【正文】 設(shè)定 } } P0_1=~P0_1。amp。 } TR1=1。 //速度換算 DoAngle()。以下是主函數(shù)程序框圖及代碼。由于隨時有可能輸入加速、減速信號和停止信號，因而采用中斷方式效率最高，包括兩個外部中斷和一個定時器中斷，其余系統(tǒng)功能主要是通過查詢法完成，為了保證系統(tǒng)功能能夠及時有效執(zhí)行，在主函數(shù)下選擇具有循環(huán)函數(shù)的地方，將相應(yīng)的功能函數(shù)嵌入其中，這樣最大保證程序能夠及時掃描到。當(dāng)系統(tǒng)處于角度設(shè)定的功能狀態(tài)時，其相應(yīng)的指示燈會亮；當(dāng)系統(tǒng)處于位移設(shè)定的功能狀態(tài)時，那么位移設(shè)定的指示燈就會亮。當(dāng)重新設(shè)置合理的目的位置時，警報提示消失，步進(jìn)電機開始正常運行。使能引腳是控制液晶顯示面板的使能信號，為負(fù)邊沿觸發(fā)。圖47 LCD顯示電路圖其中，LCD的幾個重要引腳，包括寄存器選擇引腳（RS）、讀寫控制引腳（R/W）、使能引腳（E），數(shù)據(jù)總線引腳（D0D7）。（CW/CCW）。若還要繼續(xù)執(zhí)行設(shè)置位移的功能，就繼續(xù)按下“位置控制”按鍵，否則按“退出位移控制”按鍵，設(shè)置位移過程結(jié)束。當(dāng)系統(tǒng)需要位移控制時，同樣需要量值的兩個鍵設(shè)定目標(biāo)坐標(biāo)，然后經(jīng)過處理器進(jìn)行相應(yīng)計算出需要轉(zhuǎn)移的角度與位移，當(dāng)確認(rèn)之后，步進(jìn)電機就會做相應(yīng)的運行。在系統(tǒng)運行過程中，隨時可以通過“停止”中斷關(guān)閉系統(tǒng)。由于按鍵抖動時間一般是1020ms，那么具體方法就是用延遲函數(shù)，讓系統(tǒng)等待這段抖動時間，即可達(dá)到去抖動的效果。當(dāng)按下按鍵之前，即電路在默認(rèn)狀態(tài)下，控制電路的引腳是高電平；當(dāng)按下按鍵之后，控制部分的線路瞬時導(dǎo)通，引腳部分成了低電平，就是通過這樣的設(shè)計，然后經(jīng)過相應(yīng)的按鍵掃描函數(shù)進(jìn)行檢測，從而執(zhí)行相應(yīng)的功能。供電VCC實際電壓一般不是理想的5V，多數(shù)情況會有一個5V左右小幅度的波動，用220uF和100pF這樣一大一小的電容[26]，分別用于過濾低頻雜波和頻率高點的雜波，這樣供電電壓的波形就相對平穩(wěn)了。這里系統(tǒng)選擇手動復(fù)位的方式。本設(shè)計的最小系統(tǒng)如下圖43所示： 圖43 最小系統(tǒng)電路圖晶振電路：單片機的工作頻率就是由晶振電路控制。6．RST：復(fù)位輸入。在本設(shè)計中應(yīng)用于LCD顯示器數(shù)據(jù)端的數(shù)據(jù)輸入。2．P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口。顯示電路的設(shè)計目的是顯示整個控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。第四章 步進(jìn)電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計本課題仿真設(shè)計的硬件電路主要包括單片機最小系統(tǒng)、系統(tǒng)控制電路、步進(jìn)電機驅(qū)動電路、系統(tǒng)狀態(tài)顯示電路構(gòu)成。單片機選用AT89C51作為控制器，選用步進(jìn)電機驅(qū)動器L297amp。L297是步進(jìn)電機專用控制器，具有廣泛的用途。其基本思路就是：始終保持繞組電流為額定電流值，而不管在步進(jìn)電機此時運行的狀態(tài)。繞組電流利用斬波技術(shù)形成額定值的鋸齒形波動。由于使用在大部分電氣設(shè)備的交流變頻電源，輸出的電流幅值變化范圍會很小，用這類變頻器給步進(jìn)電機供電，會顯現(xiàn)出獨有的優(yōu)勢，即電機的轉(zhuǎn)矩會在固定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)恒定不變，這樣對于系統(tǒng)而言，工作效率會得到保證。