【正文】 動(dòng)能力增強(qiáng)，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) [1]。它的優(yōu)點(diǎn)是：通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)和可靠性高。使用閉環(huán)控制的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分及其無級(jí)調(diào)速。即： 1） 脈沖信號(hào)的產(chǎn)生電路； 2）脈沖信號(hào)的分配電路； 3）實(shí)現(xiàn)功率放大功能的驅(qū)動(dòng)電路。 基于電子電路的步進(jìn)電機(jī)控制 系統(tǒng) 該方法采用電脈沖信號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)，而電脈沖信號(hào)的相關(guān)變化（包括脈沖信號(hào)的產(chǎn)中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 生、分配和放大等）則主要通過電子元器件的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。以美國為例，它生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器體積小， 在 功能上可驅(qū)動(dòng)較大的步進(jìn)電機(jī)， 且 工作發(fā)熱低，電機(jī)工作平穩(wěn) ， 可靠性高。步進(jìn)電機(jī) 是把 電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移 的 執(zhí)行元件 ，它的 驅(qū)動(dòng)器是 步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng)中的一部分 ， 步進(jìn)電機(jī)與 其 驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)不可分割的整體 ， 步進(jìn)電機(jī) 的 運(yùn)行與驅(qū)動(dòng)器密切 相關(guān)，隨著 晶體管技術(shù)的應(yīng)用， 使 驅(qū)動(dòng)器向小型化 得到了很大的 發(fā)展。 步進(jìn)電機(jī)與 其 控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 密不可分 ， 當(dāng) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 技術(shù)較為滯后時(shí) ， 就會(huì) 使得步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng) 在 接近工作頻率 時(shí)產(chǎn)生 共振， 在 低速運(yùn)行 中 平穩(wěn)性差， 在 高速運(yùn)行 中 快速響應(yīng)能力差，容易 產(chǎn)生不同步現(xiàn)象 ， 并且伴有 震蕩和較差的 矩 頻特性 ，出現(xiàn)弊端。 driver chip。本次 設(shè)計(jì) 首先 對(duì)步進(jìn)電機(jī) 和 控制 與 驅(qū)動(dòng)芯片的性能做了 一個(gè)細(xì)致的了解 與 認(rèn)識(shí)，用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，加減速 ， 復(fù)位和 點(diǎn)動(dòng) 運(yùn)行的控制， 在 proteus 仿真環(huán)境中進(jìn)行仿真，調(diào)試成功后，再進(jìn)行硬件電路的焊接在包板上實(shí)現(xiàn)，將理論聯(lián)系到實(shí)踐。它不需要變換能直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計(jì)算機(jī)控制。 編號(hào)： （ ）字 號(hào) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 題目： 姓名： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) XXX XXXXXXXX 電氣工程與自動(dòng)化 20214 班 中 國 礦 業(yè) 大 學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè) 計(jì) 姓 名： XXX 學(xué) 號(hào) ： XXXXXXXX 學(xué) 院： 信息與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程與自動(dòng)化 設(shè)計(jì)題目： 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 專 題： 指導(dǎo)教師： XXX 職 稱： 教授 2021 年 6 月 徐州 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué)院 信電學(xué)院 專業(yè)年級(jí) 電氣工程與自動(dòng)化 20214 班 學(xué)生姓名 王晉凱 任務(wù)下達(dá)日期： 2021 年 12 月 30 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)日期： 2021 年 12 月 30 日至 2021 年 6 月 10 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目： 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 畢業(yè)設(shè)計(jì)專題題目： 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求： 1. 弄清并理解關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的工作原理、分類及特點(diǎn)等基本知識(shí)； 2. 理解有關(guān)步進(jìn)電機(jī)的控制技術(shù)，并提出自己針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制方案； 3. 利用 Proteus 仿真環(huán)境，繪制基于 AT89C51 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件原理電路； 4. 利用 C 語言編制基于 AT89C51 的步進(jìn)電機(jī)控制軟件，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度、方向 、 復(fù)位、點(diǎn)動(dòng) 的計(jì)算機(jī)控制 ； 5. 搭建 硬件 電路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能； 6. 撰寫論文。 步進(jìn)電機(jī)可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來調(diào)速；能夠快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。