【正文】 2）鍵盤掃描及按鍵處理。 輸入步數(shù)大于 100 時(shí)的調(diào)速過程如圖 所示。其具體功能如下： 按正轉(zhuǎn)按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；按反轉(zhuǎn)按鍵時(shí)， 步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)；按停止按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行；通過鍵盤 可 輸 入所需要 運(yùn)行 的步數(shù)，輸入的步數(shù)的范圍為 0— 9999 步，當(dāng)輸入?yún)?shù)完畢后，按啟動(dòng)按鍵步進(jìn)電機(jī)開始運(yùn)行，同時(shí)數(shù)碼管顯示所需要 運(yùn)行 的步數(shù)并通過 LED 顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。軟件抗干擾是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提高可行性的有力措施。各個(gè)功能程序運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行結(jié)果以及運(yùn)行要求都設(shè)置狀 態(tài)標(biāo)志以便查詢，程序的轉(zhuǎn)移、運(yùn)行、控制都可通過狀態(tài)標(biāo)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(shè)計(jì)原則 和 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，其次 對 主要元 器件 進(jìn)行了 選擇和介紹。 控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì) 將各接口電路有機(jī)結(jié)合起來形成 一個(gè) 完整的電路 ， 電路圖如附錄 C 所示。 當(dāng) VCC=0 時(shí)， VCC 端與地等 電位，電容 C 通過 VD 迅速放電 。單片機(jī)外部的復(fù)位電路如圖 所示，該電路具有手動(dòng)復(fù)位 和上電復(fù)位 的 功能。 （ 2） 并行接法 ： 使用并行接法時(shí)要對每個(gè)數(shù)碼管用 I/O 口單獨(dú)輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。對于不同 類型 的步進(jìn)電機(jī)及不同的勵(lì)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(jì)數(shù)器構(gòu)成，將步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)以二進(jìn)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(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài) 。每來一個(gè) CP 脈沖，環(huán)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)鐘方式的可逆計(jì)數(shù)器 ， 計(jì)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(gè)地址（ 00H～ 0FH） ，將步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)從 EPROM 中輸出 ，控制繞組的導(dǎo)通和截止 。 2716 的 管腳排列 如圖 所示 。 因此， AT89C51 系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，由于其內(nèi)部功能完善，可以大大減少擴(kuò)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(shè)計(jì)中，選用了 AT89C51 單片機(jī) 作 為中央控制單元。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(kuò)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(jī)的選擇 隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計(jì)算機(jī)有了飛速的發(fā)展。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動(dòng)能力，增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器或減少芯片功耗，降低總線負(fù)載。所以 選擇軟件方案時(shí)，要考慮到這些因素。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 23 第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 系統(tǒng)的擴(kuò)展和模塊設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則 【 12】 ： （ 1）盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計(jì)的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。 表 各站點(diǎn)距離 序號 站點(diǎn) 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(diǎn) 925mm 選用的步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，定位精度就越高。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 22 由此可以算出每個(gè)站點(diǎn)之間的需要走的步數(shù)，即需要總的脈沖個(gè)數(shù)。 當(dāng)停車時(shí)，由較高的頻率突然 降為零頻率，使步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)，結(jié)果 使 停車不準(zhǔn)確 ，因此 停車也必須 有 一個(gè)降頻的過程。搬運(yùn)站的整體運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有定 位精確和快速的特點(diǎn)。 步進(jìn)電機(jī) 在自動(dòng)生產(chǎn)線中的應(yīng)用 由于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響 比較 小，方向和轉(zhuǎn)角控制簡單，并且步進(jìn)電機(jī)能直接接受數(shù)字量的控制，非常適合采用微機(jī)進(jìn)行控 制。其方法是將定時(shí)器初始化后，每隔一定的時(shí)間向 CPU 申請一次中斷， CPU 響應(yīng)中斷后便發(fā)出一個(gè)脈沖。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時(shí)時(shí)間間隔；在減速時(shí)，可以均勻地增加延時(shí)時(shí)間間隔。采用步進(jìn)電機(jī)的加減速控制可以有效 地 克服步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)過程中出現(xiàn)失步的問題 ，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度 和精度 【 8】 。 升速時(shí)使脈沖逐漸加密，減速時(shí)使脈沖逐漸變疏。按直線規(guī)律升速時(shí)加速度為恒定，因此要求步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)到終點(diǎn)的時(shí)間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短而恒速時(shí)速度最高 。因此在點(diǎn)位控制過程中，運(yùn)行速度需要有一個(gè)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(yùn)行 起來之后，如果 到達(dá) 終點(diǎn)時(shí)立即停止 ，可能會因系統(tǒng) 慣性的原因， 發(fā)生沖過終點(diǎn)的現(xiàn)象，使點(diǎn)位 控制 發(fā)生偏差，所以從高速運(yùn)行到停止也 應(yīng)該 有減速的措施 【 6】 。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 18 負(fù)載時(shí)，它的啟動(dòng)頻率要低于最高空載啟動(dòng)頻率。 