【正文】 .................................... 4 工作原理 ........................................................................... 4 步進電機的特點 ........................................................................ 6 步進電機的常用術(shù)語 ................................................................. 7 步進電機的振蕩和失步 ............................................................. 8 振蕩 ................................................................................. 8 失步 ................................................................................. 9 阻尼方法 ................................................................................... 9 3 總體硬件設計 ................................................................................... 11 控制系統(tǒng)框圖 ........................................................................... 11 單片機最小系統(tǒng) ....................................................................... 11 時鐘電路 .......................................................................... 12 復位電路 .......................................................................... 13 顯示電路 .................................................................................. 14 按鍵控制電路 ........................................................................... 15 步進電機驅(qū)動電路 ................................................................... 16 4 步進電機的單片機控制原理 ............................................................. 18 單片機控制系統(tǒng)流程圖 ............................................................ 18 脈沖序列 .................................................................................. 18 脈沖序列的生成 ................................................................ 18 脈沖序列的分配 ................................................................ 19 步進電機的運行控制 ................................................................ 20 步進電機的速度控制 .......................................................... 20 步進電機的方向控制 .......................................................... 21 步進電機的位置控制 .......................................................... 22 步進電機的加減速控制 ...................................................... 22 5 程序設計 ........................................................................................... 28 主程序設計 ............................................................................... 28 定時中斷設計 ........................................................................... 30 外部中斷設計 ........................................................................... 31 6 結(jié)論 .................................................................................................. 32 致謝 ........................................................................................................ 33 參考文獻 ................................................................................................ 34 附錄 ........................................................................................................ 36 基于單片機的步進電機調(diào)速電路設計 1 1 緒論 步進電機及其發(fā)展 步進電機是機電一體化產(chǎn)品中的關鍵組件之一，是一種性能良好的數(shù)字執(zhí)行元件，隨著計算機應用技術(shù)、電子技術(shù)和自動控制技術(shù)在國民經(jīng)濟各個領域中的普及與深入，步進電機的需求量越來越大。 1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。 70 年代中期至 80 年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動機不斷被開發(fā)。 圖 步進電機的外觀圖 基于單片機的步進電機調(diào)速電路設計 3 本文研究內(nèi)容 本設計主要是研究基于單片機的步進電機控制，采用單片機 AT89S52 控制步進電機在四相四拍工作方式下的啟?？刂疲崔D(zhuǎn)控制和加減速控制，以實現(xiàn)基于單片機的步進電機的調(diào)速電路控制。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。下面做詳細介紹。 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。 (3)步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 (8)步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源 [6]。 (5)零位或初始穩(wěn)定平衡位置：指不改變繞組通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子在理想空載狀態(tài)下的平衡 位置。 當步進電機工作在低頻區(qū)時，由于勵磁脈沖間隔的時間較長，步進電機表現(xiàn)為單步運行，當勵磁開始時，轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下加速轉(zhuǎn)動，到達平衡點時，電磁驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為零，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最大，由于慣性，轉(zhuǎn)子沖過平衡點，這時電磁力產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在負轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)速逐漸為零，并開始反向轉(zhuǎn)動。減少步距角可以減少振蕩幅值，以達到削弱振蕩的目的。這主要發(fā)生在制動和突然換向時，轉(zhuǎn)子獲得過多的能量，產(chǎn)生嚴重的過沖，引起失步。 基于單片機的步進電機調(diào)速電路設計 10 (4)反相阻尼法：這種方法用于步進電機制動，在步進電機轉(zhuǎn)子要過平衡點之前，加一個反向作用力 去平衡慣性力，使轉(zhuǎn)子到達平衡點時速度為零，實現(xiàn)準確制動。按鍵輸入、 LED 顯示功能。如圖 示。 1K10K10nFVCCS1RST 圖 復位電路 單片機的復位是靠外電路來實現(xiàn)的，在正常運行情況下，只要 RST 引腳上出現(xiàn)基于單片機的步進電機調(diào)速電路設計 14 兩個機器周期時間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復位，但如果 RST 引腳上持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。為了保護各段 LED 不被損壞，需外加限流電阻。兩個數(shù)碼管的 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dp 接 P0 口，用于顯示電機正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，正轉(zhuǎn)時不顯示，反轉(zhuǎn)時顯示 “”。 對于單片機而言，主要的方法有：軟件延時和定時中斷在此電路中電 機的轉(zhuǎn)速控制主要是通過定時器的中斷來實現(xiàn)的，該電路控制電機加速度主要是通過 S S3的斷開和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)，這樣就改變了步進電機的輸出脈沖頻率，從而改變了電機的轉(zhuǎn)速。 基于單片機的步進電機調(diào)速電路設計 17 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)10GND20VCC40U1AT89S52P34P35P32P33IN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77OUT116OUT314OUT413OUT512OUT611OUT710OUT215COM9GND8U4ULN2020A12345VCCVCC 圖 步進電機驅(qū)動電路 通過 ULN2020 可以構(gòu)成比較多的驅(qū)動電路，電路圖如圖 所示。 V0 t脈 沖 高 度通 電 時 間 斷 電 時 間 圖 脈沖的生成 脈沖序列的分配 實現(xiàn)脈沖分配（也就是通電換相控制）的方法有兩種：軟件法和硬件法。調(diào)整送給步進電機的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)試 [14]。缺點是浪費 CPU 的寶貴時間，在控制電機轉(zhuǎn)動的過程中， CPU 不能做其它事。 注：定時時間到，就進入 interrupt 1 子程序。步進電機的位置控制需要兩個參數(shù)： 1. 第一個參數(shù)：步進電機控制執(zhí)行機構(gòu)當前的位置參數(shù)（我們稱為絕對位置），絕對位置時有極限的，其極限時執(zhí)行機構(gòu)運動的范圍，超越了這個極限就應報警。當步進電機的運行頻率 fafb(fa 為步進電機有載起動時的起動頻率 )時，若直接用 fb 起動，由于頻率太高，步進電機會丟步，甚至產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。如圖 所示，這種方法是從步進電機的矩頻特性出發(fā)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩隨頻率的變化規(guī)律推導出來的。時間的計算若采用軟件延時的方法，可先設置一個基本的延時單元 Te，不同頻率的脈沖序列可由 Te 的不同倍數(shù)產(chǎn)生。 0481 21 61 02 03 0M/N 基于單片機的步進電機調(diào)速電路設計 26 表 階梯頻率表 序號 頻率（時間） 備注 K1 fa(ta) 最低頻率 K1+1 f1(t1) K1+2 f2(t2) … … K1+n fn(tn) 數(shù)據(jù)來源： 2020 年《 電機技術(shù)及應用 》 [5] fbfafiL1L / 脈 脈 圖 頻率 步長 曲線 表 階梯步長表 序號 步長（脈沖） K2 ?La K2+1 ?L1 K2+2 ?L2 … … K2+n ?Ln 數(shù)據(jù)來源： 2020 年《 電機技術(shù)及應用 》 [5] 最高頻率 降頻 → ← 升頻 基于單片機的步進電機調(diào)速電路設計 27 這樣