【正文】 由于定子同一個極的兩端極性相同，轉(zhuǎn)子兩端極性相反，且錯開半個齒距，所以當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離平衡位置時(shí)，兩端作用轉(zhuǎn)矩的方向是一致的。按 AB→ BC→CA→ AB 或 A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→ A 順序通電則稱為三相雙三拍或三相單、雙六拍。當(dāng) A 相控制繞組接通脈沖電流時(shí)，在電磁力作用下使 A 相的定、轉(zhuǎn)子對齊，相鄰的 B 相和 C 相小齒錯開。 當(dāng)某一相的磁極處于最大 磁導(dǎo)位置時(shí)，另外兩相必須處于非最大磁導(dǎo)位置，即錯齒位置 [6]。定子上有 6 個磁極，每兩個相對的磁極組成一對，共有三對。通常給出的也是空載情 況下的運(yùn)行頻率 [5]。 4． 啟動頻率 啟動頻率又稱突跳頻率，是指步進(jìn)電機(jī)能夠不失步啟動的最高頻率，是步進(jìn)電動機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。[5]。、三相的為 176。它不一定 是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正步距角和驅(qū)動器有關(guān) [5]。/176。它又分為兩相 、三相 和五相：兩相步距角一般為 度而五相步距角一般為 度。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好。 該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能 ： 1．通過鍵盤可以設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)數(shù)（以整轉(zhuǎn)為單位）， 2．通過鍵盤可以設(shè)定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向， 3．鍵盤所設(shè)置的參數(shù)可以通過 LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。而利用單片機(jī)進(jìn)行脈沖控制，控制精度高，外圍電路相對也比較簡單，因此在工業(yè)應(yīng)用場合，基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制 器應(yīng)用廣泛。其驅(qū)動速度和指令脈沖嚴(yán)格同步，具有較高的重復(fù)定位精度，并能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和平滑速度調(diào)節(jié)。采用單極性驅(qū)動電路對小功率步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，電路簡單，實(shí)用性好。尤其在一些智能化要求較高的場合，用模擬芯片及信號發(fā)生器來控制步進(jìn)電機(jī)有一定的局限。 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院畢業(yè)論文 論文題目： 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 年 級： 2022 專 業(yè)： 機(jī)電一體化 姓 名： 宋啟明 學(xué) 號： 0942120220 指導(dǎo)教師： 荊剛 2022 年 5 月 20 日 I 摘 要 步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制驅(qū)動元件，具有快速啟動和停止的特點(diǎn)。而利用單片機(jī)進(jìn)行脈沖控制，控制精度高，外圍電路 也比較簡單，因此在工業(yè)應(yīng)用場合，基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器應(yīng)用廣泛。用 LCD顯示屏對步進(jìn)電機(jī)的預(yù)設(shè)工作狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)顯示，直觀、明了。它的運(yùn)行速度和步距 不受電源電壓波動和負(fù)載的影響，而且由于步進(jìn)電動機(jī)組成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，性能上能滿足工業(yè)控制的基本要求，在簡易數(shù)控機(jī)床，數(shù)字繪圖儀，點(diǎn)陣打印機(jī)，家用電器等大量角度、速度、位移控制系統(tǒng)中，得到了極其廣泛的應(yīng)用 [1]。 PIC 系列 8 位單片機(jī)是美國 Microchip Technology 公司推出的精簡指令集計(jì)算機(jī)（ RISC）結(jié)構(gòu)的嵌入式控制器，其硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡潔，指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡練。