【正文】 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。 隨著現(xiàn)代電子科學(xué)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，電子計(jì)算機(jī)已深深介入機(jī)械制造的各個(gè)領(lǐng)域，誕 生了一系列機(jī)、電、計(jì)算機(jī)一體化的新產(chǎn)品 [5]。這種數(shù)控系統(tǒng)又稱為軟接線（軟線）數(shù)控，即計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，簡稱 CNC。為解決此問題，我們研制了一種能代替PLC 控制系統(tǒng)的新的控制系統(tǒng) 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。利用軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)的自動(dòng)控制和精確控制。 目 錄 7 摘要 第 1 章 緒論 1 第 2 章 方案論證比較設(shè)計(jì) 5 單片機(jī)概述 5 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 6 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路 9 第 3 章 控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 10 SPCE061A 的介紹 10 性能 11 結(jié)構(gòu) 12 芯片的引腳排列和說明 12 SPCE061A 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 14 μ’NspTM 的核心結(jié)構(gòu) 15 步進(jìn)電機(jī)的選擇 17 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 18 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì) 20 4X4 鍵盤電路的設(shè)計(jì) 21 第 4 章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 24 控制脈沖的產(chǎn)生 24 步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和時(shí)序脈沖的關(guān)系 25 步數(shù)的確定 27 步進(jìn)電機(jī)的變速控制 29 語音報(bào)數(shù) 33 第 5 章 結(jié)論 35 參考文獻(xiàn) 36 致謝 38 附錄 39 8 單片機(jī) 控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) —文獻(xiàn)綜述 一、引言 近十幾年來，單片機(jī)在生產(chǎn)過程控制、白動(dòng)檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計(jì)算、商業(yè)管理和辦公室白動(dòng)化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。它不求規(guī)模大，只求小而全。從 CPU、存儲器到輸入輸出端口，一應(yīng)俱全。 一般微處理器和有關(guān)元器件分軍用和民用兩級，民用產(chǎn)品主要用于辦公室及機(jī)房環(huán)境，工作溫度在 0 到 700℃ ,軍用產(chǎn)品要求在惡劣環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，工作溫度在 65 到 +125℃ 。 近年來，在國際上出現(xiàn)了 Mechanics 和 electronics 復(fù)合成的 Mechtronics 這個(gè)新詞，我國譯為 “機(jī)電一體化 ”。正是針對上述種種要求而設(shè)計(jì)的單片機(jī)白然成為機(jī)電一體化控制器的最佳選擇。以 intel 公司的 MCS51, Motorola 公司的 6801和 Zilog 公司的 Z8 等為代表。例如 Mostek 公司的MK6800、 intel 公司的 MCS96 等。 80 年代以后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。早期的步進(jìn)電機(jī)靠一種叫環(huán)形分配器的電子開關(guān)器件，通過功率放大器使勵(lì)磁繞組按照順序輪流接通直流電源。它最大的應(yīng)用是在使用數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)制造中，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機(jī)同步系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 第三，步數(shù)的確定。 步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和時(shí)序脈沖的關(guān)系 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn) 方向與內(nèi)部繞組的通電順序和通電方式有關(guān)。 按以上順序通電，步進(jìn)電機(jī)正傳，按相反方向通電，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。 步數(shù)的確定 步 進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)可由步距角和需要轉(zhuǎn)過的角度來計(jì)算 [7]: 式中： －步距角 。 步進(jìn)電機(jī)的變速控制 上面給的程序流程圖是步進(jìn)電機(jī)的恒速運(yùn)轉(zhuǎn)方式。這樣就解決了 “快速而不失步 ”的矛盾。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識。 4，改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。 圖 1－ 1 通過比較，使用 L298N 芯片充分發(fā)揮了它的功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，且價(jià)格不高，故選用 L298N 驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 13 由于設(shè)計(jì)中用一塊單片機(jī)進(jìn)行控制，資源有限，選擇了方案一。 步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。 (2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果 給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 三、理論設(shè)計(jì) 綜和以上選取的方案，總的流程如圖 3－ 2 所示。 圖 3－ 4 4x4 鍵盤電路 在設(shè)計(jì)中，使用了標(biāo)準(zhǔn)的 4x4 鍵盤，其電路圖如圖 3－ 5 所示。 雙機(jī)通訊 15 圖 4－ 1 我們在實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通訊的過程中使用了“三次握手”的方式，這是 Intle 網(wǎng)中成用的數(shù)據(jù)通訊確認(rèn)協(xié)議，其流程圖如圖 4－ 1 所示。 