步進(jìn)電機(jī)的變速控制 對于大多數(shù)的任務(wù)而言，總希望 控制系統(tǒng) 能盡快地 到達(dá) 控制終點(diǎn)。其接口電路原理圖如圖 所示 。 由于 步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電流比較大，所以單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都需要專門的接口電路及驅(qū)動(dòng)電路。 (4) 電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在各相繞 組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢，這些電動(dòng)勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。繞組通電時(shí)電流上升率受到限制，因而影響電動(dòng)機(jī)繞組電流的大小。對于小功率的步進(jìn)電機(jī)，可用中小功率晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，晶體管具有放大倍數(shù)大、線路簡單等優(yōu)點(diǎn)，用于驅(qū)動(dòng)小功率的步進(jìn)電機(jī)（繞組電流在數(shù)百毫安）。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)不能直接接 到交、直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備 — 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 Rs 的最大值取決于集 — 射極間的擊穿電壓 Ucer。當(dāng)繞組斷電時(shí)，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(gè)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(gè)電感電動(dòng)勢必須控制在晶體管安全運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為鎖定狀態(tài)時(shí)，忽略 T 管的壓降，則繞組的電流為 U/R。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 12 表 四相步進(jìn)電機(jī) 八拍工作方式 存儲狀態(tài)表 地址 內(nèi)容 D C B A 勵(lì)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(jìn)電機(jī)的控制性能，與各相繞組 導(dǎo)通和截止時(shí)電流的增加和衰減 速度有關(guān)，對于加速度 大 、或者運(yùn)行速度高的步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)換速度增加時(shí)，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(shí)，電流也不能立即衰減到零。 四相步進(jìn)電機(jī)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(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)做加法計(jì)數(shù)，為正轉(zhuǎn)狀態(tài)。對于不同的步進(jìn)電機(jī)及不同的勵(lì)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(hù)驅(qū)動(dòng)器不受損壞。 一種線路可以實(shí)現(xiàn)多種勵(lì)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(dòng)。如果計(jì)數(shù)器做加計(jì)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(jì)數(shù)器做減計(jì)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(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。其基本思想是：首先確定步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，再以二進(jìn)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(lì)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，控制器與驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)正常工作，必須按照該種步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)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(jìn)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(shí)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(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理 如果 將上圖的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子制成四極（或稱為四個(gè)齒）結(jié)構(gòu)，如圖 所示，則按三相單三拍運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的步距角也將發(fā)生變化。 ，達(dá)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(shí)接通 C 相如圖 (c) 所示，同理將 使 轉(zhuǎn)子 按 順時(shí)針方向再走一步 。 三相單三拍通電方式 這是步進(jìn)電機(jī)的一種最簡單的工作方式，所謂“三相”，即三相步進(jìn)電機(jī)，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(gè)循環(huán)， 第四次換接重復(fù)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(shè)計(jì)的思路。 環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計(jì) 研究環(huán) 形脈沖分配器的作用和構(gòu)成， 并 設(shè)計(jì)出可靠、靈活的環(huán)形脈沖分配器 電路 。 由于步進(jìn)電 機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響小， 方向和轉(zhuǎn)角控制簡單， 并且步進(jìn)電機(jī)能直接接 收 數(shù)字量的控制，非常適合采用微機(jī)進(jìn)行控制 。由此可見，一個(gè)靜止的步進(jìn)電機(jī)不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)加速的過程 。此外，一般步進(jìn)電機(jī)對空載最高啟動(dòng)頻率都 是 有所限制 的 。 speed control。 本文以單片機(jī)和環(huán) 形脈沖分配器為核心設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng)， 通過軟硬件的設(shè)計(jì)調(diào)試 ， 實(shí)現(xiàn) 步進(jìn)電 機(jī) 能根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行 自動(dòng) 加減速控制 ， 使控制系統(tǒng) 以最短的時(shí)間 到 達(dá) 控制終點(diǎn)， 而又不 發(fā)生 失步 的現(xiàn)象 ； 同時(shí)它 能準(zhǔn)確 地 控制步進(jìn)電 機(jī)的正 反轉(zhuǎn) ， 啟動(dòng)和停止。具有 步距角精度高，停止時(shí)能自鎖 等特點(diǎn) ，因 此 步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)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(yīng)用。 關(guān)鍵詞 ：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)；調(diào)速；單片機(jī) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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 of control circuit, mainly inclu