【正文】 [2] 采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號(hào)，并用 PLC 中的定時(shí)器來產(chǎn)生速度脈沖信號(hào)，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，降低硬件成本。 PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文配器。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有 PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路組成。 該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對(duì)較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計(jì)，因此靈活性不高。 [1] 此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。由于脈沖控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動(dòng)電路。 關(guān)鍵詞 :步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 看門狗 驅(qū)動(dòng)技術(shù) II ABSTRACT Stepping motor is a kind of controlled by electrical pulse signal phase winding current to achieve fixed angle rotating electromechanical ponents, pared with other types of motor control w ith easytoopenloop precision, no accumulation of error of the advantages, has been w idely used in many fields. In order to obtain good control performance results, there has been a lot of stepping motor control system, w hich adopts singlechip as the control of the control system has been widely applied. A lot of this control system has been in the drive of step motor is very good, such as subdivision driving technology, but some of the system is more plex, and some relatively simple control process do not coincide, investment is not the econo my。很多這種控制系統(tǒng)在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)上已經(jīng)做的非常好，比如細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，但是有的系統(tǒng)比較復(fù)雜，和一些相對(duì)比較簡(jiǎn)單的控制過程不相吻合，投入上也不經(jīng)濟(jì) 。為了得到性能優(yōu)良的控制結(jié)果，出現(xiàn)了很多步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，其中采用單片機(jī)作為控制核心的控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。本文首先簡(jiǎn)要描述了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展、應(yīng)用情況、以及常見的控制系統(tǒng)采用的方案，常見的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，而且還分析了步進(jìn)電機(jī)的工作原理，然后以單片機(jī)為主控制器提出了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)模塊的電路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，接著闡述了步進(jìn)電機(jī)軟件控制開發(fā)的流程。 步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)多種多樣，但究其控制手段而言，主要可以分為以下幾種 : 基于電子電路 控制手段 在一些控制應(yīng)用不高的場(chǎng)合，采用簡(jiǎn)單數(shù)字定時(shí)集成芯片為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖控制信號(hào)， 步進(jìn)電機(jī)受電脈沖信號(hào)控制，電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)系統(tǒng)由三部分組成 :脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào)分配電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚?，自?dòng)給出脈沖鏈，使步進(jìn)電機(jī)每一步響應(yīng)控制信號(hào)的命令，從而只要控制策略正確電機(jī)不可能輕易失步。 PLC 作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡(jiǎn)單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。環(huán)形脈沖分配器將 PLC 輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路將 PLC輸出的控制脈沖放大，達(dá)到比較大的驅(qū)動(dòng)能力。 [3] 控制版面 輸入\輸出 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī) 負(fù)載 3 圖 13 基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)圖 采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配 。 本課題的研究思路即為 :采用單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。永磁式步進(jìn)電機(jī)則由于轉(zhuǎn)子永磁體加工方面的限制步距角一般較大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)分辨率比較受限，但是由于采用了低成本的爪極式結(jié)構(gòu)使得其制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格較低，容易快速批量生產(chǎn)，因而廣泛應(yīng)用于對(duì)單片機(jī)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī) 機(jī)械裝置 外圍電路 4 性能要求不高的場(chǎng)合 。 60 年代受蘇聯(lián)的影響，主要以三相磁阻式步進(jìn)電機(jī)為主。但是由于我國(guó)工業(yè)起步較晚且發(fā)展之初廣泛采用了磁阻式步進(jìn)電機(jī)，產(chǎn)品更新?lián)Q代沒那么快，同時(shí)磁阻式步進(jìn)電機(jī)雖然效率低、振動(dòng)和噪音大但是由于堅(jiān)固耐用、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)成熟、價(jià)格較低，仍然很受國(guó)內(nèi)中小企業(yè)的歡迎，因此我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)與國(guó)外不同仍然以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。如圖 14 所示， L 為電機(jī)繞組， VCC 為電源。 單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元件少、成本低、可靠性高 。在導(dǎo)通前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。從理論上講，自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)可以將電機(jī)繞組的電流控制在某一恒定值。比如：當(dāng)比較器輸出的導(dǎo)通脈沖剛好介于 D 觸發(fā)器的 2 個(gè)時(shí)鐘上升沿之間時(shí)，該控制信號(hào)將丟失，一般可通過加大 D 觸發(fā)器時(shí)鐘頻率解決。 （表示半步工作時(shí)為 176。 驅(qū)動(dòng)器工作在半步狀態(tài) 176。 176。 /176。 ，這就是細(xì)分的基本概念 ’ 。 提高了電機(jī)的分辨率 由于減小了步距角、提高了步距的均勻度， ‘ 提高電機(jī)的分辨率 ’ 是不言而喻的。 論文安排 本論文首先簡(jiǎn)單介紹了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進(jìn)電機(jī)常見的控制系統(tǒng)方案和常見的驅(qū)動(dòng)方案，在這個(gè)基礎(chǔ)上提出了自己的設(shè)計(jì)目的，即設(shè)計(jì)一套硬件系統(tǒng)較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但功能較為齊全，適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便，交互性強(qiáng)，可靠性高，而且能在目前的職業(yè)教學(xué)中得到事半功倍的教學(xué)效果的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。 