【正文】 按鍵處理。 輸入步數(shù)大于 100 時的調(diào)速過程如圖 所示。其具體功能如下： 按正轉(zhuǎn)按鍵時，步進電機正轉(zhuǎn)；按反轉(zhuǎn)按鍵時， 步進電機反轉(zhuǎn)；按停止按鍵時，步進電機步進電機停止運行；通過鍵盤 可 輸 入所需要 運行 的步數(shù)，輸入的步數(shù)的范圍為 0— 9999 步，當輸入?yún)?shù)完畢后，按啟動按鍵步進電機開始運行，同時數(shù)碼管顯示所需要 運行 的步數(shù)并通過 LED 顯示步進電機的運行狀態(tài)。軟件抗干擾是計算機應用系統(tǒng)提高可行性的有力措施。各個功能程序運行狀態(tài)、運行結(jié)果以及運行要求 都設置狀態(tài)標志以便查詢，程序的轉(zhuǎn)移、運行、控制都可通過狀態(tài)標志條件來控制。 （ 2）各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，子程序化。 本章小結(jié) 本章首先介紹了硬件系統(tǒng)設計原則 和 控制系統(tǒng)總體設計，其次 對 主要元 器件 進行了 選擇和介紹。 控制系統(tǒng)整體電路設計 將各接口電路有機結(jié)合起來形成 一個 完整的電路 ， 電路圖如附錄 C 所 示。 當 VCC=0 時， VCC 端與地等電位，電容 C 通過 VD 迅速放電 。單片機外部的復位電路如圖 所示，該電路具有手動復位 和上電復位 的 功能。 （ 2） 并行接法 ： 使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用 I/O 口單獨輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。對于不同 類型 的步進電機及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。 環(huán)形脈沖分配器由 EPROM 和可逆計數(shù)器構(gòu)成，將步進電機的勵磁狀態(tài)以二進制的形式存入 EPOROM，只要按照地址的正向或反向 順序依次 取出地址內(nèi)容， EPROM 的輸出就是步進電機的勵磁狀態(tài) 。每來一個 CP 脈沖，環(huán)內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 28 形脈沖 分配器的輸出就轉(zhuǎn)換一次。 74LS191 是單時鐘方式的可逆計數(shù)器 ， 計數(shù)器的輸出 QA～ QD 接 EPROM 的 低 四位地址線，這樣可以選通 EPROM的十六個地址（ 00H～ 0FH） ，將步進電機的勵磁狀態(tài)從 EPROM 中輸出 ，控制繞組的導通和截止 。 2716 的 管腳排列 如圖 所示 。 因此， AT89C51 系列單片機以其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設計中得到了廣泛的應用，由于其內(nèi)部功能完善，可以大大減少擴展系統(tǒng)外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在 本 控制系統(tǒng)的設計中，選用了 AT89C51 單片機 作 為中央控制單元。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 25 （ 2） 內(nèi)部集成了 4K 字節(jié)的在線可編程 FlashROM，可滿足大部分系統(tǒng)擴展的需求，編程方更快捷。 圖 系統(tǒng)硬件框圖 主要元件的選擇 單片機的選擇 隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計算機有了飛速的發(fā)展。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動能力，增設線驅(qū)動器或減少芯片功耗，降低總線負載。所以 選擇軟件方案時，要考慮到這些因素。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 23 第三章 控 制系統(tǒng)硬件設計 硬件系統(tǒng)設計原則 系統(tǒng)的擴展和模塊設計應遵循下列原則 【 12 】 ： （ 1）盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。 表 各站點距離 序號 站點 距離 1 供料站 — 加工站 470mm 2 加工站 — 裝配站 286mm 3 裝配站 — 分揀站 235mm 4 分揀站 — 返回工作原點 925mm 選用的步進電機的步距角越小，定位精度就越高。內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 22 由此可以算出每個站點之間的需要走的步數(shù)，即需要總的脈沖個數(shù)。 當停車時，由較高的頻率突然 降為零頻率，使步進電機立即停止， 可能會 由于 系統(tǒng) 慣性的原因，轉(zhuǎn)子 會 沖過終點，結(jié)果 使 停車不準確 ，因此 停車也必須 有 一個降頻的過程。搬運站的整體運動采用步進電機驅(qū)動，具有定位精確和快速的特點。 步進電機 在自動生產(chǎn)線中的應用 由于步進電機的運動特性受電壓波動和負載變化的影響 比較 小，方向和轉(zhuǎn)角控制簡單，并且步進電機能直接接受數(shù)字量的控制，非常適合采用微機進行控制。其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間向 CPU 申請一次中斷， CPU 響應中斷后便發(fā)出一個脈沖。