【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(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化裝備、辦公自動(dòng)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 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 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(guò)電脈沖信號(hào)控制相繞組電流實(shí)現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)電元件，與其他類(lèi)型電機(jī)相比具有易于開(kāi)環(huán)精確控制、無(wú)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?jī)?nèi)容就是設(shè)計(jì)一套硬件系統(tǒng)較簡(jiǎn)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(lái)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。近年來(lái)，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(dòng)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(dòng)控制裝置的應(yīng)用水平。此種控制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(wú)級(jí)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(guò) 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(guò)編程控制脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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脈沖控制器 環(huán)形分配器 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī) 3 資源，目前市場(chǎng)有多種專(zhuān)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(kāi)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(mén)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(pán)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(xún)相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)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(pán)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(guó)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(dòng)和噪音大等缺點(diǎn)逐步被淘汰掉，目前在 5 國(guó)外幾乎沒(méi)有了僅僅在某些場(chǎng)合例如在溫度很高的核反應(yīng)堆中或者需要電動(dòng)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(guó)，步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)等共存的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用局面。 單電壓驅(qū)動(dòng) 圖 14 單電壓驅(qū)動(dòng)原理圖 單電壓驅(qū)動(dòng)是指在電機(jī)繞組工作過(guò)程中，只用一個(gè)方向電壓對(duì)繞組供電。 7 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(shì)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(chēng)“續(xù)流回路”。 圖 15 高低壓驅(qū)動(dòng)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(hào)。 [7] 自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng) 圖 16 自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(wèn)題，但仍然存在一些問(wèn)題。 /176。 /176。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在 5 細(xì)分狀態(tài) 176。 176。；而用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在 10 細(xì)分狀態(tài)時(shí)，電機(jī)只轉(zhuǎn)動(dòng)了 176。 提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 尤其是對(duì)三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時(shí)提高約 3040% 。 11 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(lèi)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(jiǎn)單控制步進(jìn)電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及簡(jiǎn)單了解國(guó)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(lèi)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) . 13 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(hào)作為電機(jī)線或教位移的控制信號(hào)，并以數(shù)字脈沖頻率對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的動(dòng)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(lái)有 : 可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單廉價(jià)； 位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累， 無(wú)刷，電機(jī)本體部件少，可靠性高； 易于啟動(dòng)、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)和混合式 (HB)三大類(lèi) 。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。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。這種電動(dòng)機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動(dòng)用的交流同步機(jī)設(shè)計(jì)的，后來(lái)發(fā)現(xiàn) 如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動(dòng)機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)開(kāi)關(guān) SC 接通電源， SB、 SA、 SD 斷開(kāi)時(shí)，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)， 4 號(hào)齒和 C 相繞組的磁極對(duì)齊。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。 運(yùn)動(dòng)控制是一門(mén)有關(guān)如何對(duì)物體位置和速度進(jìn)行控制的技術(shù)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)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。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)部件 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件 機(jī)械裝置 18 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比，控制步進(jìn)脈沖 信號(hào)的頻率，可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速 。在本論文第一章，已經(jīng)對(duì)此作了介紹。 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(dòng)步進(jìn)電機(jī)，不但可以通過(guò)編程方法，在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定單片機(jī)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī) 機(jī)械裝置 外圍電路 19 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、往返轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)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(mǎn)足不同用戶(hù)的要求。用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對(duì)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(dòng)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(hào)一般都是由邏輯電路產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)，電壓一般比較低，為了防止單片機(jī)或控制信號(hào)等受到后級(jí)模擬電路的干擾，通常在驅(qū)動(dòng)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(hào)和模擬信號(hào)隔離開(kāi) .所以將光電隔離電路接在驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)出口之間。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)通常采用模塊化結(jié)構(gòu)，