【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、啟動(dòng)或停止都取決于 CP 脈沖的有無或頻率。 同時(shí)環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號(hào)，從而決定其輸出的狀態(tài)是按正序或者按逆序轉(zhuǎn)換，進(jìn)而決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)送入信號(hào)放大與處理級(jí)。信號(hào)放大的作用是將環(huán)分輸出信號(hào)加以放大，變成足夠大的信號(hào)送入推動(dòng)級(jí)，這中間一般既需電壓放大，也需電流放大。信號(hào)處理是 指實(shí)現(xiàn)信號(hào)的某些轉(zhuǎn)換、合成等功能，產(chǎn)生斬波、抑制等特殊 功能的信號(hào)，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動(dòng)。本級(jí)還經(jīng)常與各種保護(hù)電路、各種控制電路組合在一起，形成較高性能的驅(qū)動(dòng)輸出。推動(dòng)級(jí)的作用是將較小的信號(hào)加以放大，變成足以推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)輸入的較大信號(hào)。 有時(shí)，推動(dòng)級(jí)還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換的作用。保護(hù)級(jí)的作用是保護(hù)驅(qū)動(dòng)級(jí)的安全。一般可根據(jù)需要設(shè)置過電流保護(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等。有時(shí)還需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)輸入異常時(shí)也可以提供保護(hù)動(dòng)作。 驅(qū)動(dòng)級(jí) 直接與步進(jìn)電機(jī)各相繞組連接，它接受來自推動(dòng)級(jí)的信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通與截止，同時(shí)也繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)級(jí)常見的驅(qū)動(dòng) 方式有單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)等。 單極性驅(qū)動(dòng)電路包括有單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路、高低電壓功率驅(qū)動(dòng)電路。這兩種驅(qū)動(dòng)電路分別應(yīng)用于不同的步進(jìn)電機(jī)。 下面介紹兩種驅(qū)動(dòng)電路的原理以及工作方式。 （ 1）單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路：對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，繞組電流只要求向一個(gè)方 流動(dòng)，因此其驅(qū)動(dòng)電路采用單極性驅(qū)動(dòng)。單電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作 時(shí)， 環(huán)形分配器 信號(hào)放大與處理級(jí) 推動(dòng)級(jí) 驅(qū)動(dòng)級(jí) 保護(hù)級(jí) 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 8 只用一個(gè)電壓電源對(duì)繞組供電，它的特點(diǎn)是電路最簡(jiǎn)單。步進(jìn)電 機(jī)使用脈沖電源工作，脈沖電源的獲得可通過下圖說明， 單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示。 VDARRsVT 2VT 1+ 12 v 圖 單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路 電動(dòng)機(jī)繞組串有電阻 RS，使繞組回路的時(shí)間常數(shù)減少，縮短了繞組中電流上升的過渡時(shí)間。 RS 還能緩解電動(dòng)機(jī)的低頻共振現(xiàn)象。 在單電壓驅(qū)動(dòng)電路情況下 ， 步進(jìn)電機(jī) 單步 相應(yīng)曲線如圖 所示。 轉(zhuǎn)角t21 圖 步進(jìn)電機(jī)單步響應(yīng)曲線 圖中 1 不串電阻 RS的響應(yīng)曲線， 2 是串電阻 RS并調(diào)高電源電壓以保持繞組靜態(tài)電流相同的響應(yīng)曲線，顯然曲線 2 比曲線 1 好。但由于 RS引起了附加的損耗，故一般這種方法只適用 于小功率步進(jìn)電機(jī)。 （ 2）高低壓 功率 驅(qū)動(dòng)電路 ： 高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，不論電機(jī)工作頻率如何，均利用高電壓 Uh 供電來提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓 Ul 來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動(dòng)器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻 RS，消除了附加損耗。 高低壓驅(qū)動(dòng)法是目前普遍應(yīng)用的一種方法，由于這種驅(qū)動(dòng)在低頻時(shí)電流有較大的上沖，電動(dòng)機(jī)低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 9 存在，使用時(shí)要注意。高低壓功率驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示。 