【正文】 動機，其次是定子 10 極轉子 50 齒的五相混合式步進電動機。以下是這幾種驅動方式的 比較。 高低壓驅動 為了使通電時繞組能迅速到達設定電流，關斷時繞組電流迅速衰減為零，同時又具有較高的效率，出現(xiàn)了高低壓驅動方式。 [8] D/A輸出預設值 比較器 D觸發(fā)器 功率放大器 步進電機 電流檢測 7 它激式恒電流斬波驅動 為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓問題，可在 D 觸發(fā)器加一個固定頻率的時鐘。 ），這個步距角可以稱之為 ‘ 電機固有步距角 ’ ，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關，參見下表（還以型 86BYG250A 電機為例）： 表 細分驅動步距角 電機固有步距角 所用驅動器類型及工作狀態(tài) 電機運行時的真正步距角 176。 細分驅動器工作在 10細分狀態(tài) 176。驅動器細分后的主要優(yōu)點為： 完全消除了電機的低頻振蕩 低頻振蕩是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑，如果步進電機有時要在共振區(qū)工作（如走圓?。x擇細分驅動器是唯一的選擇。具體安排如下 : 9 第一章為緒論，介紹了步進電機的應用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進電機常見的控制系 統(tǒng)方案和常見的驅動方案，了解各種方案的優(yōu)缺點，提出自己的思路和設計目的。這種采用弱點控制強電的控制方式使得步進電機在速度、位移等控制領域有著普通電機不能比擬的優(yōu)勢。 反應式步進電機 反應式步進電機 (簡稱 VR)反應式步進電機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。 四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。不同的控制方案，步進控制器、驅動器也有不同的類型。但硬件方法結構復雜，成本也較高。轉動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉動的速度與脈沖頻率成正比，而轉動方向則與脈沖的順序有關。 整個系統(tǒng)以單片機為核心，設計出硬件系統(tǒng)。而且可以做到人機交換，使控制更加的直觀和方便，各種運行狀態(tài)也都有相應的指示，使操作者隨時都能對電機的運行狀況進行方便的了解。 第 4 章 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)組成 圖 4. 1 系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng) 由 電 源 、顯示 ( 指示 )、單片機 (MCU )、按 鍵 電 路 、看門狗電路和電機驅動電路等組成。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存18 儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。 最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)又稱單片機最小化系統(tǒng)。 外圍電路設計 顯示電路 — LCD1602 優(yōu)點 (1)顯示質量高 由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（ CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。 (3)漢字的顯示 漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占 32B，分左右兩半，各占 16B，左邊為 5?? 右邊為 6?? 根據(jù)在 LCD 上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示 RAM 對應的地址，設立光標，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標位置加22 1，送第二個字節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié) ?? 直到 32B 顯示完就可以 LCD上得到一個完整漢字。 第 5 腳： R/W 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。 指令 4：顯示開關控制。（說明： 1 為高電平、 0 為低電平） 指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標復位到地址 00H 位置。 (3)引腳功能說明 1602LCD 采用標準的 14 腳（無背光）或 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表 2 所示 : 23 表 引腳接口說明表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負極 第 1 腳： VSS 為地電源。這就是 LCD 顯示的基本原理。 (4)功耗低 相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內部的電極和驅動 IC 上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。 復位電路由 22UF 的電容和 1K 的電阻組成，其好處是在滿足單片機可靠復位的前提下降低了復位引腳的對地阻抗，可以顯著增強單片機復位電路的抗干擾能力。 芯片擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個 機器周期 的高電平時間。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造。 為了達到以上特點，除了核心控制部件采用單片機外，在其它硬件的設計上也有一些綜合的考慮。待驅動、晶振、復位、鍵盤、 LED 顯示各個電路的設計完成之后，進行硬件合成，就是一個完整的步進電機控制系統(tǒng)。 (2) 雙相三拍方式 ( 按雙相繞組施加電流脈沖 ):ABBCCA 一正轉 。 采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結合的控制方法。它具有輸入脈沖與電機軸轉角成比例的特征，將脈沖信號轉 變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動，這種裝置就是步進電機驅動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，加以放大以驅動步進電機。由操作系統(tǒng)完成把操作者的操作轉化為運動控制系統(tǒng)能接受的電信號，運動控制系統(tǒng)隨之作出反應，完成規(guī)定動作。 [12] 步進電機的運行原理闡述 12 圖 四相步進電機原理圖 開始時，開關 SB 接通電源， SA、 SC、 SD 斷開， B 相磁極和轉子 0、 3 號齒對齊，同時，轉子的 4 號齒就和 C、 D 相 繞組磁極產生錯齒， 5 號齒就和D、 A 相繞組磁極產生錯齒。