【正文】 ............................................................. 53 附 錄 .............................................................................................................................................. 54 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 1 緒論 課題背景及意義 課題 的目的和意義 步進(jìn)電機(jī)在 機(jī)電一體化 中 是一種非常重要的執(zhí)行元件， 其 良好的伺服性能使得步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 是 控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵組成，它由步進(jìn)電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)器、系統(tǒng)軟件等部 件構(gòu) 成 ，步進(jìn)電機(jī) 的運(yùn) 行 狀態(tài)主要由 步進(jìn)電機(jī)控制 系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn) 。 關(guān)鍵字 ：步進(jìn)電機(jī) ；單片機(jī)；驅(qū)動(dòng)芯片；仿真 ABSTRACT The pulse motor is also called a stepper motor , the control system is a digital actuator . Its function is converted into an electric signal pulse corresponding angular displacement or linear displacement . Stepper motor speed control can be in a wide range by varying the pulse frequency 。 步進(jìn)電機(jī)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 生產(chǎn)生活特別是精密控制領(lǐng)域 獲得了廣泛的應(yīng)用。 院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評閱書 指導(dǎo)教師評語 （ ① 基 礎(chǔ)理論及基本技能的掌握； ② 獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力； ③ 研究內(nèi)容的 理論依據(jù)和技術(shù)方法； ④ 取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)； ⑤ 工作態(tài)度及工作量； ⑥ 總體評價(jià)及建議成績； ⑦ 存在問題； ⑧ 是否同意答辯等）： 成 績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評閱教師評閱書 評閱教師評語 （ ① 選題的意義； ② 基礎(chǔ)理 論及基本技能的掌握； ③ 綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力； ③ 工作量的大小； ④ 取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)； ⑤ 寫作的規(guī)范程度； ⑥ 總體評價(jià)及建議成績； ⑦ 存在問題； ⑧ 是否同意答辯等 ）： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及綜合成績 答 辯 情 況 提 出 問 題 回 答 問 題 正 確 基本 正確 有一般性錯(cuò)誤 有原則性錯(cuò)誤 沒有 回答 答辯委員會(huì)評語及建議成績： 答辯委員會(huì)主任簽字： 年 月 日 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評定成績： 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日 摘 要 步進(jìn)電機(jī)又稱為脈動(dòng)電機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。其功能是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移 。 步進(jìn)電機(jī)不可以 直接 連接 交流 電源 或直流電源 ， 只能通過脈沖電源驅(qū)動(dòng)。 fast start , reverse and brake . It does not transform the digital pulse signal can be directly converted to angular displacement , it is suitable for the use of microputer control. Stepper motor pared with other types of motor control with easytoopenloop accurate , error free accumulation of advantages , such as , in particular, precise control of production and living areas to obtain a wide range of applications. Stepper motor can not be directly connected to AC or DC power , can only be driven by a pulsed power supply . The use of singlechip stepper motor control, can automatically and precisely control the plex control process , the control accuracy is not out of step , the impact of the shock , the flexibility and versatility of the interface circuit is also greatly improved , and the display circuit , keyboard circuit, reset circuit and other peripheral circuits can be well bined, system interaction is good. The first design and performance of the stepper motor and drive control chip made a detailed understanding and knowledge , using SCM stepper motor reversing control acceleration and deceleration, reset and singlestep operation, in proteus simulation environment the simulation , debugging success , then the hardware circuit board soldered package implementation, will integrate theory into practice . Keywords : stepper motor。步進(jìn)電機(jī)可在 非常 廣的范圍內(nèi)通過 改變 脈沖 頻率 來實(shí)現(xiàn)調(diào)速， 它還可以 快速啟停 、 正反轉(zhuǎn) 、自鎖 等， 這使得 步進(jìn)電機(jī)組成的開環(huán)系統(tǒng)簡單 、 廉價(jià) 、 可 靠。 國內(nèi)外 對步進(jìn)電機(jī) 研究 的 現(xiàn)狀、 水平 和發(fā)展 趨勢 步進(jìn)電機(jī) 是 數(shù)字控制 系統(tǒng) 的執(zhí)行元件。功放驅(qū)動(dòng)元件除了用 到 晶體管以外， 還用到了 晶閘管，電源線路采用兩種不同電壓等級(jí)的驅(qū)動(dòng)器 而不再是 采用單一電壓 等級(jí)的驅(qū)動(dòng)器 。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的一個(gè) 有極具 發(fā)展 優(yōu)勢的方向 是微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)， 又稱為 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。