【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 結(jié)合，所以只采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。[12] 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理闡述 四相步進(jìn)電機(jī)原理圖開始時(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。當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時(shí)，由于C相繞組的磁力線和4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。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)。四相步進(jìn)電機(jī)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。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。[13]第3章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)概述步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的完整的整體，由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)組成。由操作系統(tǒng)完成把操作者的操作轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能接受的電信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)隨之作出反應(yīng)，完成規(guī)定動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)控制是一門有關(guān)如何對(duì)物體位置和速度進(jìn)行控制的技術(shù)。典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)由三部份構(gòu)成:控制部分、驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行部分。如圖31所示:運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件機(jī)械裝置圖31 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件為步進(jìn)電機(jī)。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)。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，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)，加以放大以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比，控制步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速。控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，可以對(duì)電機(jī)精確定位。因此典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由三部分組成:步進(jìn)控制器、驅(qū)動(dòng)器(把控制器輸出的脈沖加以放大，來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī))、步進(jìn)電機(jī)。不同的控制方案，步進(jìn)控制器、驅(qū)動(dòng)器也有不同的類型。在本論文第一章，已經(jīng)對(duì)此作了介紹。下面著重介紹以單片機(jī)為控制器的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)控式電機(jī)，其最大特點(diǎn)是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。它具有輸入脈沖與電機(jī)軸轉(zhuǎn)角成比例的特征，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。單片機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)機(jī)械裝置外圍電路采用單片機(jī)作為控制核心的控制系統(tǒng)如圖32所示。圖32 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)前面已經(jīng)介紹過(guò)，驅(qū)動(dòng)脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在，脈沖分配器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、芯片化，市場(chǎng)上可以買到。但硬件方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也較高。使用單片機(jī)以軟件方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，不但可以通過(guò)編程方法，在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、往返轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)等，而且還可以方便靈活地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求。因此，常把單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制電路稱之為可編程步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)控制(包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配)使用軟件方法，即用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這樣既簡(jiǎn)化了電路，也降低了成本。 采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)軟件的控制，單片機(jī)按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字一角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)方向則與脈沖的順序有關(guān)。以三相步進(jìn)電機(jī)為例，電流脈沖的施加共有3種方式。(1)單相三拍方式(按單相繞組施加電流脈沖):A B C一正轉(zhuǎn)。}ACB一反轉(zhuǎn)。(2)雙相三拍方式(按雙相繞組施加電流脈沖):ABBCCA一正轉(zhuǎn)。ACCBAB一反轉(zhuǎn)。(3)三相六拍方式(單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖):AABBBCCCA一正轉(zhuǎn)。AACCCBBBA一反轉(zhuǎn)。 整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)出硬件系統(tǒng)。以其中的幾個(gè)口控制驅(qū)動(dòng)電路，由于步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，電機(jī)繞組內(nèi)的電流值一般都能達(dá)到數(shù)安培，而控制電機(jī)繞組內(nèi)電流變化的控制信號(hào)一般都是由邏輯電路產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)，電壓一般比較低，為了防止單片機(jī)或控制信號(hào)等受到后級(jí)模擬電路的干擾，通常在驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)時(shí)都要設(shè)計(jì)電壓隔離接口。 由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，和單片機(jī)端口連接，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配. 驅(qū)動(dòng)電路按照控制要求有多種選擇，在本論文的第一章就介紹了幾種常見的驅(qū)動(dòng)電路。待驅(qū)動(dòng)、晶振、復(fù)位、鍵盤、LED顯示各個(gè)電路的設(shè)計(jì)完成之后，進(jìn)行硬件合成，就是一個(gè)完整的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)通常采用模塊化結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)總體框架一般包括三部分:主程序、中斷服務(wù)子程序以及其他相應(yīng)的輔助子程序(包括正轉(zhuǎn)子程序、反轉(zhuǎn)子程序、鍵盤子程序、LED顯示子程序以及延時(shí)子程序). 