【正文】 步進(jìn)電機(jī)工作在共振區(qū)，步進(jìn)電機(jī)突然停車時(shí)。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在高頻率區(qū)時(shí)，由于換相周期短，轉(zhuǎn)子來不及反沖，同時(shí)，繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)子沒有獲得足夠的能量，所以在這個(gè)工作區(qū)中不會(huì)產(chǎn)生振蕩。 (2)轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度。同時(shí)，也相對(duì)地提高步進(jìn)頻率，使步進(jìn)過程平穩(wěn)進(jìn)行。 具有基本的人機(jī)交互接口。 圖 單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)圖 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 13 本設(shè)計(jì)的 晶振電路用 30PF 的電容和一個(gè) 晶體振蕩器組成為整個(gè)電路提供時(shí)鐘頻率。如圖 示。當(dāng) 在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時(shí)，該段筆畫即亮；不加電壓即暗。采用兩個(gè)共陽 極 數(shù)碼管作動(dòng)態(tài)顯示?；趩纹瑱C(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 16 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機(jī)的脈沖頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。內(nèi)部集成有驅(qū)動(dòng)電路，上電自行復(fù)位，可以控制轉(zhuǎn)向和輸出使能 [20]。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 19 要求：確保步進(jìn)到位。兩個(gè) 脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。y) { } } } 可以看出，采用軟件延時(shí)方法實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是程序 簡(jiǎn)單，思路清晰，不占用硬件資源。 TR0=1。 假設(shè)表 所示是單四拍正轉(zhuǎn)的工作 方式的控制字，則反轉(zhuǎn)的控制字如下表 所示： 表 單四拍反轉(zhuǎn)工作方式的控制字 通電狀態(tài) 控制字 A 1 0 0 0 08H B 0 1 0 0 04H C 0 0 1 0 02H D 0 0 0 1 01H 步進(jìn)電機(jī)的位置控制 步進(jìn)電機(jī)的位置控制，指的是控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個(gè)位置精確地運(yùn)行到另一個(gè)位置，步進(jìn)電機(jī)的位置控制是步進(jìn)電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，它可以不用借助位置傳感器而只需要簡(jiǎn)單的開環(huán)控制就能達(dá)到足夠的位置精度，因此應(yīng)用很廣 [15]。此時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于恒速狀態(tài)，無需升降頻控制。 f/Hzf af b? ft / s? t 圖 直線升降頻 (2)指數(shù)曲線升降頻。如線性升降頻，兩脈沖頻率的差值 ?f=|fifi1|是相等的，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間增量 ?f 也是相等。由步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性 (見圖 )可知，轉(zhuǎn)矩 M 是頻率 f 的函數(shù) (即角加速度 dω／ dt=M(f)/J， J 為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 )，它隨著 f 的上升而下降，所以它呈軟的特性。根據(jù)最佳升降頻控制規(guī)律，可推出步進(jìn)電機(jī)的 “頻率 步長(zhǎng) ”關(guān)系曲線如圖 所示。若初始化P1=11H、速度和方向初始值均設(shè)為 0，就意味著步進(jìn)電機(jī)按四相單四拍運(yùn)行，系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下，步進(jìn)電機(jī)不旋轉(zhuǎn)，方向值顯示 “0”，速度值顯示 “0”，主程序流程圖如圖 所示。 本文主要研究結(jié)論如下： (1) 本設(shè)計(jì)中，根據(jù)單片機(jī)原理，設(shè)計(jì)了能夠通過按鍵控制的帶有數(shù)碼顯示的執(zhí)行元件即步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的基本功能，達(dá)到了研究目的。在課題設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室板焊接、論文撰寫等各個(gè)方面，張老師給予了悉心指導(dǎo)和無私幫助。 /*加速按鈕 */ sbit s3=P3^3。 speed=0。 /*總開關(guān) 允許中斷 */ EX0=1。 TR0=0。 /*T0 低八位 */ while(1) { if(k1==0) { P0=0xc0。 speed=0。 code uint state[]={ 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0, 0x99,0x92,0x82,0xf8}。 最后，再次衷心感謝那些曾默默支持過我的朋友，在這里請(qǐng)接受我真摯的謝意。 (5) 存在問題：沒有速度檢測(cè)裝置，不能進(jìn)行測(cè)速，沒有反饋模塊，不能進(jìn)行速度的校正，控制精度較低。 T 0 脈 脈 脈 脈脈 脈 脈 脈脈 脈 脈 脈 脈 脈脈 脈 脈 脈 脈脈 脈 脈 脈脈 脈 脈 脈脈 脈 脈 脈 脈脈 脈 ？Y脈 脈 脈 脈 脈N 圖 定時(shí)中斷程序流程圖 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 31 外部中斷設(shè)計(jì) 外部中斷所要完成的工作是根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，也就是改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 表 頻率步長(zhǎng)表 K fa(ta) K+1 ?La K+2 f1(t1) K+3 ?L1 K+4 f2(t2) K+5 ?L2 … … 數(shù)據(jù)來源： 2020 年《 電機(jī)技術(shù)及應(yīng)用 》 [5] 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 28 5 程序設(shè)計(jì) 通過分析可以看出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于隨時(shí)有可能輸入加速、加速信號(hào)和方向信號(hào)，因而采用中斷方式效率最高，這樣總共要完成 4 個(gè)部分的工作才能滿足課題要求，即主程序部分、定時(shí)器中斷部分、外部中斷 0 和外部中斷 1部分，其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè) 置及啟動(dòng)開關(guān)的檢測(cè)，若啟動(dòng)開關(guān)合上則系統(tǒng)開始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時(shí)器部分控制脈沖頻率，它決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢；兩個(gè)外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能。按此要求，從開始升頻到升至 fb 之間，按最佳升頻要求的頻率取出 f1，f2， … ， fn，并將它們所對(duì)應(yīng)的脈沖間隔時(shí)間 t1， t2， … ， tn，依次存于內(nèi)存的一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，如表 所示 (稱階梯頻率表 )。時(shí)間計(jì)算也可采用定時(shí)中斷的方法，可將定時(shí)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 25 常數(shù)逐次遞增 /遞減一定值，實(shí)現(xiàn)升降頻控制。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 24 (3)拋物線升降頻。 步 進(jìn)電機(jī)常用的升降頻控制方法有 3 種： (1)直線升降頻。 