【正文】 的脈沖頻率 ，旋轉(zhuǎn)方向取決于 控制 繞組輪流通電的順序。 開(kāi)始 單獨(dú)接通 A 相，轉(zhuǎn)子齒 1 和 3 的 軸線與定子 A 級(jí)軸線對(duì)齊，如圖 (a)所示 。 ，如圖 (b)所 示 。 。 (c)B 相通電 。 因此 一臺(tái) 步進(jìn)電機(jī)可以 采用不同的供電方式，步距角可以有兩種不同 數(shù)值 ， 如 上面這臺(tái)三相步進(jìn)電機(jī)三 拍 運(yùn)行時(shí)步距角為 30176。 本設(shè)計(jì)所用的步進(jìn)電機(jī)是的常州市運(yùn)控電子有限公司生產(chǎn)的 35BYGH 176。 10% 電感精度： 177。其中，我們可以看到有兩個(gè)單芯片的 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，也就是下圖的定時(shí)器 T0 和定時(shí)器 T1。 下面簡(jiǎn)單介紹下引腳的功能。 一、工作模式寄存器 TMOD TMOD 用于控制 T0 和 T1 的工作模式， TMOD 不能位尋址，只能用字節(jié)傳送方式設(shè)置定時(shí)器的工作模式，低半字節(jié)設(shè)置 T0，高半字節(jié)設(shè)置 T1。 — 計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器方式選擇位 C/T=0，設(shè)置為定時(shí)方式。 和 M0— 操作模式控制位 M1 和 M0 是操作模式控制位。 TCON 各位定義及具體的意義歸納如圖 所示。在程序中用指令“ SETB TR1”使 TR1 位置 1，定時(shí)器 T1 便開(kāi)始計(jì)數(shù)。 工作時(shí)， TL0 用作 8 位計(jì)數(shù)器， TH0 用以保存初值。 計(jì)數(shù)工作過(guò)程：通過(guò)引腳 T0（ ）和 T1（ ）的外部脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制。芯片內(nèi)的 PWM 斬波器電路可在開(kāi)關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組 中的電機(jī)繞組中的電流。變換器是一個(gè)重要組成部分。 每個(gè)斬波器的觸發(fā) 器由振蕩器的脈沖調(diào)節(jié) ，當(dāng)負(fù)載電流提高時(shí)檢測(cè)電阻上的電壓相對(duì)提高，當(dāng)電壓達(dá)到 Uref 時(shí) (Uref 是根據(jù)峰值負(fù)載電流而定的 )，將觸發(fā)器重置，切斷輸出，直至第二個(gè)振蕩脈沖到來(lái)、此線路的輸出 (即觸發(fā)器 Q 輸出 )是一恒定速率的PWM 信號(hào)， L297 的 CONTROL 端的輸入決定斬波器對(duì)相位線 A， B， C， D 或抑制線 INH1 和 INH2 起作用。其波形圖如圖 所示。 圖 L298 引腳 本章小結(jié) 本章主要 是對(duì)步進(jìn)電機(jī)和設(shè)計(jì)所 需 元器件的概述，步進(jìn)電機(jī)的介紹主要包括步進(jìn)電機(jī)的工作原理、分類、特點(diǎn)，元器件則主要是 89C5 L29 L298 等， 對(duì)包括工作引腳圖等一系列相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了講解， 為后面的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)提供必須的理論基礎(chǔ) 。 L297 的特性 是 只需要時(shí)鐘 、 方向和模式輸入信號(hào) 。 圖 L297/L298 典型應(yīng)用電 路 方案設(shè)計(jì) 從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求看出，系統(tǒng)的輸入 量為 速度、 方向 、 復(fù)位和單步運(yùn)行 ，速度分為 加速 、減速 ，方向分為 正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn) ，信號(hào)線的開(kāi)始需要六個(gè)輸入線。使 L297 輸出四相八拍工作所需的適當(dāng)相序（ A,B,C,D 四相）。 圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案 運(yùn)動(dòng) 控制 部件 （ 按鈕） 89C51 單片機(jī) 顯示 電路 L297+L298 驅(qū)動(dòng)電路 時(shí)鐘 電路 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行 部件 （ 步進(jìn)電機(jī)） PWM 波 脈沖信號(hào) 電壓 信號(hào) 循環(huán) 相序 信號(hào) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 電路仿真設(shè)計(jì) 硬件 設(shè)計(jì)使 用 Proteus 設(shè)計(jì) 軟件 ， Proteus 是英國(guó) Labcenter 公司開(kāi)發(fā)的電路分析與仿真軟件。