【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子步進(jìn)式的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著接通切換頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會(huì)增大。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)同時(shí)與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)，現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在使用數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)制造中，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無(wú)法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達(dá)。隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在這個(gè)應(yīng)用中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)完成兩個(gè)工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進(jìn)電機(jī)也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機(jī)同步系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也應(yīng)用在其他方面，比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中等等。步進(jìn)電機(jī)的原理[7]：步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、 停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。為此,CS51測(cè)試網(wǎng)在騰龍開(kāi)發(fā)套件中首次引入了步進(jìn)電機(jī)技術(shù)，方便用戶應(yīng)用掌握。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。三、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的程序的編制步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題有三個(gè):第一，控制脈沖的產(chǎn)生。第二，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和時(shí)序脈沖的關(guān)系。第三，步數(shù)的確定。作為單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的程序的構(gòu)成也是主要由這幾個(gè)問(wèn)題，因此可以從這三個(gè)問(wèn)題入手:控制脈沖的產(chǎn)生在單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，一般來(lái)講，控制脈沖是用軟件產(chǎn)生的。方法是先輸出一個(gè)高電平，然后延時(shí)，再輸出低電平，再進(jìn)行延時(shí)。延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由步進(jìn)電機(jī)的土作頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和時(shí)序脈沖的關(guān)系步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序和通電方式有關(guān)。現(xiàn)在常用的通電方式主要有三種:1)三相單三拍:ABCA。2)三相雙三拍:ABBCCAAB。3 )三相六拍:AABBBCCCAA。按以上順序通電，步進(jìn)電機(jī)正傳，按相反方向通電，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此，產(chǎn)生時(shí)序脈沖的方法是:(1)利用單片機(jī)8751的P1端口，, , , B, C三相繞組。(2)根據(jù)控制模式寫(xiě)出控制模型。(3)按控制模型的順序向步進(jìn)電機(jī)輸入控制脈沖。步數(shù)的確定步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)可由步距角和需要轉(zhuǎn)過(guò)的角度來(lái)計(jì)算[7]:式中： －步距角。－轉(zhuǎn)子齒數(shù)。－拍數(shù)(一般三拍時(shí) = 或六拍時(shí) =2 )。－控制繞組相數(shù)， =3。步進(jìn)電機(jī)的變速控制上面給的程序流程圖是步進(jìn)電機(jī)的恒速運(yùn)轉(zhuǎn)方式。一般來(lái)講，步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)弱點(diǎn)，就是運(yùn)行中丟步，為了使步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中不出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，一般要小于或等于步進(jìn)電機(jī)“響應(yīng)頻率”人，在該頻率下，步進(jìn)電機(jī)可以任意啟動(dòng)、停止或反轉(zhuǎn)而不發(fā)生失步現(xiàn)象。這個(gè)頻率通常比較低。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)走過(guò)的距離比較長(zhǎng)時(shí)，需要低速啟動(dòng)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，然后降低速度，最后停止。這樣就解決了“快速而不失步”的矛盾。那么實(shí)現(xiàn)變速控制的基本思想是改變控制頻率。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)的特性有：1，步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)， 驅(qū)動(dòng)型號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒(méi)有脈沖的時(shí)候， 步進(jìn)電機(jī)靜止， 如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)， 就會(huì)以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。2， 度，一圈360 度， 需要48 個(gè)脈沖完成3，步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。 4，改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。 四、結(jié)論總而言之，用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、耗能省、價(jià)格也低，比起用PLC控制的可靠性高，通用靈活，方便簡(jiǎn)潔，只需輸入程序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)，自動(dòng)化程度高，精度高，在生產(chǎn)制造中得到充分的應(yīng)用，是比較實(shí)用的一種控制系統(tǒng)一、 方案論證與比較 本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)中受控電機(jī)為四相六線制的步進(jìn)電機(jī)（內(nèi)阻33歐，額定電壓12V） 方案一：使用多個(gè)功率放大器件驅(qū)動(dòng)電機(jī) 通過(guò)使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進(jìn)電機(jī)，就需要對(duì)四路信號(hào)分別進(jìn)行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時(shí)運(yùn)行起來(lái)會(huì)不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。 