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 2 第一章 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理 一、 步進(jìn)電機(jī)的分類 和主要性能指標(biāo) （ 一 ） 步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電機(jī)可分為 3 大類 1． 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī) 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是有軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組，定子上有多相勵磁繞組。轉(zhuǎn)子的級數(shù)與定子的級數(shù)相同，所以步距角較大 ，一般為 度或 15 度 。這種步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最為廣泛，也是本控制系統(tǒng)所選用的步進(jìn)電動機(jī) [4]。（表示半步工作時(shí)為 176。 2． 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù) 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相，三相，四相，五相步進(jìn)電機(jī)。/176。 3． 電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩 保持轉(zhuǎn)矩 指電機(jī)各相繞組通 額定電流，且處于靜態(tài)鎖定狀態(tài)時(shí)，電機(jī)所能輸出的 最基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 3 大轉(zhuǎn)矩 。負(fù)載啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩即慣量的大小有關(guān)。 二、 步進(jìn)電動機(jī) 的結(jié)構(gòu)及工作原理 （一） 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 1． 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖 11 是一個三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。每對磁極都纏有同一繞組，也即形成一相 。 1定子 2轉(zhuǎn)子 3定子繞組 圖 11 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu) [6] 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 4 2． 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 如果給處于錯齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大的位置轉(zhuǎn)動，即向趨于對齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動。若換成 B 相通電，則電磁力使 B 相定、轉(zhuǎn)子小齒轉(zhuǎn) 過，而與 B 相相鄰的 C 相和 A 相的定、轉(zhuǎn)子小齒又錯開，即步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)過一個步距角。無論采用何種控制方式，在一個通電循環(huán)內(nèi)步進(jìn)單機(jī)轉(zhuǎn)角恒為一步距角，可以通過改變步進(jìn)電機(jī)通電循環(huán)次序來改變轉(zhuǎn)動方向，通過改變通電頻率來改變其角頻率 [1]。當(dāng)定子各相繞組按順序通以直流脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子每次將轉(zhuǎn)過一個步距角。 該步進(jìn)電動 機(jī)的正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)?AB→ A(B)→ (A)(B)→ (A)B→A B… ；反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳B→ (A)B→ (A)( B)→ A(B)→A B… 。繞組中的電流越大，阻尼作用就越大，這有利于步進(jìn)電機(jī)在低頻區(qū)工作 [4]。在停止時(shí)也應(yīng)該有一個減速過程，而不能突然停止，否則會出現(xiàn)超程現(xiàn)象 ，因此步進(jìn)電機(jī)需要加速啟動和減速停止 [7]。 f bf a? f? tt / s 圖 15 勻加減速控制 [7] 指數(shù)曲線控制是指在加速或減速時(shí)步進(jìn)電機(jī)的速度 呈指數(shù)曲線變化 。將離散所得的 轉(zhuǎn)速序列所對應(yīng)的定時(shí)常數(shù)序列，做成表格儲存在程序控制器中。