VDVDVTHUhUlVTlA+ Uh+ Ul 圖 高低壓功率驅(qū)動(dòng)電 路 （ 3）雙極性驅(qū)動(dòng)電路：永磁式或混合式步進(jìn)電機(jī)，由于 工作時(shí)要求定子磁極的極性交變，所以通常要求其繞組由雙極性驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，即繞組電流能正、反向流動(dòng)。由于雙極性橋式驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜，所以過去僅用于大功率步進(jìn)電機(jī)。近年來出現(xiàn)了集成化的雙極性驅(qū)動(dòng)芯片，它能方便地對(duì)采用雙極性 驅(qū)動(dòng)電路的步進(jìn)電機(jī)極性控制。 如 L298N 雙 H 橋驅(qū)動(dòng)器 ，是一款集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速 要使步進(jìn)電機(jī)正常工作，必須按照該種電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表所規(guī)定的狀態(tài)和順序一次對(duì)各相進(jìn)行通電或斷電控制。各相 驅(qū)動(dòng)信號(hào)來源于環(huán)形分配器。同時(shí)，由于電機(jī)有正反轉(zhuǎn)要求，所以這種環(huán)形分配器的輸出既是周期性的，又是可逆的。因此，環(huán)形分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計(jì)數(shù)器 。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種形式。硬件環(huán)形分配器可分為集成觸發(fā)器型、專用集成電路芯片型等。集成元器件的使用，使環(huán)形分配器的體積大大縮小，可靠性和抗干擾能里提高，并具有較好的響應(yīng)速度，而且顯示直觀、維護(hù)方便。軟件環(huán)形分配器采用微機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，因此它往往受到微機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時(shí)難以滿足高速實(shí)時(shí)控制的要求。 （ 1）專用集成電路芯片型環(huán)形分 配器：集成觸發(fā)器型環(huán)形分配器的硬件電路復(fù)雜，使用較少。目前使用廣泛的是專用集成電路芯片環(huán)形分配器，如 CH250和 L297 等。其中， CH250 專用于三相步進(jìn)電機(jī)有 A、 B、 C 三個(gè)輸出端，當(dāng)輸入端 CL或 EN 加上時(shí)鐘脈沖后，其輸出電流能力為 ，經(jīng)推動(dòng)級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 10 放大后即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組 。 CH250 如圖 所示。 CH 250ABCV111213814 15616JalJbl JarJbrCLRRVVDD E1097121+ 12 V走步脈沖方向信號(hào) 圖 CH250 （ 2）軟件環(huán)形分配器：出了采用硬件環(huán)形分配器外，在微機(jī)系統(tǒng)資源及任務(wù)允許的情況下，還可以采用軟件環(huán)形分配器脈沖的方法。 在這種方法中，脈沖分配器的功能全部由軟件來完成。 一次循環(huán)輸出驅(qū)動(dòng)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)所需的六個(gè)狀態(tài)： AABBBCCCA,這樣，三相步進(jìn)電機(jī)就進(jìn)入了三相六拍的運(yùn)行狀態(tài)。軟件環(huán)形分配器 如圖 所示。 圖 軟件環(huán)形分配器 采用這種純軟件方法，需要在微機(jī)的程序存儲(chǔ)器中開辟一個(gè)存儲(chǔ)空間以存放這 6 種狀態(tài)，形成一張狀態(tài)表?？刂葡到y(tǒng)的應(yīng)用軟件按照電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)的要求，順序?qū)顟B(tài)表的內(nèi)容取出來送至 8051 的 P1 口。 對(duì)于步進(jìn)電機(jī)調(diào)速， 實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出 CP 脈沖的頻率或者換相的 周期?？刂葡到y(tǒng)可用兩種方法確定 CP 脈沖的周期，一種是軟件延時(shí)法，另一種是定時(shí)器延時(shí)法。 （ 1）軟件延時(shí)法：這種方法是在每次換相之后，調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行換相。這樣周而復(fù)始，即可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖，從而控制步進(jìn)電機(jī)按照某一確定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)?？梢杂?jì)算得出，延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間與 8051 A 功率驅(qū)動(dòng) B 接口電路 C 步進(jìn)電機(jī) 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 11 換相子程序所用時(shí)間的和即是 CP 脈沖的周期，也是步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)頻率的倒數(shù)。這種方法的有點(diǎn)是程序簡(jiǎn)單，占用片內(nèi)資源少，全部由軟件實(shí)現(xiàn)，且調(diào)用不同的延時(shí)子程序就可以實(shí)現(xiàn)不同的速度運(yùn)行。