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制 步距角和轉(zhuǎn)速大小不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受各種環(huán)境條件諸如溫度、壓力、振動(dòng)、沖擊等影響，而僅僅與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低可以大范圍地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、加減速，而且基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 23 有自鎖的能力，不需要機(jī)械制動(dòng)裝置，不經(jīng)減速器也可獲得低速運(yùn)行。 步進(jìn)電機(jī)的方向控制 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。 ET0=1。 for(x=t。 圖 單片機(jī)分配脈沖接口圖 注： ： A 相驅(qū)動(dòng)； ： B 相驅(qū)動(dòng)； AT89S52 A相驅(qū)動(dòng) B相驅(qū)動(dòng) C相驅(qū)動(dòng) D 相驅(qū)動(dòng) 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 20 ： C 相驅(qū)動(dòng)； ： D 相驅(qū)動(dòng) 單四拍控制字如下表所示： 表 單四拍工作方式的控制字 通電狀態(tài) 控制字 A 0 0 0 1 01H B 0 0 1 0 02H C 0 1 0 0 04H D 1 0 0 0 08H 注： 0 代表使繞組斷電， 1 代表使繞組通電。 2. 只要負(fù)載是在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍之內(nèi)，每個(gè)脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步距角度。 目前，驅(qū)動(dòng)電路集成化成為一種趨勢(shì) ，已有多種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路芯片，它們大多集驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體，作為小功率步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)芯片，廣泛用于小型儀表、計(jì)算機(jī)外設(shè)等領(lǐng)域，使用起來非常方便。 顯示時(shí)，數(shù)碼管的位選信號(hào)采用 P2 口輸出，第一個(gè)數(shù)碼管的位選信號(hào)連接 ，第二個(gè)數(shù)碼管的位選信號(hào)連接 。本電路的 “段控 ”和 “位控 ”分別由 P0口和 P2 口控制， P2 選中哪個(gè)數(shù)碼管，哪個(gè)數(shù)碼管就亮， P0 口控制顯示數(shù)字。 LED 有共陰極和共陽極兩種 [11]。同時(shí)，復(fù)位電路也是容易受到外部噪 聲干擾的敏感部分之一。 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)10GND20VCC40U1AT89S521K10K10nFVCCS130pF1210KP34P35P32P33P10P11P12P13 時(shí)鐘電路 晶體振蕩器，簡(jiǎn)稱晶振。 (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。 (1)多相勵(lì)磁法：采用多相勵(lì)磁會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼， 會(huì)削弱或消除振蕩現(xiàn)象。 步進(jìn)電機(jī)失步的原因有 2 種 : (1)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度 (或者說慢于換相速度 )。由于有機(jī)械摩擦和電磁阻尼的作用，這個(gè)振蕩表現(xiàn)為衰弱振蕩，最終穩(wěn)定在平衡點(diǎn)。 (8)響應(yīng)頻率：在某一頻率范圍內(nèi)步進(jìn)電機(jī)可以任意運(yùn)行而不會(huì)丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。 θb=θz/N = 2π/NZ (N 是工作拍數(shù)， Z 是轉(zhuǎn)子的齒數(shù) ) (3)步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。 (4)步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖 a、 b、 c 所基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 6 示： 脈 脈A 脈B 脈C 脈D 脈 a. 單四拍 b. 雙四拍 c 八拍 圖 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 1. 單四拍：通電順序?yàn)?； 2. 雙四拍：通電順序?yàn)?； ：通電順序?yàn)?。圖 是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。與齒 5 相對(duì)齊。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 4 2 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及特性 步進(jìn)電機(jī)的概念 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。僅僅處于一種盲目的仿制階段?；趩纹瑱C(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì) 2 在生產(chǎn)過程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。此外由于 的日益流行促進(jìn)了高分辨率掃描儀的銷售， 步進(jìn)電機(jī) 向著小型、薄型和更小的步進(jìn)角度發(fā)展。其功能是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移，且其輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與輸 入 脈沖個(gè)數(shù)、頻率有著嚴(yán)格的同步關(guān)系。 same time, to control the state of the motor with four keys and display the motor speed on LED indicator. KEY WORDS Stepper Motors MCU Drive Speed Governing 目 錄 中文摘要 .................................................................................................. I 英文摘要 ................................................................................................. II 1 緒論 ................................................................................................... 1 步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展 .................................................................... 1 步進(jìn)電機(jī)在我國(guó)的發(fā)展應(yīng)用及前景 .......................................... 1 本文研究?jī)?nèi)容 ............................................................................ 3 2 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及特性 ................................................... 4 步進(jìn)電機(jī)的概念 ........................................................................ 4 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 ..................................................... 4 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) .............................