【正文】 hat could be to transform the electrical pulse signal into angular displacement or linear motor openloop system is both simple and cheap, reliable and stable. It has instant start, rapid stop, and high present, printer, plotter, robot, CNC machine tools and other equipment with stepping motor as the core driving various kinds of office automation equipment and control devices, and other fields have extremely extensive application. This article describe the stepper motor controled system design which is based on the microcontroller, Through the singlechip microputer, ULN2020 drive chip and corresponding key achieve those functions, and the working state of the stepping motor with corresponding digital tube system USES the modular design, simple structure, reliable, and the manmachine interface can realize A variety of function setting, simple operation, easy to master. This paper introduces the content of the stepping motor and the principle of singlechip microputer, the system hardware circuit, program position, at the same time for the software and hardware debugging, introduces making PCB steps. This design has clear thinking, high reliability, and strong stability and other characteristics, through the debugging realize the following main functions: (1) Controlling the corotation and inversion of the stepper motor。 (5) synchronously displaying the circle number and speed of the stepper motor. Key words ste pping motor PM25L024STB6。可以說(shuō)步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)控制脈沖，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。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，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)。 隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增， 研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)具有 十分 重要的意義。當(dāng)時(shí)只有清華大學(xué) ， 華中理工 大學(xué)等少數(shù)高等院校在從事這項(xiàng)工作。由于上述三種類型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及作用原理各不相同 ， 因此其市場(chǎng)的應(yīng)用以及發(fā)展的情況也各不相同。 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)。另外通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn)， 步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差 (精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)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，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。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的是步距角為 度的四相八拍永磁式步進(jìn)電機(jī)。 3. 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 5. 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常的可靠。 8. 步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 如打印機(jī)，繪圖儀、數(shù)控機(jī)床切割。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 ， 但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī) 結(jié)構(gòu) (三 相 ) 圖 21 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 如圖 21 所示，步進(jìn)電機(jī)分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分： 1. 定子：由硅鋼片疊成的，定子上有 6 大磁極，每 2 個(gè)相對(duì)的磁極（ N， S）組成一 對(duì)，共有 3 對(duì)。就是 A，齒 5 就是齒 1）。而對(duì)于三相步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)某一相得磁極處于最大磁導(dǎo)位置時(shí)，另外兩相必須處于非最大磁導(dǎo)位置，即定子和轉(zhuǎn)子不對(duì)齊位置，這種現(xiàn)象被稱為錯(cuò)齒。依次類推， A、 B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、 B、 C、 D 方向轉(zhuǎn)動(dòng) [4]。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24 的 a， b， c 所示：西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) a)單四拍 b)雙四拍 c)八拍 圖 24 步進(jìn)電機(jī)工作方式 工作方式（ 四 相） 1. 單 四 拍：通電順序?yàn)?： A→ B→ C→ D； 2. 雙 四 拍：通電順序?yàn)?： AB→ BC→ CD→ DA； 3. 四 相 八 拍：通電順序?yàn)?： A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA； 這三種工作方式的區(qū)別，如下表所示： 表 21 步進(jìn)電機(jī)三種工作方式的性能比較 工作方式 單 四 拍 雙 四 拍 八 拍 步進(jìn)周期 T T T 每相通電時(shí)間 T 2T 3T 走齒周期 4T 4T 8T 相電流 小 較大 最大 高頻性能 差 較 好 較好 轉(zhuǎn)矩 小 中 大 電磁阻尼 小 較大 較大 振蕩 容易 較容易 不容易 功耗 小 大 中 由表 21 可以看出這三種工作方式中， 八 拍的性能最好，單 四 拍的性能最差，因此，在步進(jìn)電機(jī)的控制應(yīng)用中，選擇合適的工作方式非常重要，本文主要研究的是 四 相 八 拍工作方式。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。 