【正文】 ......15 Chapter 3 ste ppe r motor control syste m ove rview ......................... 17 stepper motor control syste m...................................................17 The characteristics and function of the system........................20 Characteristics of the system .........................................20 system functions ............................................................21 Chapte r 4 hardware syste m design.................................................... 22 system ......................................................................................22 systemAT89C51MCU core ......................................................22 The main characteristics of............................................23 The pin...........................................................................23 Oscillator characteristics ...............................................25 chip erase .......................................................................25 minimum system ............................................................26 The peripheral circuit design ...................................................27 display circuit LCD1602 .............................................27 VI keyboard circuit .............................................................34 w atchdog reset circuit....................................................36 The drive circuit of L298N...........................................38 pow er supply circuit ......................................................41 Chapte r5 syste m software design ...................................................... 43 system software flow chart of ...................................................43 system initialization process in Figure ....................................44 The step motor running module flowchart ...............................45 system shows the process in Figure .........................................46 standby keyboard operation process ..............................47 continuous operation mode the keyboard operation process 49 Chapte r6 summa rizes ......................................................................... 52 conclusions ..............................................................................52 Refere nce ............................................................................................. 54 Thanks ................................................................................................. 56 Appe ndix 1:syste m program in listing .............................................. 57 Appe ndix 2:syste m diagram ...............................................................59 1 第 1 章 緒論 前言 步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動化裝備、辦公自動化設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。有的系統(tǒng)在操作上不是很方便，交互性不強(qiáng)。I 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要 步進(jìn)電機(jī)是一種通過電脈沖信號控制相繞組電流實(shí)現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動的機(jī)電元件，與其他類型電機(jī)相比具有易于開環(huán)精確控制、無積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。 因此本文的研究內(nèi)容就是設(shè)計(jì)一套硬件系統(tǒng)較簡單、 經(jīng)濟(jì)，但功能較為齊全，適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便，可靠性高的，能夠有機(jī)地把電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、電機(jī)的控制技術(shù)結(jié)合起來步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。近年來，控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，有力地推動了步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，提高了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制裝置的應(yīng)用水平。此種控制電路設(shè)計(jì)簡單，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)。采用閉環(huán)控制，即能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。 PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計(jì)算機(jī)。通過 PLC 編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量，同時(shí)通過編程控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省 PLC 資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。 