本系統(tǒng)特點(diǎn)與功能 本系統(tǒng)特點(diǎn)通過(guò)對(duì)其它步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的分析，結(jié)合設(shè)計(jì)目的，本論文的控制系統(tǒng)采用基于單片機(jī)的控制方案。系統(tǒng)應(yīng)用了一片ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)控制器的核心運(yùn)算器件，利用單片機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和可編程的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的步進(jìn)電機(jī)控制功能。且適應(yīng)能力強(qiáng)，能夠在不改變硬件電路的情況下，只需對(duì)軟件進(jìn)行必要的修改就可以適應(yīng)不同的步進(jìn)電機(jī)和控制要求。而且可以做到人機(jī)交換，使控制更加的直觀和方便，各種運(yùn)行狀態(tài)也都有相應(yīng)的指示，使操作者隨時(shí)都能對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行方便的了解。一個(gè)利用單片機(jī)來(lái)構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的。本系統(tǒng)大致想達(dá)到以下幾個(gè)特點(diǎn):系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，把成本降到最低；功能要較為齊全。要能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、變速以及控制顯示功能；適應(yīng)性強(qiáng)，一般情況下只需改變軟件就可以適應(yīng)新的要求；電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)指示要一目了然，使操作方便；系統(tǒng)抗干擾和可靠性要高。 為了達(dá)到以上特點(diǎn)，除了核心控制部件采用單片機(jī)外，在其它硬件的設(shè)計(jì)上也有一些綜合的考慮。鍵盤電路掃描輸出線與顯示部分的掃描線采用單片機(jī)的同一組端口，大大節(jié)約硬件資源:單片機(jī)控制的運(yùn)行方式、模式和速度方面的控制基本涵蓋步進(jìn)電機(jī)的普通應(yīng)用。硬件上采用了專用的系統(tǒng)程序運(yùn)行監(jiān)控電路WTD(看門狗)。 系統(tǒng)功能運(yùn)行模式有單步、連續(xù)和預(yù)置步數(shù)三種；可以預(yù)置轉(zhuǎn)向或者在運(yùn)行時(shí)改變轉(zhuǎn)向；LCD顯示運(yùn)行速度；兩個(gè)LED分別指示電機(jī)轉(zhuǎn)向和運(yùn)行方式；各種操作共有六個(gè)按鍵來(lái)輸入，操作方便；設(shè)有強(qiáng)制復(fù)位鍵，當(dāng)受到嚴(yán)重干擾，致使WTD也失效后，可以通過(guò)強(qiáng)制復(fù)位鍵進(jìn)行手動(dòng)強(qiáng)行復(fù)位；整個(gè)系統(tǒng)為+5V低電壓供電。第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)組成LCD按鍵電源1單片機(jī)電源2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路復(fù)位電路步進(jìn)電機(jī) 系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)由電源、顯示(指示)、單片機(jī)(MCU )、按鍵電路、看門狗電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成。系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路。鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示轉(zhuǎn)速度狀態(tài)。[16] 系統(tǒng)核心——AT89C51單片機(jī)AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造。[15] 主要特性與MCS51兼容；4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器；壽命：1000寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年；全靜態(tài)工作：0Hz24Hz；三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；32可編程I/O線128*8位內(nèi)部RAM；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；1可編程串行通道；1低功耗的閑置和掉電模式；1片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。 管腳說(shuō)明VCC：供電電壓；GND：接地；P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高；P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流；P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流；P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。P3口還用于實(shí)現(xiàn)AT89C51的各種第二功能，如下表所列： P3口功能引腳口功 能RXD串行輸入端口TXD串行輸出端口INT0　外中斷0INT1　外中斷1T0定時(shí)器0外部輸入T1定時(shí)器1外部輸入WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通P3口還接收一些用于閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè) 機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。1PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。1EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 1XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。1XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。[14] 振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除 整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。 最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)又稱單片機(jī)最小化系統(tǒng)。單片機(jī)的最小化系統(tǒng)是單片機(jī)能正常工作所必須的外圍元件, 最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。[17] AT89C51最小系統(tǒng)電路采用的是AT89C51芯片，它內(nèi)部自帶4K的FLASH程序存儲(chǔ)器，一般情況下，這4K的存儲(chǔ)空間足夠我們使用，所以我們將AT89C51芯片的第31腳固定接高電平（PCB畫板時(shí)已經(jīng)接死），所以我們只用芯片內(nèi)部的4K程序存儲(chǔ)器。單片機(jī)的時(shí)鐘電路有一個(gè)12M的晶振和兩個(gè)30P的小電容組成，它們決定了單片機(jī)的工作時(shí)間精度為1微秒。復(fù)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(jī)可靠復(fù)位的前提下降低了復(fù)位引腳的對(duì)地阻抗，可以顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾能力。由圖并結(jié)合電容電壓不能突變的性質(zhì),可以知道,當(dāng)系統(tǒng)一上電,RST腳將會(huì)出現(xiàn)高電平,并且,所以,適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位。晶振電路:(因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場(chǎng)合)/12MHz(產(chǎn)生精確的us級(jí)時(shí)歇,方便定時(shí)操作)特別注意:對(duì)于31腳(EA/Vpp),當(dāng)接高電平時(shí),單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部ROM的0000H開始執(zhí)行。當(dāng)接低電平時(shí),復(fù)位后直接從外部ROM的0000H開始執(zhí)行。 外圍電路設(shè)計(jì) 顯示電路—LCD1602優(yōu)點(diǎn) (1)顯示質(zhì)量高 由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)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(diǎn)。因此，