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時時間間隔；在減速時，可以均勻地增加延時時間間隔。采用步進電機的加減速控制可以有效 地 克服步進電機啟動過程中出現(xiàn)失步的問題 ，提高系統(tǒng)的響應速度 和精度 【 8】 。 升速時使脈沖逐漸加密，減速時使脈沖逐漸變疏。按直線規(guī)律升速時加速度為恒定，因此要求步進電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。特別是在要求快速響應的工作中，從起點到終點的時間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短而恒速時速度最高 。因此在點位控制過程中，運行速度需要有一個加速 — 恒速 — 減速 — 低恒速 — 停止的過程，上述的變速控制過程如圖 所示。系統(tǒng)運行 起來之后，如果 到達 終點時立即停止 ，可能會因系統(tǒng) 慣性的原因， 發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象，使點位 控制 發(fā)生偏差，所以從高速運行到停止也 應該 有減速的措施 【 6 】 。當步進電機帶內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 18 負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。 步進電機的變速控制 對于大多數(shù)的任務而言，總希望 控制系統(tǒng) 能盡快地 到達 控制終點。其接口電路原理圖如圖 所示 。 由于 步進電機需要的驅(qū)動電流比較大，所以單片機與步進電機的連接都需要專門的接口電路及驅(qū)動電路。 (4) 電動機運轉(zhuǎn)時在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢， 這些電動勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。繞組通電時電流上升率受到限制，因而影響電動機繞組電流的大小。對于小功率的步進電機，可用中小功率晶體管進行驅(qū)動，晶體管具有放大倍數(shù)大、線路簡單等優(yōu)點，用于驅(qū)動小功率的步進電機（繞組電流在數(shù)百毫安）。 步進電機驅(qū)動電路 步進電機不能直接接 到交、直流電源上工作，而必須使用專用設備 — 步進電機驅(qū)動器。 Rs 的最大值取決于集 — 射極間的擊穿電壓 Ucer。當繞組斷電時，繞組電勢極性反向，二極管處于正向?qū)ǖ臓顟B(tài)，為電流提供一個續(xù)流回路，二極管把功放管的集射極電壓鉗位到電源電壓 +U。這個電感電動勢必須控制在晶體管安全運行區(qū)域內(nèi)。當步進電機為鎖定狀態(tài)時，忽略 T 管的壓降，則繞組的電流為 U/R。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 12 表 四相步進電機 八拍工作方式 存儲狀態(tài)表 地址 內(nèi)容 D C B A 勵磁狀態(tài) 00H 01H 0001 A 01H 03H 0011 AB 02H 02H 0010 B 03H 06H 0110 BC 04H 04H 0100 C 05H 0CH 1100 CD 06H 08H 1000 D 07H 09H 1001 DA 08H 01H 0001 A 續(xù)流電路 步進電機的控制性能，與各相繞組 導通和截止時電流的增加和衰減 速度有關，對于加速度 大 、或者運行速度高的步進電機，當轉(zhuǎn)換速度增加時，由于繞組電感的作用，電流經(jīng)常不能立即升到額定值，同樣在繞組斷電時，電流也不能立即衰減到零。 四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。 74LS191 第五腳為加減法輸入 控制端，該輸入端作為方向輸入的控制信號，當?shù)碗娖綍r做加法計數(shù)，為正轉(zhuǎn)狀態(tài)。對于不同的步進電機及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。因此即使有非法的地址輸入，輸出端輸出的都是截止的信號，可以保護驅(qū)動器不受損壞。 一種線路可以實現(xiàn)多種勵磁狀態(tài)方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲不同的狀態(tài)表，除軟件工作之外，硬件無需改動。如果計數(shù)器做加計數(shù)，則存儲器按地址遞增的方向依次讀取狀態(tài)表的內(nèi)容，相反，計數(shù)器做減計數(shù)，則存儲器按地址遞減方向依次取出狀態(tài)表的內(nèi)容，從而控制步進電機的正反轉(zhuǎn)。其基本 思想是：首先確定步進電機勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，再以二進制碼的形式存入 EPROM 存儲器中，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址的內(nèi)容，那么存儲器輸出的就是各相繞組的勵磁狀態(tài)，用 EPROM搭建的環(huán)形脈沖分配器的原理框圖如圖 所示，它由兩部分組成。 步進電機按類型、相數(shù)來劃分種類繁多，不同種類、不同相數(shù)、不同分配方式都必須有不同的環(huán)形脈沖分配器，因此所需要的環(huán)形脈沖分配器的 類型 是很多的。 