第三章為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)概述，在框架結(jié)構(gòu)上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，而且重點(diǎn)闡述基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)的一般框架，為自己的設(shè)計(jì)提供有力的支持。 在負(fù)載正常范圍的情況下，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)只和數(shù)字脈沖發(fā)生器提供的信號(hào)的頻率和脈沖占空比有關(guān)，一般情況下，電機(jī)的狀態(tài)不受負(fù)載的影響。在小步距情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載 ； 速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型 。 混合式步進(jìn)電機(jī) 混合式步進(jìn)電機(jī) (簡(jiǎn)稱 HB)混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。由于能夠開環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，因此這種電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中得 到廣泛應(yīng)用。而 0、3 號(hào)齒和 A、 B 相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5 號(hào)齒就和 A、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高 控制精度。典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)由三部份構(gòu)成 :控制部分、驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行部分?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的 ?？刂撇竭M(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，可以對(duì)電機(jī)精確定位。下面著重介紹以單片機(jī)為控制器的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。 圖 32 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 前面已經(jīng)介紹過，驅(qū)動(dòng)脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實(shí)現(xiàn)。因此，常把單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制電路稱之為可編程步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路。(1)單相三拍方式 (按單相繞組施加電流脈沖 ):A B C 一正轉(zhuǎn) 。 (3)三相六拍方式 (單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖 ):AABBBCCCA 一正轉(zhuǎn) 。 由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，和單片機(jī)端口連接，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)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)。系統(tǒng)應(yīng)用了一片 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)控制器的核心運(yùn)算器件，利用單片機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和可編程的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的步進(jìn)電機(jī)控制功能。本系統(tǒng)大致想達(dá)到以下幾個(gè)特點(diǎn) : 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，把成本降到最低； 功能要較為齊全 。硬 件上 采 用 了專 用 的 系統(tǒng) 程 序 運(yùn)行 監(jiān) 控 電 路16 WTD(看門狗 )。鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示轉(zhuǎn)速度狀態(tài)。 管腳說明 圖 管腳圖 VCC：供電電壓 ； GND：接地； P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P3 口還用于實(shí)現(xiàn) AT89C51 的各種第二功能，如下表所列： 表 P3 口 功能 引腳口 功 能 RXD 串行輸入端口 TXD 串行輸出端口 INT0 外中斷 0 INT1 外中斷 1 T0 定時(shí)器 0 外部輸入 T1 定時(shí)器 1 外部輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 P3 口還接收一些用于閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 1 EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 19 1 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2應(yīng)不接。此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。 [17] 圖 AT89C51 最小系統(tǒng)電路 采用的是AT89C51 芯片，它內(nèi)部自帶 4K 的FLASH 程序存儲(chǔ)器，一般情況下，這 4K的存儲(chǔ)20 空間足夠我們使用，所以我們將 AT89C51 芯片的第 31 腳固定接高電平（ PCB 畫板時(shí)已經(jīng)接死），所以我們只用芯片內(nèi)部的 4K 程序存儲(chǔ)器。 晶振電路 :典型的晶振取 (因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地得到 9600 波特率和19200 波特率 ,用于有串口通訊的場(chǎng)合 )/12MHz(產(chǎn)生精確的 us 級(jí)時(shí)歇 ,方便定時(shí)操作 ) 特別注意 :對(duì)于 31 腳 (EA/Vpp),當(dāng)接高電平時(shí) ,單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部 ROM的 0000H 開始執(zhí)行 。 (2)數(shù)字式接口 液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、 PDA 移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域。 液晶顯示器各種圖形的顯示原理 (1)線段的顯示 點(diǎn)陣圖形式液晶由 MN 個(gè)顯示單元組成，假設(shè) LCD 顯示屏有 64 行，每行有128 列，每 8 列對(duì)應(yīng) 1 字節(jié)的 8 位，即每行由 16 字節(jié)，共 168=128 個(gè)點(diǎn)組成，屏上 6416 個(gè)顯示單元與顯示 RAM 區(qū) 1024 字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。這樣一來就組成某個(gè)字符。 (1)1602LCD 主要技術(shù)參數(shù) 顯示容量 :162 個(gè)字符 芯片工作電壓 :— 工作電流 :() 模塊最佳工作電壓 : 字符尺寸 :(WH)mm 圖 LCD1602 (2)LCD1602 一般復(fù)位過程 ○ 1 延遲 15ms； ○ 2 寫指令 38H(不檢測(cè)忙信號(hào) )； ○ 3 延遲 5ms； ○ 4 寫指令 38H(不檢測(cè)忙信號(hào) )； ○ 5 延遲 5ms； ○ 6 寫指令 38H(不檢測(cè)忙信號(hào) )； ○ 7 以后每次寫指令、讀 /寫數(shù)據(jù)操作均檢測(cè)忙信號(hào)； ○ 8 寫指令 38H：顯示模式設(shè)置； ○ 9 寫指令 08H：顯示關(guān)閉； ○10寫指令 08H：顯示關(guān)閉； ○11寫指令 06H。 第 3 腳： VL 為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生 “ 鬼影 ” ，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K 的電位器調(diào)整對(duì)比度。 第 714 腳： D0D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 指令 3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。 指令 5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示