這樣的設(shè)計使得系統(tǒng)運行效率與穩(wěn)定性能得以明顯提高。這種方式由于電流波形得到了很大改善，電機的矩頻特性較好，起動和運行頻率得到了較大提高。(1)單電壓驅(qū)動：主要優(yōu)點是成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單。其過程是把從單片機引腳輸出的脈沖信號通過相應(yīng)的驅(qū)動器進(jìn)行調(diào)控與放大，然后再來驅(qū)動步進(jìn)電機。這里設(shè)定選擇絲桿螺距為6mm的滾珠絲杠，即步進(jìn)電機帶動其運行一圈，轉(zhuǎn)換成直線運動的距離就是6mm，假設(shè)此時步進(jìn)電機步距角是30176。這里需要判斷點與點的偏移角是順時針旋轉(zhuǎn)還是逆時針，從而指令步進(jìn)電機是反轉(zhuǎn)還是正轉(zhuǎn)偏移角，因此，這里分了兩種情況，如圖32，而判斷的依據(jù)主要采用構(gòu)建直線方程的方法，判斷目標(biāo)點是在直線上方還是下方，從而確認(rèn)偏移角的正負(fù)。通過相應(yīng)的三角函數(shù)定理計算出點與點之間的角度與距離，步進(jìn)電機每移動一步，步數(shù)就會減1，假設(shè)目前沒有失步，當(dāng)執(zhí)行元件到達(dá)相應(yīng)的位置時，此時步進(jìn)電機的步數(shù)正好變成0。（5）步進(jìn)電機位移定位控制步進(jìn)電動機的位移定位控制，是指通過實時控制步進(jìn)電機，使其帶動的執(zhí)行機構(gòu)從一個位置準(zhǔn)確位移到另一個位置。（4）步進(jìn)電機角度定位控制角度定位控制是基于步進(jìn)電機驅(qū)動的原理。在此電路中，電機的轉(zhuǎn)速控制主要是通過外部中斷來實現(xiàn)的，分別是通過“加速”“減速”按鍵控制中斷，從而改變了步進(jìn)電機的輸出脈沖頻率。硬件設(shè)計中，設(shè)置了一個“啟動”按鍵，按下即可以跳出啟動函數(shù)的循環(huán)，這樣確保了功能的實現(xiàn)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖31系統(tǒng)方框圖如圖31，整個設(shè)計以STC89C51單片機為控制中心，組成部分有復(fù)位電路，時鐘電路，電機驅(qū)動，步進(jìn)電機，顯示電路等。本課題解決的問題是利用單片機控制步進(jìn)電機的驅(qū)動器，通過設(shè)計步進(jìn)電機的驅(qū)動電路，從而實現(xiàn)對步進(jìn)電機的控制。由于步進(jìn)電機具有運行矩頻特性，所以實時運行狀態(tài)的負(fù)載力矩不易確定，通常這里先確定步進(jìn)電機的保持轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機的選型主要包括兩個方面：步進(jìn)電機控制精度和工作負(fù)載力矩。初始時刻，當(dāng)給電路施加電壓V時：此時電流的變化規(guī)律為[29]: I(t)=V(1eRt/L)/R 通電瞬間繞組電流上升速率為:di(0)/dt=V/t 經(jīng)過一段時間，電流達(dá)到最大值: Imax=V/R L/R定義為該電路的時間常數(shù)，是電路中的電流達(dá)到最大電流Imax的63%所需要的時間。[18]作為磁性導(dǎo)體材料的步進(jìn)電機繞組，電阻與電感是其固有特性。作連續(xù)運行的步進(jìn)電機，電磁力矩的下降同時影響著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，在相同負(fù)載慣量的情況下，電機隨著運行頻率的增加，所帶負(fù)載的能力會不斷衰減。繞相電流減小的直接作用就是讓電磁力矩也隨之減弱。（5）運行矩頻特性反映的是電機的運行扭矩與頻率[15]的關(guān)系。