轉子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。 步進電機的分類 步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。 第四章為系統(tǒng)硬件設計，先提出框架，然后分別闡述單片機端口分配、外圍電路、驅動電路的設計。 研究的目的和意義 本課題研究的目的是綜合運用所學的《單片機原理及其接口技術》理論知識，加強對所學知識的理解，鍛煉設計單片機應用系統(tǒng)能力，以單片機為核心設計一個簡單、經濟，但功能較為齊全、適應性強，操作方便、交互性強，可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。 從上表可以看出：步進電機通過細分驅動器的驅動，其步距角變小了，如驅動器工作在 10 細分狀態(tài)時，其步距角只為 ‘ 電機固有步距角 ’ 的十分之一，也就是說： ‘ 當驅動器工作在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機轉動 176。 /176。電機出廠時給出了一個步距角的值，如 86BYG250A 型電機給出的值為 176?？赏ㄟ^改變其高壓管導通時間來解決低頻振蕩問題，然而其控制電路較單電壓復雜，可靠性降低，一旦高壓管失控，將會因電流太大損壞電機。當 In 為低電平時，三極管截止，繞組無電流通過。當時受到蘇聯(lián)、日本等工業(yè)較發(fā)達國家的影響，國內開始自行研制磁阻式步進電機的系列產品 。在其發(fā)展歷程中，出現(xiàn)了多種類型步進電機，按照基本的構造和工作原理可分為三大類型即磁阻式、永磁式和混合式。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅動線路。采用軟件環(huán)形分配器占用 PLC資源較多，特別是步進電機繞組相數(shù)大于 4 時，對于大型生產線應該予以考慮。 圖 11 基于電子電路控制 步進電機系統(tǒng) 基于 PLC/變頻器控制手段 脈沖控制器 環(huán)形分配器 驅動電路 步進電機 2 在一些要求實現(xiàn)精確控制的場合，采用 PLC 或者變頻器對步進電機進行控制是一個很好的選擇。步進電機與控制電路、功率放大驅動電路組成一體，構成步進電機驅動系統(tǒng)。有的系統(tǒng)在操作上不是很方便，交互性不強。 因此本文的研究內容就是設計一套硬件系統(tǒng)較簡單、 經濟，但功能較為齊全，適應性強，操作方便，可靠性高的，能夠有機地把電子技術、單片機技術、電機的控制技術結合起來步進電機控制系統(tǒng)。此種控制電路設計簡單，功能強大，可實現(xiàn)一般步進電機的細分任務。 PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結構稍微復雜些，但可以節(jié)省 PLC 資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。由于單片機的強大功能，還可設計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉、反轉、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉、反轉速度等狀態(tài)。在日本和西方等發(fā)達國家早期都是研制和應用磁阻式步進電機，但是由于固有的能量利用率低、振動和噪音大等缺點逐步被淘汰掉，目前在國外幾乎沒有了僅僅在某些場合例如在溫度很高的核反應堆中或者需要電動機的不通電的情況下定位力矩為零的時候才使用 。 70 年代末形成了以定子6 個極、轉子 40 齒的三相磁阻式電動機為主，另外還有定子 10 個極、轉子 100齒的五相磁阻式電動機等共存的步進電機應用局面。 為使通電時繞組電流迅速達到預設電流，串入電阻 Rc；為防止關斷 T 時繞組電流變化率太大，而產生很大的反電勢將 T 擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個二極管D 和電阻 Rd，為繞組電流提供一個泄放回路，也稱“續(xù)流回路”。 [7] 自激式恒電流斬波驅動 圖 16 自激式恒電流斬波驅動框圖 把步進電機繞組電流值轉化為一定比例的電壓，與 D/A 轉換器輸出的預設值進行比較，控制功率管的開關，從而達到控制繞組相電流的目的。/176。 細分驅動器工作在 5 細分狀態(tài) 176。 ；而用細分驅動器工作在 10 細分狀態(tài)時，電機只轉動了 176。 本課題研究的意義是了解單片機的內部結構、組成，學習單片工作原理及其內部工作狀態(tài)，并熟悉不同時刻，單片機輸入輸出情況；了解步進電機的分類和用途，掌握步進電機內部結構及其工作原理，并學習使用單片機簡單控制步進電機的正傳、反轉、加速、減速以及簡單了解國內外步進電機的發(fā)展狀況。 第五章為系統(tǒng)軟件設計 . 10 第 2 章 步進電機概述 步進電機指的是以數(shù)字脈沖信號作為電機線或教位移的控制信號，并以數(shù)字脈沖頻率對電機的轉速進行控制的動力控制系統(tǒng)。按結構特點電磁式步進電機可分為反應式 (VR)、永磁式 (PM)11 和混合式 (HB)三大類 。它輸出轉矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小 (相比反應式 )，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電 。 當開關 SC 接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時，由于 C 相繞組的磁力線和 4號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動， 4 號齒和 C 相繞組的磁極對齊。 運動控制是一門有關如何對物體位置和速度進行控制的技術。步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖 信號的頻率，可以對電機精確調速 。 運動控制系統(tǒng) 驅動部件 運動執(zhí)行部件 機械裝置 14 采用單片機作為控制核心的控制系統(tǒng)如圖 32 所示。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。ACCBAB 一反轉。 系統(tǒng)的軟件設計通常采用模塊化結構，軟件系統(tǒng)總體框架一般包括三部分 :主程序、中斷服務子程序以及其他相應的輔助子程序 (包括正轉子程序、反轉子程序、鍵盤子程序、 LED 顯示子程序以及延時子程序 ). 本系統(tǒng)特點與功能 本系統(tǒng)特點 通過對其它步進電機控制系統(tǒng)的分析，結合設計目的，本論文的控制系統(tǒng)采用基于單片機的控制方案。鍵盤電路掃描輸出線與顯示部分的掃描線采用單片機的同一組端口，大大節(jié)約硬件資源 :單片機控制的運行方式、模式和速度方面的控制基 本涵 蓋 步 進電 機 的 普通 應 用 。 [15] 主要特性 與 MCS51 兼容； 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器； 壽