使用 單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，能 夠自動(dòng) 并精確控制復(fù)雜的控制過程 ， 使控制精度不 受 失步 、震蕩的影響 ， 接口電路的靈活性和通用性也大大提高 ， 并且顯示電路 、 鍵盤 電路、復(fù)位 電路等外圍電路可以很好 的 結(jié)合起來，系統(tǒng)交互性好 。 microcontroller 。 所以 ，它被廣泛地 應(yīng) 用于數(shù)控機(jī)床 、 繪圖機(jī) 、 計(jì)算裝置 、 自動(dòng)記錄儀 、 工人機(jī)器人 、 無損檢測(cè)等系統(tǒng) 和 裝置中 。 隨著 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 的 發(fā)展 ，數(shù)字 控制 技術(shù) 迅速地 崛起， 步進(jìn)電機(jī)的 應(yīng)用越來越廣泛。 隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，其驅(qū)動(dòng)器也在 日新月 異的 發(fā)展完善和提高，驅(qū)動(dòng)電路集成化 也發(fā)展到了較高的技術(shù)水平 。 國內(nèi)外 較為 常見 的 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 在長期的步進(jìn)電機(jī)發(fā)展過程中，涌現(xiàn) 出 了多種步進(jìn)電機(jī)的控制方案 。 整部 系統(tǒng)可以劃分 為三大主要部分，如圖 所示。當(dāng)實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制的時(shí)候，它的造價(jià)比較低，且設(shè)計(jì)起來非常簡單，并且平穩(wěn)性能很好，但是該系統(tǒng)此時(shí)將無法完成高精度細(xì)分。 基于 PLC 的控制 PLC 是一種工用計(jì)算機(jī)，俗稱可編程控制器。各部分功能如下： PLC 主要是為控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制脈沖， 調(diào)整 控制脈沖頻率的 強(qiáng)弱 即可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度，而它所輸出的方波脈沖則可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角 進(jìn)給量 而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量；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)的繞組是環(huán)形脈沖分配器的主要功能，它主要有軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器兩大類，軟件環(huán)形分配器是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，硬件環(huán)形分配器則 是用硬件組成的環(huán)形分配器 。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制 將步進(jìn)電機(jī)用單片機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，可以使用軟硬件相結(jié)合的控制方法。 單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，以下簡單地列寫如下： （ 1）編程使用單片機(jī)軟件，能夠自動(dòng)并精確控制復(fù)雜的控制過程，從而有效控制精度不受失步、震蕩的影響； （ 2）將環(huán)形分配器用軟件代替，然后設(shè)定單片機(jī)，可以完成同一電路控制并驅(qū)動(dòng)多相步進(jìn)電機(jī)的功能，使得接口電路的靈活性和通用性大大提高； （ 2） 單片機(jī)可以使顯示電路、鍵盤電路、復(fù) 位電路等外圍電路很好的結(jié)合起來，使系統(tǒng)的交互性得以提高，故采用單片機(jī)完成本次設(shè)計(jì)方案。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 1． 4 論文安排 本文開篇首先介紹了步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的背景及 意義 ，然后介紹了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上 ，提出了自己的設(shè)計(jì)目的及論文任務(wù)。其功 能 是將脈沖電信號(hào) 轉(zhuǎn) 換為相應(yīng)的角位移或直線位移，即 當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器 接受到一個(gè)脈沖信號(hào) ，它就 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定的方向 轉(zhuǎn)動(dòng) 一個(gè) 步進(jìn) 角。 步進(jìn)電機(jī)可以 在開環(huán)系統(tǒng)中 作為 執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng) 變得簡化。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而 相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。同時(shí)，它也可以由一個(gè) 角度反饋 環(huán)節(jié)構(gòu) 成 閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)； ，每相繞組按一定的規(guī)律輪流通電。 步進(jìn)電機(jī)： 該種步進(jìn)電機(jī)的定子上安有繞組，它的轉(zhuǎn)子材料是軟磁。永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)矩很大，可以在沒有減速器的情況下驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并且動(dòng)態(tài)性 能也很好。這樣一來，它就集合了永磁式和反應(yīng)式的雙重優(yōu)點(diǎn)，也就是說它具有輸出扭矩大，動(dòng)力性能好，步距角小的優(yōu)點(diǎn)，但是，這也同樣使得混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本也比較高。 當(dāng)然，在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，往往由于一系列的影響因素，如摩擦力和制造精度等，實(shí)際的控制精度達(dá)不到理想狀態(tài)，實(shí)際精度會(huì)比較低一點(diǎn)。它是決定步進(jìn)伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)。最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)在規(guī)定通電相數(shù)下矩角特性上的最大轉(zhuǎn)矩值?？蛰d啟動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率； 。當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí) , 變化速度必須逐漸上升 。