自上個世紀(jì)七十年代初，液晶開始作為一種顯示媒體使用以來，液晶顯示器件 LCD 以其具有體積小，重量輕，超薄型，工作電壓低，功耗低，顯示信息量大，壽命長，不產(chǎn)生電磁輻射污染，可以顯示復(fù)雜的文字 ，圖形，表格及曲線等優(yōu)點(diǎn)，在儀表設(shè)備中作為顯示終端和人機(jī)接口，而被廣泛在各種儀器儀表，電子設(shè)備，移動通訊及家用電器中 [8]。本系統(tǒng)采用的液晶顯示模塊作為人機(jī)交基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 8 互的接口體現(xiàn)了數(shù)字化的優(yōu)勢， 能夠根據(jù)用戶的需求對 步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài) 的參數(shù) 進(jìn)行 設(shè)置 [8][9]。提供三種控制接口，分別是 8 位微處理器接口，四位微處理器接口及串行接口。 四、 PIC 單片機(jī) （一） PIC 系列單片機(jī)的特點(diǎn) 美國 Microchip 公司的 PIC 系列單片機(jī)主要有以下特點(diǎn)：（ 1）哈佛總線結(jié)構(gòu)；（ 2）指令單字節(jié)化；（ 3）尋址方式簡單；（ 4）精簡指令集（ RISC）技術(shù)；（ 5）代碼壓縮率高；（ 6）運(yùn)行速度高；（ 7）功耗低；（ 8）驅(qū)動能力強(qiáng)，達(dá)到 20mA 的電流驅(qū)動能力；（ 9）自帶硬件看門狗電路；（ 10）外接電路簡單；（ 11）開發(fā)方便。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 9 （二） PIC16F877 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 1． PIC16F877 單片機(jī)的基本功能模塊 首先對 PIC16F877 單片機(jī)的基本功能區(qū)域所包含的主要部件及其功能進(jìn)行介紹，以便對其基本功能硬件有一個概要的認(rèn)識。 2． 輸入 /輸出端口模塊 PIC16F877 單片機(jī)具有豐富的接口資源，共設(shè)置有 5 個輸入輸出端口，分別為 RA（ 6 位）、 RB（ 8 位）、 RC（ 8 位）、 RD（ 8 位）、 RE（ 3 位），合計(jì)共有 33 個引腳。一般來說，當(dāng)相應(yīng)的外設(shè)使能時(shí)，其對應(yīng)的引腳不能作為通用 I/O 引腳使用。因此對一個端口進(jìn)行寫入操作意味著總是光讀取端口的引腳電平，在修改這個值，然 后再寫入端口的數(shù)據(jù)鎖存器 [12]。本控制系統(tǒng)主要利用 TMR0 的定時(shí)功能為 步進(jìn)電機(jī)合理分配脈沖寬度以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。另外， TMR0 帶有一個 可編程預(yù)分頻器，可達(dá)到定時(shí) /計(jì)數(shù)的擴(kuò)展效果。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 12 第二章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 一、控制系統(tǒng)總體概述 本控制系統(tǒng)采用 PIC16F877 單片機(jī) 作為控制核心，通過鍵盤輸入指令， 產(chǎn)生各種控制信號， 實(shí)現(xiàn) 步進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn)速和 轉(zhuǎn)向 的 控制， 并可通過 LCD 顯示 系統(tǒng) 的 運(yùn)行狀態(tài) 。 由于本控制系統(tǒng)所控制的電機(jī)類型為兩相六線混合式步進(jìn)電動機(jī) ，因此 系統(tǒng)由PIC16F877 單片機(jī)的 PORTA 端口產(chǎn)生 A 和 A、 B 和 B 兩相信號 。 由于本設(shè)計(jì)所要控制的步進(jìn)電機(jī)功率較小， 步距角也相對較小，所要求實(shí)現(xiàn)的控制精度要求也不是很高，因此 采用單極性驅(qū)動電路并且 省略了細(xì)分驅(qū)動電路，硬件電路相基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 13 對來說比較簡單。步進(jìn)電機(jī)控制信號將 PIC16F877 單片機(jī)的 PORTA 端口的 RARA RA RA5， 4 個引腳輸出的具有時(shí)序的高低電平作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號，用于作用在作為開關(guān)的三極管基極以導(dǎo)通三極管，使直流電壓源能直接向步進(jìn)電機(jī)供電。圖 23 為單電壓功率驅(qū)動電路 的原理圖（只畫出其中一相）。通常在繞組回路中串入電阻 Rs，使繞組回路的時(shí)間常數(shù)減小。 另外在本設(shè)計(jì)中我們使用 PORTD 作為單片機(jī)與液晶的數(shù)據(jù)接口。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 16 圖 25 單片機(jī)與鍵盤接口電路 三、步進(jìn)電動機(jī)的選型 在本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用 日本某 公司出產(chǎn)的兩相六線混合式步進(jìn)電動機(jī)，其型號為 KP39HM2025。