缺點(diǎn)是占用 CPU 時(shí)間太多，不能在運(yùn)行中處 理其他的工作，顯然，這種方法雖然簡(jiǎn)單，但也只能在較的控制過程中采用。 （ 2）定時(shí)器延時(shí)法：微機(jī)系統(tǒng)一般均帶有幾個(gè)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器。在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制中，可利用其中某個(gè)定時(shí)器加載適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)值，經(jīng)過一定的時(shí)間，定時(shí)器溢出，產(chǎn)生中斷信號(hào)，暫停主程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行定時(shí)器中斷服務(wù)程序，于是產(chǎn)生硬件延時(shí)效果。若將步進(jìn)電機(jī)換相子程序放在定時(shí)器中斷服務(wù)程序之中，則定時(shí)器每中斷一次，電動(dòng)機(jī)就換相一次，定時(shí)器定時(shí)的大小就決定了電動(dòng)機(jī)換相的頻率，從而可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。當(dāng)然，對(duì)于高精度要求的轉(zhuǎn)速控制場(chǎng)合，只考慮定時(shí)器的定時(shí) 值是不夠的，還要考慮諸如加載定時(shí)器、開關(guān)定時(shí)器、中斷響應(yīng)等待時(shí)間、中斷響應(yīng)進(jìn)出時(shí)間等對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，從而對(duì)定時(shí)器的定時(shí)值進(jìn)行合理的修正。 步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制 對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行微機(jī)定位控制，有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類。開環(huán)控制時(shí)沒有位置檢測(cè)反饋，不需要光電編碼器之類的位置傳感器，因此控制系統(tǒng)的價(jià)格比較便宜。但是為了保證定位不出錯(cuò)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)要留出足夠的裕度。這就是說，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)載不能太重。因?yàn)橐坏┴?fù)載短時(shí)超重而導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步 ，則整個(gè)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的定給就會(huì)出錯(cuò)。 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制如圖 所示。 指令 圖 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制 確定設(shè)計(jì)方案 由前面對(duì)與步進(jìn)電機(jī)的工作原理、驅(qū)動(dòng)、調(diào)速、開環(huán)控制等的介紹，針對(duì)所提出的設(shè)計(jì)問題，確定相關(guān)的設(shè)計(jì)方案。 步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)主要在于步進(jìn)電機(jī)微機(jī) 功率驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī) 工作臺(tái) 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 12 驅(qū)動(dòng)電路以及調(diào)速的設(shè)計(jì)，輔以相關(guān)的按鍵和顯示電路。 步進(jìn)電機(jī)控制是一個(gè)比較精確的控制，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的 CP脈沖的頻率或者換向周期實(shí)際上就是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。一種是延時(shí)，一 種是定時(shí)。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般有兩種方法，一種是通過 CPU 直接來驅(qū)動(dòng)，這種方法一般不宜采用，因?yàn)?CPU 的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn) 動(dòng)。另 一種是通過 專用的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由前面的介紹可知步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)。單極性驅(qū)動(dòng)適用于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，雙極性驅(qū)動(dòng)適用于永磁式和混合式步進(jìn)電機(jī)。常用的 集成化驅(qū)動(dòng)芯片有 L298N、ULN2020 等。 步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配有軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器兩種形式。 軟件環(huán)形分配器是通過單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器改變 CP 脈沖的頻率從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等。