方案二：使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī) L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)（如圖1－1），也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。 圖1－1 通過(guò)比較，使用L298N芯片充分發(fā)揮了它的功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，且價(jià)格不高，故選用L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)。而使用L298N時(shí)，可以用L297來(lái)提供時(shí)序信號(hào)，可以節(jié)省單片機(jī)IO口的使用；也可以直接用單片機(jī)模擬出時(shí)序信號(hào)，由于控制并不復(fù)雜，故選用后者。 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì) 方案一：串行接法 設(shè)計(jì)中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅(qū)動(dòng)，其中帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約IO口資源，但要使用SIO，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)容易控制。 方案二：并行接法 使用并行接法時(shí)要對(duì)每個(gè)數(shù)碼管用IO口單獨(dú)輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。 由于設(shè)計(jì)中用一塊單片機(jī)進(jìn)行控制，資源有限，選擇了方案一。另外，使用鎖存也起到節(jié)約資源的作用。 二、步進(jìn)電機(jī)控制原理 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(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。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱HB）。 步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，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。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下： (1)控制換相順序 通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳BC－D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。 (2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 (3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 三、理論設(shè)計(jì) 綜和以上選取的方案，總的流程如圖3－2所示。 圖3－1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 通過(guò)L298N構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路,電路圖如圖3－2所示。 通過(guò)單片機(jī)SPCE061A的IOB8～I(xiàn)OB13對(duì)L298N的IN1～I(xiàn)N4口和ENA、ENB口發(fā)送方波脈沖信號(hào)，起時(shí)序圖如圖3－3所示。 圖3－2 圖3－3 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì) 數(shù)碼管的顯示驅(qū)動(dòng)使用74LS164，通過(guò)SPCE061A的IOB0和IOB1口對(duì)DATA和CLK發(fā)送數(shù)據(jù)。 圖3－4 4x4鍵盤(pán)電路 在設(shè)計(jì)中，使用了標(biāo)準(zhǔn)的4x4鍵盤(pán)，其電路圖如圖3－5所示。單片機(jī)的A口低8位為鍵盤(pán)的接口。盡管設(shè)計(jì)要求中只需要4個(gè)鍵對(duì)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對(duì)控制功能的擴(kuò)展，我們使用了4x4的鍵盤(pán)。 圖3－5 四、程序設(shè)計(jì) 在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要分為五個(gè)部分：雙機(jī)通訊、語(yǔ)音報(bào)數(shù)、數(shù)字顯示、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、鍵盤(pán)；其中雙機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)和語(yǔ)音報(bào)時(shí)比較有特點(diǎn)，將其流程簡(jiǎn)要介紹如下，其他部分見(jiàn)附的程序。 雙機(jī)通訊 圖4－1 我們?cè)趯?shí)現(xiàn)雙機(jī)通訊的過(guò)程中使用了“三次握手”的方式，這是Intle網(wǎng)中成用的數(shù)據(jù)通訊確認(rèn)協(xié)議，其流程圖如圖4－1所示。 語(yǔ)音報(bào)數(shù) 程序設(shè)計(jì)中語(yǔ)音報(bào)數(shù)使用的是SACM－A2000，考慮到程序比較簡(jiǎn)單，首先使用了自動(dòng)報(bào)數(shù)方式，但發(fā)現(xiàn)不能進(jìn)行連續(xù)報(bào)數(shù)，于是使用了非自動(dòng)方式，流程圖如圖4－2所示。 圖4－2 五、結(jié)果分析與總結(jié) 應(yīng)該說(shuō)這次課程設(shè)計(jì)還是基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，但是也存在著未能解決的問(wèn)題，由于在執(zhí)行語(yǔ)音程序時(shí)對(duì)資源的消耗比較大，在語(yǔ)音報(bào)數(shù)的時(shí)候會(huì)中斷步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)。為此，我們修改了方案，使用了兩塊單片機(jī)，通過(guò)雙機(jī)通訊來(lái)傳遞信號(hào)，遺憾的是問(wèn)題仍然沒(méi)有得到解決。 這次步進(jìn)電機(jī)的綜合實(shí)驗(yàn)我們學(xué)到了步進(jìn)電機(jī)、數(shù)碼管、4*4鍵盤(pán)、語(yǔ)音報(bào)數(shù)和雙機(jī)通訊的使用，更重要的是學(xué)會(huì)了程序出問(wèn)題時(shí)調(diào)試的方法，并養(yǎng)成了Debug的習(xí)慣，學(xué)到了程序出問(wèn)題后怎樣去解決的基本方法。 來(lái)源：[]機(jī)電之家機(jī)電行業(yè)電子商務(wù)平臺(tái)！用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說(shuō)：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（及步進(jìn)角）。通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)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。 一、步進(jìn)電機(jī)常識(shí) 常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB），永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 二、永磁式步進(jìn)電機(jī)的控制 下面以電子愛(ài)好者業(yè)余制作中常用的永磁式步進(jìn)電機(jī)為例，來(lái)介紹如何用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。 圖1是35BY型永磁步進(jìn)電機(jī)的外形圖，圖2是該電機(jī)的接線圖，從圖中可以看出，電機(jī)共有四組線圈，四組線圈的一個(gè)端點(diǎn)連在一起引出，