它工作于 MPLABIDE 集成開發(fā)環(huán)境下，利用了 MICROCHIP 公司的在線串行編程技術(shù)（ InCircuit Serial Programming?），在所仿真的 MCU（ PIC16F87X）中嵌入監(jiān)控程序來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。實(shí)時(shí)仿真調(diào)試源程序 MPLABICD 使用的資源 由于仿真 MCU（ PIC16F87X）內(nèi)嵌調(diào)試監(jiān)控程序和使用 MICROCHIP“在線串行編程 ”功能， MPLABICD 將會占用仿真 MCU 中的以下資源： 六個通用文件寄存器保留給調(diào)試監(jiān)控程序（見表 21） 控制系統(tǒng)總流程圖如圖 31 所示。所以系統(tǒng)監(jiān)控模塊只完成對系統(tǒng)的初始化設(shè)置，通過鍵盤中斷，實(shí)現(xiàn)鍵盤掃描及處理程序的跳轉(zhuǎn)。 //顯示屏 清屏 LCD_printer (0,0,str4)。 //確認(rèn)按鍵標(biāo)志位復(fù)位 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 20 while(!affirm) //設(shè)置轉(zhuǎn)向 { while(!keyset_manage) //掃描按鍵標(biāo)志位 {。 //電機(jī)方向標(biāo)志位取反 DF_set=0。 } } （三）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置 本步進(jìn)電 動 機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置 共 分為三個檔次，其中一檔為 100 轉(zhuǎn) /分，二 檔為 150 轉(zhuǎn) /分，三檔為 200 轉(zhuǎn) /分，只用一個按鍵來實(shí)現(xiàn)各轉(zhuǎn)速之間的切換。 對 PIC 單片機(jī)進(jìn)行初始化后由其掃描鍵盤，鍵盤消除抖動及控制，得到輸入的數(shù)據(jù)或命令，并通過 INT 中斷與單片機(jī)進(jìn)行信息交換，單片機(jī)根據(jù)得到的不同信息執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，同時(shí)將處理結(jié)果送 PIC 單片機(jī)由其完成數(shù)據(jù)顯示的管理 和 LCD 顯示屏的控制，顯示步進(jìn)電動機(jī)的各種控制信息。本控制系統(tǒng)軟件部分共用到字符模式清屏子程序LCD_clear(void)、打印字符子程序 LCD_printer(unsigned char, unsigned char, unsigned char*)、黑屏待機(jī)子程序 LCD_black(void)。 RA 端口的數(shù)據(jù)格式與步進(jìn)電機(jī)的型號有關(guān)。步進(jìn)電動機(jī)反向勵磁與正向相似。amp。amp。amp。amp。外部 INT 中斷已在第三節(jié)鍵盤處理模塊中詳細(xì)講述，由于步進(jìn)電動機(jī)控制信號的頻率是由 TMR0 溢出中斷的定時(shí)初值和 分頻比 決定的，這里著重講述內(nèi)部定時(shí)器 TMR0 中斷。 通過定時(shí)器中斷的方法產(chǎn)生硬件延時(shí)的效果，只需調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 ff q加 速恒 速減 速t 圖 36 控制系統(tǒng)的加減速曲線 本控制系統(tǒng)利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)加減速時(shí)，采用的是定時(shí)器中斷方式，實(shí)際上是改變定時(shí)器裝載值的大小，這在前面已經(jīng)說明。程序執(zhí)行過程中，每次速度升一檔，都要計(jì)算這個臺階應(yīng)走的步數(shù)，然后以遞減方式檢查，當(dāng)減至零時(shí)，該檔速度運(yùn)行完畢，升入又一檔速度 [15]。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 26 fn 3ffn 2fn 0fn 1t?t 圖 37 步進(jìn)電機(jī)的加減速曲線 [15] 在本控制系統(tǒng)中，軟件實(shí)現(xiàn)的方法是通過不斷修改定時(shí)器 TMR0 初值來實(shí)現(xiàn)的。 \\步進(jìn)電機(jī)停止標(biāo)志位置位 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 27 else \\電機(jī)正常運(yùn)行，對電機(jī)速度參數(shù)進(jìn)行 { \\設(shè)置 Signal=1。 j++。 由于該系統(tǒng)是用于 作為控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)