這次步進(jìn)電機(jī)的綜合實(shí)驗(yàn)我們學(xué)到了步進(jìn)電機(jī)、數(shù)碼管、 4*4 鍵盤、語音報(bào)數(shù)和雙機(jī)通訊的使用，更重要的是學(xué)會了程序出問題時(shí)調(diào)試的方法，并養(yǎng)成了 Debug的習(xí)慣，學(xué)到了程序出問題后怎樣去解決的基本方法。在歐美等發(fā)達(dá)國家 80 年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的 16 優(yōu)點(diǎn)。 圖 1 是 35BY 型永磁步進(jìn)電機(jī)的外形圖，圖 2 是該電機(jī)的接線圖，從圖中可以看出，電機(jī)共有四組線圈，四組線圈的一個(gè)端點(diǎn)連在一起引出，這樣一共有 5 根引出線。開機(jī)時(shí)， ~ 均為高電平，依次將 ~ 切換為低電平即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn) 行，注意在切換之前將前一個(gè)輸出引腳變?yōu)楦唠娖健? 1．要求分析 按上面的分析，改變轉(zhuǎn)速，只要改變 ~ 輪流變低電平的時(shí)間即可達(dá)到要求，這個(gè)時(shí)間不應(yīng)采用延時(shí)來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闀绊懙狡渌δ艿膶?shí)現(xiàn)。而在最高轉(zhuǎn)速時(shí)，要求為 100 轉(zhuǎn) /分，即 48000 脈沖 /分，相當(dāng)于 。 2．程序?qū)崿F(xiàn) 定義 DSB－ 1A實(shí)驗(yàn)板的 S1 為啟動(dòng)鍵， S2 為停止鍵， S3 為加 1 鍵， S4 為減 1鍵，程序如下： StartEnd bit 01H 。流動(dòng)速度計(jì)數(shù) DjCount DATA 24H 。顯示緩沖區(qū) ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH JMP DISP ORG 001BH JMP DJZD ORG 30H MAIN: MOV SP,5FH MOV P1,0FFH MOV A,Hidden MOV DispBuf,A MOV DispBuf+1,A MOV DispBuf+2,A MOV DjCount,11110111B MOV SPEED,MinSpd。 MOV TL1,0FFH SETB TR0 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 LOOP: ACALL KEY 。最低位 MOV B,10 DIV AB MOV DispBuf+4,B MOV DispBuf+3,A JB StartEnd,m_Next2 CLR TR1 。 D10ms: ?? 。 。是則減去 1，保證下次仍為該值 K1: AJMP KEY_RET DowSpd: DEC SPEED MOV A,SPEED 19 CJNE A,MAXSPD,KEY_RET。減基準(zhǔn)數(shù) MOV DPTR,DjH MOVC A,A+DPTR MOV TH1,A MOV A,Speed SUBB A,MinSpd MOV DPTR,DjL MOVC A,A+DPTR MOV TL1,A MOV A,DjCount CPL A ORL P1,A MOV A,DjCount JNB ,d_Next1 JMP d_Next2 d_Next1: MOV DjCount,11110111B d_Next2: MOV A,DjCount RL A MOV DjCount,A 。至此，主程序的工作即結(jié)束。 定時(shí)時(shí)間又是如何確定的呢？這里用的是查表的方法，首先用 Excel 計(jì)算得出在每一種轉(zhuǎn)速下的 TH 值和 TL 值，然后，分別放入 DjH 和 DjL 表中，在進(jìn)入T1 中斷程序之后，將速度值變量 Speed 送入累加器 ACC，然后減去基數(shù) 25，使其基數(shù)從 0 開始計(jì)數(shù)，然后分別查表，送入 TH1 和 TL1，實(shí)現(xiàn)重置定時(shí)初值的目的。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 度而五相步進(jìn)角一般為 度。要使用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，只要輪流給各引出端通電即可。如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度只要改變兩次接通之間的時(shí)間，而要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，只要改變各線圈接通的順序。這里以定 22 時(shí)的方式來實(shí)現(xiàn)?？梢粤谐鱿卤? 表 1 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時(shí)器定時(shí)常數(shù)關(guān)系 速度 單步時(shí)間 (us) TH1 TL1 實(shí)際定時(shí)（ us） 25 50000 76 0 26 48077 82 236 27 46296 89 86 28 44643 95 73 … … … … … 100 12500 211 0 表中不僅計(jì)算出了 TH1 和 TL1，而且還計(jì)算出了在這個(gè)定時(shí)常數(shù)下，真實(shí)的定時(shí)時(shí)間，可以根據(jù)這個(gè)計(jì)算值來估算真實(shí)速度與理論速度的誤差值。 (2) 電機(jī)能在所設(shè)速度下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)速度與設(shè)定速度之差小于 177。 (4) 利用按鍵和 LED 數(shù)碼管設(shè)置速度，設(shè)置方便，快捷。顯示是利用 8 位 LED 數(shù)碼管，用按鍵進(jìn)行設(shè)定。采用 74LS164 串行移位輸出，只占用單片機(jī) 3 個(gè) I/O 口，刷新頻率 100Hz。測速電路用的是光耦測量轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤引起的脈沖寬度，從而可得單片機(jī)的實(shí)時(shí)速度，精度很高，可達(dá)千分之一。原理是利用開關(guān)控制繼電器，然后控制橋路對電機(jī)實(shí)施轉(zhuǎn)向控制。另外還用了計(jì)數(shù)器 1，用做計(jì)算脈沖寬度，與外部中斷 1 一起構(gòu)成測速系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中， PWM 的斬波周期為 1ms，那也就是說斬波頻率為 1KHz，在理論上 能達(dá)到 1‰ 線性可調(diào)，也就是能以 %的調(diào)節(jié)精度來調(diào)節(jié)PWM 占空比。 cut = 0。 獲取脈沖寬度值子函數(shù)如下： void getwidth_1() { TH1 = 0。 while(INT1==1amp。 //IE1 = 0。 while(m==0amp。 } out: IE1 = 0。 25 width_1 = (TH1_1*256+TL1_1)。 gw1 = 0。 if(width_1 != 0) widthbuf[gw] = width_1。20，而超調(diào)量也僅為 +300 轉(zhuǎn) /分，出現(xiàn)在第一次上升的時(shí)候，下來之后便穩(wěn)定了。 對研究啊，創(chuàng)新啊什么的，當(dāng)然是 AVR， DSP 好，但是對于做產(chǎn)品來說，就當(dāng)然是價(jià)格低廉的 51 系列好啦～只要 51 能實(shí)現(xiàn)的，就盡量用 51，對產(chǎn)品來說，成品很重要啊～ ^_^！