在 步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)中，控制器與驅(qū)動器之間連接方式 可 分為串行控制和并行控制。 環(huán)形脈沖分配器 要使步進電機正常工作，必須按照該種步進電機的勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表所規(guī)定的狀態(tài)和次序依次對各相繞組進行通電和斷電控制。通電相數(shù)不同 也 會帶來不同的工作性能。 ，恰好為三相 單 拍或 雙三拍通電方式的一半。 。 圖 (a) 為 AB 相同時通電的情況， 圖 (b) 為 BC 相通電的情況，可見轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的角度為 30176。 即每步轉(zhuǎn)過 的 步距角 為 30176。 （ a） A 相通電 （ b） B 相通電 （ c） C 相通電 圖 三相反應式步進電機原理 如果 將上圖的反應式步進電機的轉(zhuǎn)子制成四極（或稱為四個齒）結(jié)構(gòu)，如圖 所示，則按三相單三拍運行時，轉(zhuǎn)子的步距角也將發(fā)生變化。 ，達到轉(zhuǎn)子軸線和 B 相磁 極軸 線 相重合的位置，即轉(zhuǎn)子走過一步，然后 B 相電源斷開，同時接通 C 相如圖 (c) 所示，同理將 使 轉(zhuǎn)子 按 順時針方向再走一步 。 三相單三拍通電方式 這是步進電機的一種最簡單的工作方式，所謂“三相”，即三相步進電機，具有三相定子繞 組；“單”指每次只有一相 繞組通電；“三拍”指三次換接為一個循環(huán)， 第四次換接重復第一次情況。 本章小結(jié) 本章首先介紹了 課題研究的背景，提出設計的思路。 環(huán)形脈沖分配器的設計 研究環(huán)形脈沖分配器的作用和構(gòu) 成， 并 設計出可靠、靈活的環(huán)形脈沖分配器 電路 。 由于步進電機的運動特性受電壓波動 和負載變化的影響小， 方向和轉(zhuǎn)角控制簡單， 并且步進電機能直接接 收 數(shù)字量的控制，非常適合采用微機進行控制 。由此可見，一個靜止的步進電機不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動時有一個加速的過程 。此外，一般步進電機對空載最高啟動頻率都 是 有所限制 的 。 speed control。 本文以單片機和環(huán)形脈 沖分配器為核心設計的步進電機 控制系統(tǒng)， 通過軟硬件的設計調(diào)試 ， 實現(xiàn) 步進電 機 能根據(jù)設定的參數(shù)進行 自動 加減速控制 ， 使控制系統(tǒng) 以最短的時間 到 達 控制終點， 而又不 發(fā)生 失步 的現(xiàn)象 ； 同時它 能準確 地 控制步進電 機的正 反轉(zhuǎn) ， 啟動和停止。具有 步距角精度高，停止時能自鎖 等特點 ，因 此 步進電機在自動控制系統(tǒng)中，特別是在開環(huán)的控制系統(tǒng)中得 到了 日益廣泛的應用。 關鍵詞 ：步進電機控制系統(tǒng)；調(diào)速；單片機 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） II Based on AT89C51 Singlechip Computer Stepping Motor Control System Abstract Stepping motor is a kind of digital control system ponents. It can achieve quick startup, positive inversion, stopping and speed control, according to the control pulse. It has high precision step angle, and can be selflocking when it keeps still. As these characteristics, stepping motor in automatic control system, especially in the open loop control system has been widely applied. This article mainly focuses on taking Singlechip Computer and cycle pulse distributor as the core, and designing the stepping motor control system. Through the design of the software and hardware debugging, it realizes controlling the step motor’s acceleration and deceleration automatically, according to parameter setting. Making the system arrive the end point with the shortest time, but not occur outing of step. Besides it can accurately achieve startup, positive inversion and shutdown. Hardware takes AT89C51 as the core