④具有各種信號(hào)源和電路分析所需的虛擬儀表。最小系統(tǒng)是使單片機(jī)能夠。擁有PROTEUS 電子設(shè)計(jì)工具，就相當(dāng)于擁有了一個(gè)電子設(shè)計(jì)和分析平臺(tái)。②具有模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)（不高于 ARM7）設(shè)計(jì)與仿真功能。 用 P1 口的 ~ 控制 LM016L 顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 表 四相 八拍脈沖 分配 表 A B A B N 1 0 0 0 N+1 1 1 0 0 N+2 0 1 0 0 N+3 0 1 1 0 N+4 0 0 1 0 N+5 0 0 1 1 N+6 0 0 0 1 N+7 1 0 0 1 該電機(jī)共有四相繞組，工作 電壓為 +5V，可以與單片機(jī)共用一個(gè)電源。 L297 和 L298 組合控制驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)可用于如打印機(jī)的托架位置 、 記錄儀的進(jìn)給機(jī)構(gòu) ， 以及打字機(jī) 、 數(shù)控機(jī)床 、 軟 盤(pán) 驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人、繪圖機(jī)、復(fù)印機(jī)、閥門等設(shè)備和裝置。 L297 與 L298 配合使用控制雙極步進(jìn)電機(jī)工作電流可達(dá) 。 圖 單四拍模式波形圖 圖 雙四拍模式波形圖 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) L298 簡(jiǎn)介 L298N 為 SGSTHOMSON Microelectronics 所 出產(chǎn)的 雙 全 橋 步進(jìn)電 機(jī) 專 用 驅(qū)動(dòng)芯 片 ( Dual FullBridge Driver)， 內(nèi)部 包 含 4 信 道邏輯 驅(qū) 動(dòng) 電 路， 是 一 種 二 相和四 相 步 進(jìn) 電機(jī)的 專 用 驅(qū) 動(dòng)器， 可 同 時(shí) 驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)二 相 或 1 個(gè) 四相 步 進(jìn)電機(jī) ， 內(nèi) 含 二個(gè) HBridge 的高電壓、 大電流 雙 全 橋式驅(qū)動(dòng) 器 ， 接 收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯 準(zhǔn)位 信號(hào) ， 可驅(qū) 動(dòng) 46V、 2A 以下的 步 進(jìn) 電 機(jī) ， 且 可 以 直 接透過(guò)電 源 來(lái) 調(diào)節(jié)輸 出 電 壓 ； 此芯 片 可 直 接由單片 機(jī) 的 IO 端口來(lái) 提供 模擬時(shí) 序 信 號(hào) ， 但在 本 驅(qū) 動(dòng) 電路中 用 L297 來(lái) 提 供 時(shí) 序 信 號(hào) ，節(jié)省 了 單片機(jī) IO 端 口的使 用 。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 圖 L297 變換器換出的八步雷格碼（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)） 圖 斬波器線路 L297 能產(chǎn)生單四拍、雙四拍和四相八拍工作所需的適當(dāng)相序。由變換器產(chǎn)生 4 個(gè)輸出信號(hào)送給后面的輸出邏輯部分，輸出邏輯提供禁止和 斬波器功能所需的相序。 L297 的芯片 引腳特別緊湊 ，采用雙列直插 20 腳塑封封裝，其 引腳 見(jiàn)圖 ，內(nèi)部方框見(jiàn)圖 。 CPU檢測(cè)到由一到零，過(guò)渡的過(guò)程大約需要 2個(gè)機(jī)器周期， 1/24的振蕩頻率為最大的計(jì)數(shù)頻率。 在程序初始化時(shí)， TL0 和 TH0 由軟件賦予相同的初值。 ()— T0 運(yùn)行控制位 其功能和操作情況同 TR1。 TF1 也可以用軟件清 0。 表 M1和 M0— 操作模式控制位 M1 M0 工作模式 功能描述 0 0 模式 0 13 位計(jì)數(shù)器 0 1 模式 1 16 位計(jì)數(shù)器 1 0 模式 2 自動(dòng)再裝入 8 位計(jì)數(shù)器 1 1 模式 3 定時(shí)器 0：分成二個(gè) 8位計(jì)數(shù)器 定時(shí)器 1：停止計(jì)數(shù) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 二、控制器寄存器 TCON TCON 除可字節(jié)尋址外，各位還可位尋址。 