然后將步進(jìn)電機(jī)、控制電路以及功率放大驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行組合，就可以組成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，該控制方案既可實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，也可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 缺點(diǎn)： 該控制電路的脈沖輸出頻率及其脈沖輸出數(shù)主要是通過使用一些大規(guī)模集成電路來進(jìn)行控制；方案可以實(shí)現(xiàn)的功能較少；一旦控制方案需要稍加改變，就必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，缺乏必要的靈活性。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成有以下幾個(gè)部分，即 PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路。但這樣的組成有一個(gè)缺點(diǎn)，就是步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下 工作，無法實(shí)現(xiàn)高速控制，并且在速度較高時(shí)，相應(yīng)的控制精度會(huì)降低，這是因?yàn)?PLC 的掃描周期通常為 千分之幾 秒到 百分之幾 秒，相應(yīng)的頻率就能達(dá)到幾百赫茲 [2]。鑒于單片機(jī)具有非常強(qiáng)大的功能，我們還可以設(shè)計(jì)大量的外圍控制電路，將鍵盤作為外部中斷源，對步進(jìn)電機(jī)的一系列的功能進(jìn)行設(shè)置，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔位、停 止等；利用單片機(jī)的軟件編程完成脈沖分配，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器的功能；使用中斷和查詢相結(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) [3]。 整個(gè)論文的內(nèi)容包括： 1. 弄清并理解關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的工作原理、分類及特點(diǎn)等基本知識(shí)； 2. 理解有關(guān)步進(jìn)電機(jī)的控制技術(shù)，并提出自己針對步進(jìn)電機(jī)的控制方案； 3. 利用 Proteus 仿真環(huán)境 ，繪制基于 AT89C51 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件原理電路； 4. 利用 C 語言編制基于 AT89C51 的步進(jìn)電機(jī)控制軟件，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度、方向 、 點(diǎn)動(dòng)、 復(fù)位的 控制 ； 5. 搭建設(shè)計(jì)模型； 6. 撰寫論文。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 2 元器件 介紹 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 也 叫脈沖電機(jī)，是 一種 將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 可以 通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和加速度 ， 達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 1. 步進(jìn)電機(jī)不積累誤差，一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3%~5%； ，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的 最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在 130 攝氏度以上，有的甚至高達(dá) 200 攝氏度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在 80 攝氏度到 90 攝氏度完全正常； ，可以在很大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣一來，就可以保證在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速很低的情況下，仍然可以獲得非常大的轉(zhuǎn)矩，因此，這個(gè)時(shí)候就可以在沒有減速器的情況下去直接的進(jìn)行負(fù)載驅(qū)動(dòng) [2][3]； 4. 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降； ，易于啟動(dòng)停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和加速 減速 ；帶慣性載荷的能力強(qiáng)； ，步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)主要是由步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路兩大部分組成的，不僅方便便宜，并且滿足可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。 下面簡要說明這三種類型的步進(jìn)電機(jī)。此種步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)特點(diǎn)，就是轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)是相同的。具體來講，就是定子有多相繞組，轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成，為了提高控制的精確度，在轉(zhuǎn)子和定子上安有許多個(gè)小齒。舉個(gè)例子來說，兩相的混合式步進(jìn)電機(jī)，這種電機(jī)的步距角大約是每步一點(diǎn)八度，假如我們給該電機(jī)配置半步驅(qū)動(dòng)器，那么步距角就會(huì)減少為 度，而配置細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，它的步距角可以達(dá)到 度每微步。步進(jìn)電 機(jī)的步距角是反映步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次 , 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。矩角特性是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要特性，它是指步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的變化規(guī)律。若啟動(dòng)時(shí)頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電機(jī)就不能正常啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 到靜止的加減速過程中 , 定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系。 步進(jìn)電機(jī) 的工作原理 圖 反應(yīng)式 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例。所謂“ 三相 ” ，是指此步進(jìn)電機(jī) 具有 三相 定子 繞組； “ 單 ” 是指 每次 只有一 相 繞組通電 ；“ 三 拍” 指三次換接 為一個(gè)循環(huán)第四次換 接 重復(fù)第一次的情況。 ，使轉(zhuǎn)子齒 2 和齒 4 的 軸線與定子 B 級(jí)軸線對齊。 (a)A 相通電 (b) B 相通電 (c) C 相通電 圖 單三拍通電方式時(shí)轉(zhuǎn)子位置 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 其 轉(zhuǎn)速 取決于 輸入