【正文】 ]. Control Theory and Applications, 2020(1): 98104. 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 36 附 錄 附錄 1：系統(tǒng)總圖 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(T2)1(T2EX)2345(MOSI)6(MISO)7(SCK)8(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10U1AT89S521K10K10nFVCCS1S2S330pF12A1f2g3e4d5c8DP7b9a10DS1A1f2g3e4d5c8DP7b9a10DS21234567816151413121110910KVCC231K1231K2P34P35P34P3510K 10KVCCP32P33P32P331K1KVCCIN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77OUT116OUT314OUT413OUT512OUT611OUT710OUT215COM9GND8U4ULN2020AP10P11P12P13VCCVCCP10P11P12P1310KVCCNPN NPNVCC12JP112JP210uF 10uFVin VoutGND7805123412345JP3 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 37 附錄 2：源程序 include include define uint unsigned int sbit k1=P3^4。 (6) 改進(jìn)方向：增加速度檢測(cè)裝置，提高速度控制精度；采用 PWM 方法進(jìn)行調(diào)速，可以增加選擇速度級(jí)別控制。速度增加按鈕 S2 為 INT0 中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當(dāng)值等于 7 時(shí)，不改變?cè)瓟?shù)值返回， 小于 7 時(shí)，數(shù)據(jù)加 1 后返回；速度減少按鈕 S3，當(dāng)原數(shù)據(jù)不為 0，減 1 保存數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)為 0 則保持不變。下面分析主程序與定時(shí)器中斷程序及外部中斷程序。 考慮到步進(jìn)電機(jī)的慣性作用。因其定時(shí)不是連續(xù)的，所以升降 速曲線不是一條直線，而是折線，但可近似看成直線。如圖 所示，拋物線升降頻將直線升降頻和指數(shù)曲線升降頻融為一體，充分利用步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)的有效轉(zhuǎn)矩，使升降速的時(shí)間大大縮短，同時(shí)又具有較強(qiáng)的跟蹤能力，這是一種比較好的方法。如圖 所示。主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運(yùn)行可靠。單四拍，通電順序?yàn)椋? 正轉(zhuǎn)： A。 TMOD=0x01。x0。 在程序中，只要依次將這 4 個(gè)控制字送到 P1 口，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角，每送一個(gè)控制字，就完成一拍，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。 3. 根據(jù)步距角的大小及實(shí)際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進(jìn)電機(jī)的最終位置 [13]。本設(shè)計(jì)采用 ULN2020 芯片。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(T2)1(T2EX)2345(MOSI)6(MISO)7(SCK)8(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10U1AT89S52A1f2g3e4d5c8DP7b9a10DS1A1f2g3e4d5c8DP7b9a10DS21234567816151413121110910KVCCP34P35P32P33P10P11P12P13NPN NPNVCC 圖 顯示電路 按鍵控制電路 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了啟動(dòng)控制，換向控制，加速控制和減速控制按鈕，分別是 K K S S3，控制電路如圖 所示。 在該步進(jìn)電機(jī)的控制器中，電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)，可以加速、減速，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速的等級(jí)分為七級(jí)，為了方便知道電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速的等級(jí)，這里設(shè)計(jì)了電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)的工作狀態(tài)的顯示電路。如圖 24 所示。 因此，復(fù)位電路應(yīng)該具有兩個(gè)主要的功能： 1 必須保證系統(tǒng)可靠的進(jìn)行復(fù)位； 2 必須具有一定的抗干擾的能力； 本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路使用獨(dú)立式鍵盤。在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振 [10]。 脈 脈 脈 脈A T 8 9 S 5 2脈 脈 脈 脈 脈 脈U L N 2 0 0 3 脈 脈 脈 脈脈 脈脈 脈 脈 脈脈 脈 脈 脈圖 總體設(shè)計(jì)方框圖 單片 機(jī)最小系統(tǒng) AT89S52 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8K bytes 的可反復(fù)擦鞋的只讀程序存儲(chǔ)器 (PEROM)和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 AT89S52 單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。 (2)變頻變壓法：步進(jìn)電機(jī)在高頻和在低頻時(shí)轉(zhuǎn)子所獲得的能量不一樣，在低頻時(shí)繞組中的電流上升時(shí)間長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子獲得的能量大，因此容易產(chǎn)生振蕩，在高頻時(shí)則相反。例如，步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，如果脈沖的頻率較高，由于電動(dòng)機(jī)來(lái)不及獲得足夠的能量，使其無(wú)法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，所 以引起失步。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在共振區(qū)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率接近步進(jìn)電機(jī)的振蕩頻率 fo或振蕩頻率的分頻或倍頻，這會(huì)使振蕩加劇，嚴(yán)重時(shí)造成失步。 (9)運(yùn)行頻率：指拖動(dòng)一定負(fù)載使頻率連續(xù)上升時(shí)，步進(jìn)電機(jī)能不失步運(yùn)行的極限頻率。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。 (5)由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組 成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常的可靠。 這三種工作方式的區(qū)別，如下表所示： 表 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)三種工作方式的性能比較 工作方式 單四拍 雙四拍 八拍 步進(jìn)周期 T T T 每相通電時(shí)間 T 2T 3T 走齒周期 3T 3T 6T 相電流 小 較大 最大 高頻性能 差 較好 較好 轉(zhuǎn)矩 小 中 大 電磁阻尼 小 較大 較大 振蕩 容易 較容易 不容易 功耗 小 大 中 由表 可以看出這三種工作方式中， 八 拍的性能最好，單 四 拍的性能最差，因此，在步進(jìn)電機(jī)的控制應(yīng)用中，選擇合適的工作方式非常重要 [5]。 圖 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖 開始時(shí)，開關(guān) Sb 接通電源， Sa、 Sc、 Sd 斷開， B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3 號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的 4 號(hào)齒就和 C、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5 號(hào)齒就和 D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。 (2)轉(zhuǎn)子：由軟磁材料制成，其外表面也均勻地分布著小齒 ， 與定子上的小齒相同，并且小齒的大小相同，間距相同。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，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 (即步進(jìn)角 )。這就給用戶在產(chǎn)品選型和使用中造成許多麻煩。 我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的研究及制造起始于本世界 50 年代后期，從 50 年代后期到 60 年代后期，主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。在當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，步進(jìn)電機(jī)無(wú)處不在，應(yīng)用領(lǐng)域涉及機(jī)器人、工業(yè)電子自動(dòng)化設(shè)備、醫(yī)療器件、廣告器材、舞臺(tái)燈光設(shè)備、印刷設(shè)備、計(jì)算機(jī)外部應(yīng)用設(shè)備等等。步進(jìn)電機(jī)由于其本身的特點(diǎn)，在具體的應(yīng)用中有利于裝置或設(shè)備的小型化和降低成本。 關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 驅(qū)動(dòng) 速度控制 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) II THE DESIGN OF SPEED GOVERNING CIRCUIT FOR STEPPER MOTOR BASED ON MCU ABSTRACT Known as a pulse motor, Stepper motor is an implementation ponent in the digital control system. Its function is converted into a pulse signal corresponding to the angular displacement or linear displacement, and the output angle, speed and the number of the input pulses, the frequency has a strict synchronization relationship. Because of Stepper motor’s own characteristics, the specific application in favor of apparatus or equipment turn into miniaturization and make its cost into reduction. Therefore, it was widely used in many areas and developed continuously. This design uses 8bit MCU AT89S52 to control stepper motor, with the output of timing the square wave through I/O port as stepper motor control signals, and the signal driver stepper motor through the driver chip。 步進(jìn)電機(jī)在我國(guó)的發(fā)展應(yīng)用及前景 步進(jìn)電機(jī)的原始模型起源于 1830 年至 1860 年， 1870 年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氬弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中，這被認(rèn)為最早的步進(jìn)電機(jī)。 70 年代初期，步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究都有所突破，除反映在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長(zhǎng)足進(jìn)步以外，對(duì)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究發(fā)展到一個(gè)較高的水平。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(shí)。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(wú)累積誤差等特點(diǎn)。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí)，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對(duì)齊，在磁場(chǎng)的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對(duì)齊，由此可見，錯(cuò)齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。依次類推， A、 B、C、 D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、 B、 C、 D 方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材 料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 7 磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 (7)速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 振蕩 步進(jìn)電機(jī)的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于：步進(jìn)電機(jī)工作在低頻區(qū)，