C/T=1，設(shè)置為計(jì)數(shù)方式。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 圖 門控位 當(dāng)設(shè)置 GATE=0 時(shí)，無(wú)論 INT0（或 INT1）的電平是高電平還是低電平，只要 軟件將 TR0（或 TR1）設(shè)置為 1，就可以讓計(jì)時(shí)器開(kāi)始啟動(dòng)了。比如用 軟件定時(shí)工作方式或者是工作計(jì)數(shù)方式以及其他的一些可控的、相對(duì)靈活的方式進(jìn)行設(shè)置。 T0 是由兩個(gè) 8 位的特殊功能寄存器 TH0 和 TL0 所構(gòu)成得 。 圖 AT89C51的 引腳排列 主要性能 主要性能如下 [5][6]： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 1．與 MCS 一 5l 產(chǎn)品兼容； 2．具有 2K 的可編程 FLASH ROM； 3．耐久性： 1000 次寫(xiě)、擦除； 4． 2． 7— 6V 的電壓操作范圍； 5．全靜態(tài)操作： 0— 24MHz； 6．兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； 7． 128B*8 的內(nèi)部 RAM； 8． 15 條可編程 I／ O 引線； 9．兩個(gè) 16 位可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器； 10． 5 個(gè) 中斷源； 11．直接 LED 驅(qū)動(dòng)輸出； 12．片內(nèi)模擬比較器； 13．低功耗空載和掉電方式。如圖 所示： 圖 步進(jìn)電機(jī) 表 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)相關(guān)參數(shù) 步矩角精度： 177。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 本設(shè)計(jì)所選的步進(jìn)電機(jī) 混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。這時(shí) ， 與單三拍運(yùn)行時(shí)一樣，每一循環(huán)也得換接三次，總共有 3 種 通電 狀態(tài)，但不同的是每次換 接 都同時(shí)有兩相繞組通電 ， 如圖 (b)、 (d)所示， 步距角為 30176。 (a)A 相通電 。 當(dāng)斷開(kāi) A 相 使 B 相 單獨(dú) 接通時(shí)，在磁拉力作用下繼續(xù)按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)子齒 2 和 齒 4 的 軸線 與 定子 B 級(jí) 軸線 對(duì)齊為止 ， 如圖 (c)所示 。這時(shí) ，相鄰兩個(gè) A、 B 磁極與轉(zhuǎn)子齒相作用的磁拉力大小 相等 且方向相反，使轉(zhuǎn)子 處于 平衡。 二、 六拍通電方式的基本原理 三相 六拍運(yùn)行的供電方式是 A→ AB→ B→ BC→ C→ AC→ A??這時(shí) ，每一循環(huán)換接 6 次，總共有 6 種 通電 狀態(tài)，這 6 種 通電狀態(tài) 中 有時(shí) 只有 一相繞組通電 ， 有時(shí) 有 兩相繞組同時(shí)通電。 ，使轉(zhuǎn)子齒 1 和 3 的 軸線與 C 級(jí)軸線對(duì)齊。 一、 單三拍通電方式的基本原理 當(dāng) A 相 控制繞組通電，而 B 相和 C 相 不通電時(shí)，由于 磁通 具有 力圖 走磁阻最小的 路徑 的特點(diǎn) ， 所以轉(zhuǎn)子 齒 1 和 3 的 軸線 與定子 A 級(jí) 軸線 對(duì)齊。兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一組，聯(lián)法如圖所示。 同樣 , 從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時(shí) , 變化速度必須逐漸下降。步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，它所能接受的，即保證不丟步運(yùn)行的極限頻率，稱為最高工作頻率。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是能夠使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的最小轉(zhuǎn)矩； 。數(shù)控機(jī)床中常見(jiàn)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為。