，其基本模塊就主要包括復(fù)位電路和晶體震蕩電路。對(duì)外接電容 Cl、 C2 的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告 14 驅(qū)動(dòng)芯片 ULN2021A電路是美國(guó) Texas Instruments公司和 Sprague公司開(kāi)發(fā)的高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路，由七個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成，具有電流增益高（灌電流可達(dá) 500mA）、工作電壓高（可承受 50V的電壓）、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用用于各大要求高速大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。完全可以驅(qū)動(dòng)四相 八拍電機(jī)。通過(guò)這一連接實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與 ULN2021 以及步進(jìn)電機(jī)的串聯(lián)控制。在這里所采用的是獨(dú)立按鍵，其中包括五個(gè)功能：正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止分別連接單片機(jī)的 、 、 、 管腳進(jìn)行信號(hào)輸入，由于是獨(dú)立按鍵所以按鍵的另一端公共接地，鍵盤出發(fā)脈沖是以低電平“ 0”時(shí)期觸發(fā)，除了考慮其是否有觸發(fā)電平外，還要考慮是否是由于抖動(dòng)引起誤觸發(fā)，因此在軟件設(shè)計(jì)是均要有 10ms 左右的延時(shí)來(lái)去抖動(dòng)。 圖 （ 2） LED（數(shù)碼管）顯示模式 內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告 17 LED顯示模式的驅(qū)動(dòng)方式有共陰極和共陽(yáng)極倆類型。其接線原理如圖。1D1324 5 6 1081112913U17 4 L S 1 6 4SRG8RC1/amp。對(duì)以上的單片機(jī)最小系統(tǒng)， LCD/LED 顯示模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)測(cè)速模塊，鍵盤模塊各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)論證后然后銜接起來(lái)完成了整 個(gè)硬件部分的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的總體原理圖見(jiàn)附錄。當(dāng)輸入的步數(shù)大于 5 r/min 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)從最低速度 5 r/min 開(kāi)始加速運(yùn)行，當(dāng)加速到 25 r/min 時(shí)步數(shù)仍大于 5 r/min 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定的最大速度 25 r/min 恒速運(yùn)行，當(dāng)步數(shù)小于 25 r/min時(shí)，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始減速，減速到 5 r/min 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速 5 r/min運(yùn)行。然后調(diào)用鍵盤程序，并作判斷，如果有鍵按下，則調(diào)用鍵盤處理程序。步進(jìn)電機(jī)的初始化狀態(tài)為低速正運(yùn)轉(zhuǎn)，數(shù)碼管顯示步數(shù)為 +5 r/min