再者步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)有響應(yīng)的顯示電路進(jìn)行顯示，且可以通過不同的按鍵控制步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)的改變。由上述闡述可知步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)有多種不同的設(shè)計(jì)思路和不同的方案可供選擇。簡(jiǎn)述三種設(shè)計(jì)方案并從中選擇出適合的方案，再進(jìn)行硬件以及軟件的設(shè)計(jì)。 （ 1） 方案一： 單片機(jī)選擇 AT89S51 型單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī) 的驅(qū)動(dòng) 選擇 L298N集成 驅(qū)動(dòng)芯片， 顯示電路選擇七段數(shù)碼管，再輔以相應(yīng)的按鍵電路。 步進(jìn)電機(jī)的脈沖使用軟件環(huán)形分配的形式。此設(shè)計(jì)方案通過單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器改變 CP 脈沖 輸入各相的順序從而改變步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、起停。通過改變控制系統(tǒng)發(fā)出CP 脈沖的頻率或者換相的周期就可以改變步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的速度。外部的按鍵可以控制步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)的改變，并通過數(shù)碼管顯示出來。 （ 2） 方案二：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇 L298N 集成驅(qū)動(dòng)芯片，顯示電路選擇液晶 LCD1602，加上相應(yīng)的按鍵電路。此設(shè)計(jì)方案中顯示換成了 LCD1602, LCD1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。 LCD1602 是指顯示的內(nèi)容為 16*2,即可以顯示兩行，每行16 個(gè)字符液晶模塊 。 LCD1602 可以顯示更多的內(nèi)容，而且比較直觀。脈沖分配仍舊通過軟件環(huán)形分配的形式實(shí)現(xiàn)。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 13 （ 3） 方案三：此設(shè)計(jì)方案選擇硬件環(huán)形分配的形式， 硬件環(huán)形分配器選擇L297 集成芯片， L297 是步進(jìn)電機(jī)專用控制器，能產(chǎn)生 4 相控制信號(hào)?？捎糜谖C(jī)控制的兩相雙極和四相單極步進(jìn)電機(jī)。能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。顯示電路選用 LCD1602，實(shí)時(shí)顯示步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)。并輔以相關(guān)的按鍵電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 由于設(shè)計(jì)是針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制器設(shè)計(jì)，在顯示電路實(shí)時(shí)顯示的是步進(jìn)電機(jī)所走的直線位移，即把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 通過計(jì)算轉(zhuǎn)變成直線位移量進(jìn)行顯示。這樣更加方便直觀。 通過對(duì)比上面三種設(shè)計(jì)方案，方案一中選用軟件環(huán)形分配器的形式， 但由于這種方法占用了微機(jī)控制系統(tǒng)的大部分時(shí)間及 精力 ，所以只能用于微機(jī)系統(tǒng)資源比較寬松且微機(jī)控制任務(wù)不是很 繁重 的系統(tǒng)中。而且數(shù)碼管顯示電路所能顯示的內(nèi)容比較單一。方案二選用了 LCD1602 液晶顯示，可是顯示較多的內(nèi)容，比較直觀，但是仍舊是軟件環(huán)形分配器的形式。方案三中選用了 L297 硬件集成環(huán)形分配器，可以產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)。顯示電路則選用了 LCD1602 使顯示內(nèi)容更加豐富。比較上面三種設(shè) 計(jì)方案不難發(fā)現(xiàn) 方案三更加簡(jiǎn)單合理，方案三的硬件環(huán)形分配器減少了占用微機(jī)系統(tǒng)資源，液晶顯示也能顯示更豐富的內(nèi)容，于是選擇方案三作為本次課題的方案設(shè)計(jì)。 根據(jù)設(shè)計(jì)方案畫出整體設(shè)計(jì)的框圖 ，整體框圖 如圖 所示。 圖 整體框圖 單 片 機(jī) 電源電路 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 顯示電路 鍵盤電路 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī) 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 14 第三章 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)作為基于單片機(jī)設(shè)計(jì)所必須的，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括晶振電路、復(fù)位電路、電源電路。其中晶振電路為單片機(jī)工作提供時(shí)鐘信號(hào)；復(fù)位電路是單片機(jī)復(fù)位程序重新開始執(zhí)行；電 源電路為單片機(jī)提供電源。在最小系統(tǒng)中 EA/VPP 引腳接高電平， CPU 訪問內(nèi)部