并且，由 失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)并不能解決。 如果我們按照定子上的繞組來(lái)劃分步進(jìn)電機(jī)，則可以分為兩相、三相和五相等系列的步進(jìn) 電機(jī)。它的缺點(diǎn)就是精度很差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度控制，步距角通常為 15 度或者 度。此種步進(jìn)電機(jī)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)，相對(duì)而言，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本比較低，控制精度高，最小步距角可達(dá) 度；當(dāng)然，它也具有很多其他方面的缺點(diǎn)，比如說(shuō)動(dòng)態(tài)性能差、效率低且發(fā)熱較為嚴(yán)重，這樣一來(lái)可靠性就難以得到必要的保證了。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行只能通過(guò)脈沖電源驅(qū)動(dòng)，不可 以直接使用交流電源或者直流電源； ，這是因?yàn)榕c普通電機(jī)相比較，步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有電刷等，不至于造成很大損耗，從而可以大幅度地去提高軸承的使用壽命； 利用率低，同等功率的電機(jī) ， 步進(jìn)電機(jī)體積和 重量大； 控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振。當(dāng) 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。 并 且 可以在很寬的范圍內(nèi)通過(guò) 改變 脈沖頻率 加速 減速；能 夠快速 啟動(dòng) 、 反轉(zhuǎn) 和 制動(dòng) 。 步進(jìn) 電機(jī)的 角位移 量 θ或 線位移量 s 與脈沖數(shù) k 成正比 ； 它的轉(zhuǎn)速 n 與脈沖頻率 f 成 正比 。接著開(kāi)始 詳細(xì)地 介紹步進(jìn)電機(jī)原理、分類、控制技術(shù)及特點(diǎn)，然后對(duì)設(shè)計(jì)所用元器件，如 AT89C5 L29 L298 等進(jìn)行介紹，最后用模塊化思想對(duì)所要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行 描 述，最后對(duì)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述 ，并 得到仿真結(jié)果 ， 最后完成實(shí)物的焊接與調(diào)試。 1． 3 論文研究的目的和內(nèi)容 本文的研究目的有兩個(gè)：作為一個(gè)電氣自動(dòng)化學(xué)生，在日常學(xué)習(xí)過(guò)程中我總感覺(jué)到目前的教材各種知識(shí)技術(shù)太過(guò)涇渭分明，無(wú)法把一些學(xué)過(guò)的課程知識(shí)點(diǎn) 和實(shí)踐活動(dòng) 有機(jī)結(jié)合起來(lái)，所以我始終希望自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)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)等幾門課程 綜合 起來(lái) ，并著力于相應(yīng)的生產(chǎn)實(shí)踐 ；第二個(gè)目的就是運(yùn)用自己所學(xué)習(xí)的知識(shí) 致力于完 善 步進(jìn)電機(jī)的控制與設(shè)計(jì)，能親自設(shè)計(jì)出來(lái)一套較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì) 、實(shí)用的 硬件 系統(tǒng)， 且 適應(yīng)性強(qiáng)、操作方便、交互性強(qiáng)并且可靠性高的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。將環(huán)形分配器用軟件代替，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。 相 對(duì) 而言，硬件環(huán)形分配器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但它占用的 PLC 資源較少，所以目前被用在多種芯片中，相對(duì)的，軟件環(huán)形分配器則會(huì)占據(jù)較多的PLC 資源，但是可以控制多相步進(jìn)電機(jī)，比較適合用于大型生產(chǎn)線；步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路的主要功能就是放大 PLC 輸出的控制脈沖，使驅(qū)