圖 12 基于PLC 控制 步進(jìn) 電機(jī)系統(tǒng)圖 基于 單片機(jī)控制手段 單片機(jī)在工業(yè)控制中以其高速、精準(zhǔn)、成本低廉的特性得到了廣大工程設(shè)計(jì)者的青睞，近幾年，以單片機(jī)作為控制核心的工業(yè)控制系統(tǒng)不斷被開發(fā)和應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域中，而以單片機(jī)作為核心的步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)也成為了時(shí)下比較熱門的研究課題。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，鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。 單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。在日本和西方等發(fā)達(dá)國家早期都是研制和應(yīng)用磁阻式步進(jìn)電機(jī)，但是由于固有的能量利用率低、振動和噪音大等缺點(diǎn)逐步被淘汰掉，目前在國外幾乎沒有了僅僅在某些場合例如在溫度很高的核反應(yīng)堆中或者需要電動機(jī)的不通電的情況下定位力矩為零的時(shí)候才使用 。 [4] 在我國，步進(jìn)電動機(jī)的研究始于 1958 年，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。 70 年代末形成了以定子6 個(gè)極、轉(zhuǎn)子 40 齒的三相磁阻式電動機(jī)為主，另外還有定子 10 個(gè)極、轉(zhuǎn)子 100齒的五相磁阻式電動機(jī)等共存的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用局面。 單電壓驅(qū)動 5 圖 14 單電壓驅(qū)動原理圖 單電壓驅(qū)動是指在電機(jī)繞組工作過程中，只用一個(gè)方向電壓對繞組供電。 為使通電時(shí)繞組電流迅速達(dá)到預(yù)設(shè)電流，串入電阻 Rc；為防止關(guān)斷 T 時(shí)繞組電流變化率太大，而產(chǎn)生很大的反電勢將 T 擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個(gè)二極管D 和電阻 Rd，為繞組電流提供一個(gè)泄放回路，也稱“續(xù)流回路”。 6 圖 15 高低壓驅(qū)動原理 如圖 15 所示， Th、 T1 分別為高壓管和低壓管， Vh、 V1 分別為高低壓電源，Ih、 I1 分別為高低端的脈沖信號。 [7] 自激式恒電流斬波驅(qū)動 圖 16 自激式恒電流斬波驅(qū)動框圖 把步進(jìn)電機(jī)繞組電流值轉(zhuǎn)化為一定比例的電壓，與 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，控制功率管的開關(guān)，從而達(dá)到控制繞組相電流的目的。這樣基本上能解決振蕩問題，但仍然存在一些問題。/176。 /176。 細(xì)分驅(qū)動器工作在 5 細(xì)分狀態(tài) 176。 176。 ；而用細(xì)分驅(qū)動器工作在 10 細(xì)分狀態(tài)時(shí)，電機(jī)只轉(zhuǎn)動了 176。 提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 尤其是對三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時(shí)提高約 3040% 。 本課題研究的意義是了解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成，學(xué)習(xí)單片工作原理及其內(nèi)部工作狀態(tài)，并熟悉不同時(shí)刻，單片機(jī)輸入輸出情況；了解步進(jìn)電機(jī)的分類和用途，掌握步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理，并學(xué)習(xí)使用單片機(jī)簡單控制步進(jìn)電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及簡單了解國內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。 第二章步進(jìn)電機(jī)的概述，闡述步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)、分類和工作原理，為后面的硬件、軟件設(shè)計(jì)提供必須的理論基礎(chǔ)。 第五章為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 10 第 2 章 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)指的是以數(shù)字脈沖信號作為電機(jī)線或教位移的控制信號，并以數(shù)字脈沖頻率對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的動力控制系統(tǒng)。 [11] 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來有 : 可以用數(shù)字信號直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡單廉價(jià) ； 位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累， 無刷，電機(jī)本體部件少，可靠性高 ； 易于啟動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，響應(yīng)性也好 ； 停止時(shí)，可有自鎖能力 ； 步距角選擇范圍大，可在幾十角分至 180O 大范圍內(nèi)選擇。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式 (VR)、永磁式 (PM)11 和混合式 (HB)三大類 。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小 (相比反應(yīng)式 )，但啟動運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電 。這種電動機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機(jī)設(shè)計(jì)的，后來發(fā)現(xiàn) 如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動。 當(dāng)開關(guān) SC 接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時(shí)，由于 C 相繞組的磁力線和 4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動， 4 號齒和 C 相繞組的磁極對齊。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。 運(yùn)動控制是一門有關(guān)如何對物體位置和速度進(jìn)行控制的技術(shù)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進(jìn)脈沖 信號的頻率，可以對電機(jī)精確調(diào)速 。在本論文第一章，已經(jīng)對此作了介紹。 運(yùn)動控制系統(tǒng) 驅(qū)動部件 運(yùn)動執(zhí)行部件 機(jī)械裝置 14 采用單片機(jī)作為控制核心的控制系統(tǒng)如圖 32 所示。使用單片機(jī)以軟件方式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，不但可以通過編程方法，在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、往返轉(zhuǎn)動的角度以及轉(zhuǎn)動次數(shù)等，而且還可以方便靈活地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求。用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。以三相步進(jìn)電機(jī)為例，電流脈沖的施加共有 3 種方式。ACCBAB 一反轉(zhuǎn)。以其中的幾個(gè)口控制驅(qū)動電路，由于步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，電機(jī)繞組內(nèi)的電流值一般都能達(dá)到數(shù)安培，而控制電機(jī)繞組內(nèi)電流變化的控制信號一般都是由邏輯電路產(chǎn)生的數(shù)字信號，電壓一般比較低，為了防止單片機(jī) 或控制信號等受到后級模擬電路的干擾，通常在驅(qū)動電源的設(shè)計(jì)時(shí)都要設(shè)計(jì)電壓隔離接口，以便把數(shù)字信號和模擬信號隔離