（4）響應(yīng)頻率 指在無負(fù)載時，突然給電機加上某一個頻率的脈沖使轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)啟動，保證轉(zhuǎn)子不失步且正常運行的最高脈沖頻率，也被稱為啟動頻率[16]。（3）定位轉(zhuǎn)矩[14]定位轉(zhuǎn)距是指電機繞組各相在不通電的情況下，同時作為開路狀態(tài)，所產(chǎn)生的磁場所形成的轉(zhuǎn)距。（2）保持轉(zhuǎn)矩[13]保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）是指步進(jìn)電機的繞組已經(jīng)開始通電流，但轉(zhuǎn)子還沒有轉(zhuǎn)動，此時定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。當(dāng)電機如需要反轉(zhuǎn)時，則可以將通電順序逆反。當(dāng)一系列的脈沖信號產(chǎn)生，步進(jìn)電機就會開始連續(xù)的轉(zhuǎn)動。銅制繞組構(gòu)成它的定子，永磁體組成它的轉(zhuǎn)子。它的優(yōu)點是有著良好的動態(tài)性能和較大的輸出轉(zhuǎn)矩；缺點是電機精度相對差，同時步進(jìn)角較大。根據(jù)他們內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，可以分為下面三大類： (1)反應(yīng)式:它的定子由銅制繞組構(gòu)成，組成轉(zhuǎn)子的材料是軟磁結(jié)構(gòu)。這是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。4. 設(shè)計本課題的控制系統(tǒng)硬件電路圖，以及軟件程序設(shè)計，要求系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作方便，滿足各項系統(tǒng)要求。此外，電機的運行速度和旋轉(zhuǎn)方向可以通過控制脈沖頻率與相序來改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)速度、控制方向的目的。在驅(qū)動電路設(shè)計的過程中，通過對驅(qū)動電路設(shè)置保護(hù)線路[9]，反饋輸出電流以達(dá)到過電流保護(hù)。步進(jìn)電機的運行控制主要是通過外部的電脈沖的輸入。之前的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路或者集成電路，它不僅增加了安裝調(diào)試的復(fù)雜度，還會消耗大量的組件，而且一旦改變了控制方案，就必須重新去設(shè)計系統(tǒng)，包括電路的設(shè)計與測試、元器件的更換與調(diào)試，從而不利于系統(tǒng)的升級。對于[4]像日本的ppmc101b這樣的開環(huán)步進(jìn)電機，能夠具有一個適合實際情況的加減速過程，并且還可以使它的運行速度達(dá)到很高的水平，而不會導(dǎo)致過沖或失步。中國在文化大革命中就已經(jīng)開始應(yīng)用和生產(chǎn)，例如北京、浙江、江蘇、四川都可以生產(chǎn)，而且在各行業(yè)開始逐步使用，目前驅(qū)動電路的半導(dǎo)體器件大多能做到完全國產(chǎn)。 南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）基于51單片機控制步進(jìn)電機畢業(yè)設(shè)計論文目錄第一章 緒論 1 1 1 2第二章 步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)與特點 3 3 3 5 6 8第三章 設(shè)計原理分析 9 9 9 9 10 10 12 14第四章 步進(jìn)電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 15 15 控制電路 17 驅(qū)動電路 18 顯示電路 19 位移越界報警電路 20 狀態(tài)指示燈顯示電路 21第五章 步進(jìn)電機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 22 22 LCD顯示程序設(shè)計 24 26 27 27 29第六章 仿真結(jié)果與分析 33 33 33 37第七章 總結(jié) 39參考文獻(xiàn) 40致 謝 42第一章 緒論步進(jìn)電機作為控制執(zhí)行器，廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域[1]。