圖 是反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，它的定子具有均勻分布的六個(gè)磁極，磁極上繞有繞組。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理是利用了物理上的“磁通總是力圖使自己所通過的路徑的磁阻最小 所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)一步步轉(zhuǎn)動(dòng)的。斷開 B 相，接通C 相 ，則 轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過 30176。如 上述 電機(jī)通電次序改為 A→ B→ C→ A??則 電機(jī)轉(zhuǎn)向相反。當(dāng) A相和 B 相同時(shí)接通時(shí)，轉(zhuǎn)子的位置應(yīng)當(dāng)兼顧到使 A、 B 兩 對(duì) 磁極所形成的兩路磁通在 氣隙 中所遇到的磁阻同樣程度地達(dá)到最小 。這 時(shí) ， A 級(jí) 與 B 級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)子齒 所 產(chǎn)生的磁拉力 互相 平衡。依此類推，如果 下面 繼續(xù)按照 BC→ C→ AC→ A??的 順序換接，那么步進(jìn)電機(jī)就不斷 地按 逆時(shí)針方向 旋轉(zhuǎn) ，當(dāng)接通 順序 改為 A→ AC→ C→ CB→ B→ BA→ A??時(shí)， 步進(jìn)電機(jī)就 反方向即按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) [4]。 (d)B、 C 相通電 圖 六拍通電方式時(shí)轉(zhuǎn) 子位置 三、 雙三拍通電方式的基本原理 三相雙三拍的運(yùn)行方式是按 AB→ BC→ CA→ AB??方式 供電。 ，六拍運(yùn)行時(shí)為 15176。步進(jìn)電機(jī)， 它 就是單極兩相四線的步進(jìn)電機(jī)。 20% 環(huán)境溫度： 10℃ +50℃ 轉(zhuǎn)軸徑向跳動(dòng)： 轉(zhuǎn)軸軸向跳動(dòng)： 電流范圍： ～ 力矩范圍： ～ 電壓范圍： ～ 12V 電機(jī)極數(shù)：兩相 步進(jìn)電機(jī) 機(jī)械尺寸和繞線圖如圖 ， 所示 ： 圖 步進(jìn)電機(jī)機(jī)械尺寸圖 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 圖 步進(jìn)電機(jī)繞線圖 AT89C51 單片機(jī) AT89C51 簡介 AT89C51 單片機(jī)是一種低功耗、低電壓、高性能的 8 位單片機(jī)，它采用 CMOS 和高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS51 兼容；片內(nèi)的 Flash ROM 允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編程器來編程，內(nèi)部除 CPU 外，還包括 256 字節(jié) RAM， 4 個(gè) 8 位并行 I/O 口， 5 個(gè)中 斷源， 2 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，AT89C51 單片機(jī)是一種功能強(qiáng)、 靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。它們實(shí)際上是一個(gè) 16 位的加 1 計(jì)數(shù)器。 圖 AT89C51定時(shí)器結(jié)構(gòu) 每個(gè)定時(shí)器都可以有許多種的設(shè)置方式。 TMOD 各位定義及具體意義如下圖 所示。定時(shí)器計(jì)數(shù) 8051 片內(nèi)脈沖，即對(duì)機(jī)器周期計(jì)數(shù)。它們位可形成四種編碼，對(duì)應(yīng)于四種 模式， 00， 10，01， 11。 圖 TCON各位定義及具體的意義 （ ) — T1 溢出標(biāo)志位 當(dāng) T1 溢出時(shí)，由硬件自動(dòng)使中斷觸發(fā)器 TF1 置 1，并向 CPU 申請(qǐng)中斷； 當(dāng) CPU 響應(yīng)中斷進(jìn)入中斷服務(wù)程序后， TF1 由硬件自動(dòng)清 0。 （ ） T0 溢出標(biāo)志 其同 TF1 的功能和操作。 TL0 計(jì)數(shù)溢出時(shí)，不僅使溢出中斷標(biāo)志位 TF0 置 1，而且還自動(dòng)把 TH0 中的內(nèi)容重新裝載到 TL0 中。當(dāng)由落下 10產(chǎn)生的輸入脈沖信號(hào)時(shí)計(jì)時(shí)器的值就會(huì)加 1。該集成電路采用了 SGS 公司的模擬 /數(shù)字兼容的 I2L 技術(shù)，使用 5V 的電源電壓，全部信號(hào)的連接都與 TFL/CMOS 或集電極開路的晶體管兼容。變換器由一個(gè)三倍計(jì)算器加某些組合邏輯電路組成，產(chǎn)生一個(gè)基本的八格雷碼 (順序如圖 所示 )。 CONTROL 為高電平時(shí)，對(duì) A， B， C， D 有抑制作用；為低電平時(shí)，則對(duì)抑制線 INH1 和 INH2 有抑制作用。 圖 四相八拍模式波形圖 通過交替跳過在八步順序中的狀態(tài)就可以得到工作全步工作方式，此時(shí)需要在腳 19 接一個(gè)低電平，前已述及根據(jù)變換器的狀態(tài)可得到四拍或者雙四拍 2 種工作模式，如圖 、 所示。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 3 硬件 設(shè)計(jì) L297 和 L298 組合電路 L297 加驅(qū)動(dòng) 器 組成的步進(jìn)電機(jī)控制電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：使用元件少 ,組件的損耗低，可靠性高體積小，軟件開發(fā)簡單 ,并且計(jì)算機(jī) (或單片機(jī) )硬件費(fèi)用大 大減少 。 相位是由內(nèi)部產(chǎn)生的 ， 因此可減輕計(jì)算機(jī) (或單片機(jī) )程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。根據(jù) 所選的四相 步進(jìn)電機(jī)，得出 使 該 步進(jìn)電機(jī) 工作 在四相八拍 方式 的脈沖分配表。 L297 的四相輸出接 L298 的 IN0IN4，使 L298 的 OUT0OUT4 輸出放大后的四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。該軟件的特點(diǎn)是：①集原理圖設(shè)計(jì)、仿真和 PCB 設(shè)計(jì)于一體，真正實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整電子設(shè)計(jì)工具。⑤支持 Keil C51 uVision MPLAB 等第三方 的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，⑥具有強(qiáng)大的原理圖到 PCB 板設(shè)計(jì)功能，可以輸出多種格式的電路設(shè)計(jì)