最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步 步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步是一種普遍存在的現(xiàn)象，它影響應(yīng)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此要盡力去避免。在振蕩區(qū)，主要表現(xiàn)是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，振蕩加劇，噪音增大，力矩下降，嚴(yán)重的甚至失步。 1. 多相勵(lì)磁法：采用多相勵(lì)磁會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼，會(huì)削弱或消除振蕩現(xiàn)象。同時(shí)，也相對(duì)地提高步進(jìn)頻率，使步進(jìn)過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行。例如，步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，如果脈沖的頻率較高，由于電動(dòng)機(jī)來(lái)不及獲得足夠的能量，使其無(wú)法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，所以引起失步。這主要發(fā)生在制動(dòng)和突然換向時(shí)，轉(zhuǎn)子獲得過(guò)多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過(guò)沖，引起失步。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動(dòng)或停止都完全取決于脈沖的有無(wú)或頻率的高低。控制電路輸出的信號(hào)功率很低，不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率，必須進(jìn)行功率放大，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)部分 [8]。 40 管腳雙列直插式封裝管腳圖如 32 圖所示。 步進(jìn)電機(jī)的方向控制方法是： 用單片機(jī)輸出接口的每一位控制一根相繞組。 1B12B23B34B45B56B67B7COM97C106C115C124C133C142C151C16GND8 圖 33 ULN2020A 芯片 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 驅(qū)動(dòng)模塊直接采用 ULN2020 芯片，如圖 35 所 示。采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式，硬件電路簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)便、顯示信息清晰 [5]。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) a1b2c3d4e5f6g7dp891011121314U2DIG6123456789RP1RESPACK812345678RST910111213141516172122232425262728PSEN29ALE303233343536373839GND20EA31VCC40XTAL218XTAL119U18051 VCCK1K2K3K4GNDDIR1A02A13A24A35A46A57A68VCC20OE19B018B117B216B315B414B513A79GND10B612B711U374HC245VCCGND 6位數(shù)碼管123P1GNDVCCHeader1GNDVCC電源X2 X1RST 圖 34 按鍵部分電路 步進(jìn)電機(jī)部分 該設(shè)計(jì)中所用到的步進(jìn)電機(jī)為四相六線步進(jìn)電機(jī) ?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速 [10]。 表 31 步進(jìn)電機(jī)控制線 紅 色 紅色 橙色 棕色 黃色 黑色 公共端 公共端 A B C D 其中， A 與 C 是電機(jī)內(nèi)部一組線圈的兩個(gè)抽頭 ， D 與 B 是另一組線圈的兩個(gè)抽頭。 圖 41 系統(tǒng)程序流程圖 通過(guò) 流程圖 分析可以看出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于隨時(shí)有可能輸入加速、加速信號(hào)和方向信號(hào)，因而采用中斷方式效率最高，這樣總共要完成 4西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁(yè) 個(gè)部分的工作才能滿足課題要求，即主程序部分、定時(shí)器中斷部分、外部中斷 0 和外部中斷 1部分，其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置及啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的檢測(cè)，若啟動(dòng)開(kāi)關(guān)合上則系統(tǒng)開(kāi)始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時(shí)器部分控制脈沖頻率，它決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢；兩個(gè)外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能 。 初 始 化開(kāi) 始顯 示開(kāi) 關(guān) 啟 動(dòng) ？停 止 計(jì) 數(shù) 器速 度 為 1 ？停 止 計(jì) 數(shù) 器啟 動(dòng) 計(jì) 數(shù) 器延 時(shí)結(jié) 束N N Y Y 圖 42 主程序流程圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁(yè) 定時(shí)中斷設(shè)計(jì) 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是給電機(jī)各繞組按一定的時(shí)間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通入電流，步進(jìn)電機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn)，時(shí)間間隔越短，速度就越快。速度增加按鈕 K3 為 INT0 中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當(dāng)值等于 9時(shí)，不改變?cè)瓟?shù)值返回，小于 9 時(shí)，數(shù)據(jù)加 1 后返回；速度減少按鈕 K4，當(dāng)原數(shù)據(jù)不為 1，減 1 保存數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)為 1 則保持不變。在 原理圖繪制 、 PCB 版圖設(shè)計(jì)， 編輯和制造 ,可編程邏輯器件 (PLD)設(shè)計(jì)、仿真、板卡設(shè)計(jì)和自動(dòng)布線 有著諸多的優(yōu)點(diǎn)： 1. 支持不依賴于 FPGA 廠商即各個(gè)廠商通用的數(shù)字系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。 5. 交互 式布線， 系統(tǒng)將動(dòng)態(tài)顯示最優(yōu)布線路徑，只需要敲擊鍵盤(pán)就可以完成單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的布線。 元件 封裝 對(duì)于已經(jīng)繪制好的原理圖，下一步就是對(duì)元件進(jìn)行封裝，雙擊元件 — 添加 —Footprint， “ PCB 庫(kù) ” 選擇任意。在右方就會(huì)生成自己新建的庫(kù)。如果在這里出現(xiàn)問(wèn)題，很可能會(huì)對(duì)后面的工作造成很大的麻煩，甚至使設(shè)計(jì)工作無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。其中有些參數(shù)可以直接采用系統(tǒng)的缺省值，有些參數(shù)必須根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行修改，而有些