步進(jìn)電機是在國外發(fā)明的。對于一類相對典型的芯片，其核心是采用硬件和微程序，用來保證步進(jìn)電機能夠?qū)崿F(xiàn)合理的加速和減速過程。相應(yīng)地，其控制系統(tǒng)也必定需要升級發(fā)展，特別是智能化技術(shù)應(yīng)用方向的發(fā)展將會成為步進(jìn)電機的下一步發(fā)展趨勢。本論文所選的是四相步進(jìn)電機，所用控制方法是由單片機CPU控制產(chǎn)生相序脈沖，再經(jīng)過驅(qū)動電路形成對步進(jìn)電機的驅(qū)動電流。步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子會根據(jù)一個固定的旋轉(zhuǎn)角度來轉(zhuǎn)動（稱為“步距角”）。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可設(shè)計出角度定位控制與位移定位控制等功能仿真系統(tǒng)來模擬步進(jìn)電機的實際應(yīng)用[10]。3. 根據(jù)設(shè)計要求，提出設(shè)計方案，論證每個方案，達(dá)成最終方案。Protues軟件[11]是由英國Labcenter electronics公司研發(fā)的EDA工具軟件，它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能有效仿真單片機及外圍器件。由于它是通過脈沖輸入進(jìn)行增量步進(jìn)驅(qū)動，這使得步進(jìn)電機在許多角度與位移控制中非常受歡迎。這種步進(jìn)電機[12]的轉(zhuǎn)子和定子的兩極數(shù)量是一樣的。定子和轉(zhuǎn)子上分布著多個小齒，能夠顯著提高步矩的精度。它的工作原理[4]是給電機的繞組按一定的相序分時輸入直流電流。正常情況下，步進(jìn)電機若要正常運行，就必須嚴(yán)格按照此通電順序。θb=θz/NZ =2π/NZ（N是工作拍數(shù)，Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)）。比如。這是混合式與反應(yīng)式步進(jìn)電機重要區(qū)別的參數(shù)。在有負(fù)載的情況下，響應(yīng)頻率應(yīng)更低，它反映了步進(jìn)電機跟蹤的快速性。反向電動勢會使繞相電流減小，而且運行速度越快，這樣的作用越明顯。當(dāng)此時運行頻率超過極限頻率，就會出現(xiàn)脈沖轉(zhuǎn)換的時間間隔比電磁與機械過渡過程的時間間隔小，這樣是導(dǎo)致失步的重要原因。電機繞組進(jìn)行通電時，繞組的電流由于受到電感所形成的反電動勢的影響，使得繞組電流變化速度的上升過程變得緩慢，從而減少繞組電流的額定值，電機的電磁力矩也會因此下降。圖25是其等效電路的電氣特性。為了減少時間常數(shù)L/R，可以用電阻，構(gòu)成一個串聯(lián)電路，這樣就可以有效減少時間常數(shù)。（2）電機負(fù)載力矩選擇適合步進(jìn)電機控制系統(tǒng)要求的負(fù)載力矩，是非常重要的一環(huán)，它直接影響接下來的工作效率和系統(tǒng)可靠性。因此設(shè)計出合理的步進(jìn)電機驅(qū)動電路，對于改善運行特征，提高控制精度具有重要的意義。（1）步進(jìn)電機工作方式為四相八拍，初始轉(zhuǎn)速60r/min；（2）能夠?qū)崿F(xiàn)電機的啟/停功能；（3）能夠?qū)崿F(xiàn)電機的正/反轉(zhuǎn)、加/減速功能；（4）對步進(jìn)電機能夠進(jìn)行角度定位控制；（5）實現(xiàn)步進(jìn)電機的位移定位控制，能夠讓它轉(zhuǎn)動相應(yīng)的方位及位移；（6）實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)，包括步進(jìn)電機的速度、方向、設(shè)定的角度以及位置坐標(biāo)，LED發(fā)光二極管可以正確顯示系統(tǒng)目前的工作狀態(tài)。