【正文】 stem .......................................20 system functions..........................................................21 Chapter 4 hardware system design ..................................................22 VI system ..................................................................................22 system AT89C51MC U 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 LC D1602 ...........................................27 keyboard circuit ..........................................................34 watchdog reset circuit..................................................36 The drive circuit of L298N .........................................38 power supply circuit ....................................................41 Chapte r5 syste m software design ....................................................43 system software flowchart of.................................................43 system initialization process in F igure ..................................44 The step motor running module flowchart .............................45 system shows the process in F igure .......................................46 standby keyboard operation process .............................47 continuous operation mode the keyboard operation process.................................................................................49 Chapte r6 s ummarizes ......................................................................52 conclusions ...........................................................................52 Reference .........................................................................................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 步進電機在工業(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。 I 畢業(yè)設(shè)計論文 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要 步進電機是一種通過電脈沖信號控制相繞組電流實現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動的機電元件，與其他類型電機相比具有易于開環(huán)精確控制、無積累誤差等優(yōu)點，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)計一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應(yīng)性強，操作方便，可靠性高的，能夠有機地把電子技術(shù)、單片機技術(shù)、電機的控制技術(shù)結(jié)合起來步進電機控制系統(tǒng)。近年來，控制技術(shù)、計算機技術(shù)及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，有力地推動了步進電機控制技術(shù)的進步，提高了步進電機運動控制裝置的應(yīng)用水平。此種控制電路設(shè)計簡單，功能強大，可實現(xiàn)一般步進電機的細分任務(wù)。采用閉環(huán)控制，即能實現(xiàn)高精度細分，實現(xiàn)無級調(diào)速。 PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。通過 PLC 編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，進而控制伺服機構(gòu)的進給速度。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脈沖控制器 環(huán)形分配器 驅(qū)動電路 步進電機 3 資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。 圖 12 基于 PLC 控制步進電機系統(tǒng)圖 基于單片機控制手段 單片機在工業(yè)控制中以其高速、精準、成本低廉的特性得到了廣大工程設(shè)計者的青睞，近幾年，以單片機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，而以單片機作為核心的步進電機生產(chǎn)運行系統(tǒng)也成為了時下比較熱門的研究課題。由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進電機正轉(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，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。 單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。在日本和西方等發(fā)達國家早期都是研制和應(yīng)用磁阻式步進電機，但是由于固有的能量利用率低、振動和噪音大等缺點逐步被淘汰掉，目前在 5 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的不通電的情況下定位力矩為零的時候才使用 。 [4] 在我國，步進電動機的研究始于 1958 年，當時只有清華大學，華中理工大學等少數(shù)高等院校在從事這項工作。 70 年代末形成了以定子6 個極、轉(zhuǎn)子 40 齒的三相磁阻式電動機為主，另外還有定子 10 個極、轉(zhuǎn)子 100 齒的五相磁阻式電動機等共存的步進電機應(yīng)用局面。 單電壓驅(qū)動 圖 14 單電壓驅(qū)動原理圖 單電壓驅(qū)動是指在電機繞組工作過程中，只用一個方向電壓對繞組供電。 7 為使通電時繞組電流迅速達到預(yù)設(shè)電流，串入電阻 Rc；為防止關(guān)斷 T 時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)一個二極管 D 和電阻 Rd，為繞組電流提供一個泄放回路，也稱“續(xù)流回路”。 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 把步進電機繞組電流值轉(zhuǎn)化為一定比例的電壓，與 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的預(yù)設(shè)值進行比較，控制功率管的開關(guān)，從而達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。 細分驅(qū)動器工作在 5 細分狀態(tài) 176。 176。；而用細分驅(qū)動器工作在 10 細分狀態(tài)時，電機只轉(zhuǎn)動了 176。 提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩 尤其是對三相反應(yīng)式電機，其力矩比不細分時提高約 3040% 。 11 本課題研究的意義是了解單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成，學習單片工作原理及其內(nèi)部工作狀態(tài)，并熟悉不同時刻，單片機輸入輸出情況；了解步進電機的分類和用途，掌握步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理，并學習使用單片機簡單控制步進電機的正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及簡單了解國內(nèi)外步進電機的發(fā)展狀況。 第二章步進電機的概述，闡述步進電機的特點、分類和工作原理，為后面的硬件、軟件設(shè)計提供必須的理論基礎(chǔ)。 第五章為系統(tǒng)軟件設(shè)計 . 13 第 2 章 步進電機概述 步進電機指的是以數(shù)字脈沖信號作為電機線或教位移的控制信號，并以數(shù)字脈沖頻率對電機的轉(zhuǎn)速進行控制的動力控制系統(tǒng)。 [11] 步進電機的特點 步進電機具有自身的特點，歸納起來有 : 可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價； 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，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)特點電磁式步進電機可分為反應(yīng)式 (VR)、永磁式 (PM)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 )，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電。這種電動機最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機設(shè)計的，后來發(fā)現(xiàn) 如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。 當開關(guān) SC 接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時，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。 運動控制是一門有關(guān)如何對物體位置和速度進行控制的技術(shù)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。運動控制系統(tǒng) 驅(qū)動部件 運動執(zhí)行部件 機械裝置 18 步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖 信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速 。在本論文第一章，已經(jīng)對此作了介紹。 采用單片機作為控制核心的控制系統(tǒng)如圖 32 所示。使用單片機以軟件方式驅(qū)動步進電機，不但可以通過編程方法，在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定單片機系統(tǒng) 驅(qū)動電路 步進電機 機械裝置 外圍電路 19 步進電機的轉(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電機的運行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。以三相步進電機為例，電流脈沖的施加共有 3 種方式。ACCBAB 一反轉(zhuǎn)。以其中的幾個口控制驅(qū)動電路，由于步進電機工作時，電機繞組內(nèi)的電流值一般都能達到數(shù)安培，而控制電機繞組內(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)計時都要設(shè)計電壓隔離接口，以便把數(shù)字信號和模擬信號隔離開 .所以將光電隔離電路接在驅(qū)動電路和單片機出口之間。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計通常采用模塊化結(jié)構(gòu)，