（1）步進(jìn)電機的啟動停止當(dāng)系統(tǒng)需要啟動步進(jìn)電機的時候，這里會需要一個等待操作，所以在單片機程序設(shè)計中，系統(tǒng)程序會一直循環(huán)在啟動函數(shù)內(nèi)。（2）步進(jìn)電機速度控制由步進(jìn)電機運行特征[19]可知，脈沖頻率決定電機轉(zhuǎn)速。本設(shè)計電路通過“方向調(diào)整”按鍵實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能，默認(rèn)是正轉(zhuǎn)，按下成反轉(zhuǎn)，再按又變成正轉(zhuǎn)的狀態(tài)，以此轉(zhuǎn)換步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)方向。在實際應(yīng)用中，對步進(jìn)電機的角度定位控制是必不可少的要求，由于它良好的性能，所以應(yīng)用極為廣泛。這里的系統(tǒng)設(shè)計是建立在一個極坐標(biāo)的平面參考系上，即在一定范圍內(nèi)，任何一點都可以用極坐標(biāo)來表示。圖32 步進(jìn)電機位移軌跡A點是極坐標(biāo)的原點，B、C、D分別是步進(jìn)電機接下來需要走的3個點，θ1，θ2，θ3分別是三個點極坐標(biāo)的極角，θ4是步進(jìn)電機從B點到C點需要偏移的角，那么θ就是C點到D點需要偏移的角，線段BC、CD就是需要偏移的距離。因為其良好的性能與結(jié)構(gòu)，滾珠絲杠具有工作效率高，控制精度優(yōu)秀，且具有可逆性等優(yōu)點。另外一種就是讓CPU來間接驅(qū)動。下面就是要確定具體驅(qū)動方式，步進(jìn)電機驅(qū)動方式可以分為四種，分別為單電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動和斬波恒流驅(qū)動，它們有各自特點，在這里稍微分析一下。 (2)高低壓驅(qū)動[21]：每相繞組的電機，應(yīng)用高電壓，使電流迅速增加，當(dāng)電流上升到額定值，會切斷高壓，回路電流在低電壓電源保持。當(dāng)步進(jìn)電機工作頻率處于高維狀態(tài)時，所施加的電壓也會隨之增加，滿足電機有著足夠的負(fù)載力矩。然而，目前[23]采用電流作為獨立變量的傳動控制相比而言優(yōu)點更多。 (4)斬波恒流驅(qū)動：為補償高、低電壓驅(qū)動電路下凹的電流波形，從而提高轉(zhuǎn)矩的輸出，這里就設(shè)計出斬波恒流驅(qū)動電路。 對以上的步進(jìn)電機驅(qū)動方式進(jìn)行比較之后，發(fā)現(xiàn)斬波恒流驅(qū)動電路是性能較好的、目前使用較多的一種驅(qū)動方式。L298組合。因本次設(shè)計的要求，選用四相八拍步進(jìn)電機，默認(rèn)步距角為45176。選用LCD LM041L作為系統(tǒng)顯示器，LED發(fā)光二極管作為系統(tǒng)顯示燈，按鍵作為系統(tǒng)參數(shù)的操作入口，對系統(tǒng)進(jìn)行功能控制。步進(jìn)電機驅(qū)動電路的作用主要是對單片機輸出的脈沖產(chǎn)生四相控制信號，然后進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動電機運行。其典型結(jié)構(gòu)如圖41：圖41 典型結(jié)構(gòu)圖設(shè)計系統(tǒng)選用ATMEL公司的AT89C51單片機作為控制器，其引腳圖如下：圖42 單片機引腳圖主要引腳[25]功能如下：1．Vcc給單片機提供電源電壓，GND接地 。3．P1口：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。其引腳具有副功能，例如計數(shù)器以及外部中斷功能，它們在本設(shè)計中發(fā)揮了非