【文章內(nèi)容簡介】 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A 相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按 A，B，C， A……通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3 て,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A，C，B，A…… 通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn) [9]。 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系，而方向由導(dǎo)電順序決定。 圖 22 電機(jī)的相與轉(zhuǎn)子不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用 AABBBC－CCAA 這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3 て改變?yōu)?1/6 て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3 て變?yōu)?1/12 て，1/24 て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)定子上有 m 相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理條件 [10]。 步進(jìn)電動機(jī)的控制原理 由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)生（論文）8能直接接到交直流電源上，而必須使用專用設(shè)備—步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器，控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的各項輸入端，以驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動。環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機(jī)軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器、另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的目的 [11]。 換相順序的控制步進(jìn)電動機(jī)的通電換相順序嚴(yán)格按照步進(jìn)電動機(jī)的工作方式進(jìn)行。通常我們把通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：混合式步進(jìn)電機(jī)的工作方式，起各相通電順序為 ABCD，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 相地通斷，這就是所謂脈沖環(huán)形分配器 [12]。 步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)向控制通過前面介紹的步進(jìn)電動機(jī)原理我們已經(jīng)知道，如果按給定的工作方式正序通電換相，步進(jìn)電動機(jī)就正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，則電動機(jī)就反轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電動機(jī)的速度控制如果給步進(jìn)電動機(jī)發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔時間越短，步進(jìn)電動機(jī)就轉(zhuǎn)的越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速 [13]。 步進(jìn)電動機(jī)的位置控制步進(jìn)電動機(jī)的位置控制，指的是控制步進(jìn)電動機(jī)帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個位置精確地運行到另一個位置。 對步進(jìn)電動機(jī)位置控制的一般作法是：步進(jìn)電動機(jī)每走一步，步數(shù)減 1，如果沒有失步存在，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置時，步數(shù)正好減到 0。因此，用步數(shù)等于 0 來判斷是否移動到目標(biāo)位，作為步進(jìn)電動機(jī)停止運行的信號 [14]。下面舉例來說明步進(jìn)電動機(jī)加、減速控制程序的編制。Error! No text of specified style in document.9圖 23 是近似指數(shù)加速曲線。由圖可見，離散后速度并不是一直上升的，而是每升一級都要在該級上保持一段時間，因此實際加速軌跡呈階梯狀。如果速度是等間距分布，那么在該速度級上保持的時間不一樣長。為了簡化，我們用速度級數(shù) N 與一個常數(shù) C 的乘積去模擬，并且保持的時間用步數(shù)來代替。因此，速度每升一級，步進(jìn)電動機(jī)都要在該速度級上走 NC 步（其中 N 為該速度級數(shù)）。為了簡化，減速也采用與加速時相同的方法，只不過其過程是加速時的逆過程。圖 23 加速曲線離散化本程序的參數(shù)除了有速度級數(shù) N 和級步數(shù) NC 以外，還有以下參數(shù) 。（1）加速過程的總步數(shù)電動機(jī)在升速過程中每走一步，加速總步數(shù)就減 1，直到減為 0，加速過程結(jié)束，進(jìn)入恒速過程。（2）恒速過程的總步數(shù)電動機(jī)在恒速過程中每走一步，恒速總步數(shù)就減 1，直到減為 0，恒速過程結(jié)束，進(jìn)入減速過程。（3）減速過程的總步數(shù)電動機(jī)在減速過程中每走一步，減速的總步數(shù)就減 1，直到減為 0，減速過程結(jié)束，電動機(jī)停止運行 [15]。 步進(jìn)電動機(jī)的特點步進(jìn)電動機(jī)有如下特點：（1）步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸出脈沖數(shù)成正比，因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。（2）由步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價，又非?？煽?。同事，它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。（3）步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)生（論文）10（4）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速情況下仍能保證獲得很大的轉(zhuǎn)矩，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。（5）步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接用交流電源或直接電源。（6）步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和震動比較大，帶慣性負(fù)載的能力強(qiáng) [16]。Error! No text of specified style in document.113 主要芯片介紹 89S5l 單片機(jī)簡介本次設(shè)計以 CPU 選用 89S5l 作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片．89S51 的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫數(shù)達(dá)幾萬次以上．使用方便等優(yōu)點，而且完全兼容 MCS5l 系列單片機(jī)的所有功能。AT89S51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable And erasable Read Only Memory）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 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89S51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 [17]。 單片機(jī)的引腳功能（1）VCC（ 40）：電源+5V。（2）VSS（20）：接地，也就是 GND。（3）XTL1（ 19）和 XTL2（18）：振蕩電路。單片機(jī)是一種時序電路，必須有脈沖信號才能工作，在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時，需在 XTL2 上加外部時鐘信號。（4）PSEN（29）：片外 ROM 選通信號，低電平有效。（5）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號輸出端/EPROM 編程脈沖輸入端。（6）RST/VPD（9）：復(fù)位信號輸入端 /備用電源輸入端。 （7）EA/VPP（31）：內(nèi)/外部 ROM 選擇端（8）P0 口（ 3932）：雙向 I/O 口。（9）P1 口（ 18）：準(zhǔn)雙向通用 I/0 口。（10）P2 口（ 2128）：準(zhǔn)雙向 I/0 口 [18]。 單片機(jī)的主要特性與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000 寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：全靜態(tài)工作：0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定、 128*8 位內(nèi)部西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)生（論文）12RAM、32 可編程 I/O 線、兩個 16 位定時器/計數(shù)器、5 個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 [19]。（1）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。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2 應(yīng)不接。輸入至其內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度 [20]。（2）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。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89S51 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。但 RAM 定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止 [21]。 L298 簡介 L298 的原理L298N 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用15 腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A；內(nèi)含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N 芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；并可以直接用單片機(jī)的 I/O 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便 [24]。 L298 概述L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt 封裝的 L298N，內(nèi)部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。可以方便的驅(qū)動兩個直流電機(jī)，或一個兩Error! No text of specified style in document.13相步進(jìn)電機(jī)。L298N 芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的 IO 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號 VSS，VSS 可接 4．5～7 V 電壓。4腳 VS 接電源電壓，VS 電壓范圍 VIH 為＋2．5～46 V。輸出電流可達(dá) 2．5 A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298 可驅(qū)動 2 個電動機(jī)， OUT1，OUT2 和OUT3， OUT4 之間可分別接電動機(jī)。圖 35 是 L298N 功能邏輯圖,圖 36 是L298N 的引腳圖 [25]。圖 35 L298N 芯片邏輯功能圖圖 36 L298N 引腳圖西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)生（論文）14 光電開關(guān) 本系統(tǒng)中所用傳感器為 FCSPX302 光電開關(guān)，該傳感器為開關(guān)型傳感器，四個接線腳分別為“+，L,OUT,”其輸入電壓范圍廣為直流 524V,L 為控制指示端，當(dāng)“L”與“+”相連時，傳感器未檢測到物體時 LED 燈發(fā)光，當(dāng)“L”懸空時則相反，其特點為：1. 動作模式備有遮光時 ON/入光時 ON(可切換型 )2. 應(yīng)答頻率為 1KHZ 的高速響應(yīng)3. 入光顯示燈明顯,容易進(jìn)行動作確認(rèn)4. 電源電壓為 DC24V 的廣范圍5. 備有遮光時入光顯示燈燈亮型其連接電路如圖 37 所示： 圖 37 “L”與“+”相連時連接電路圖“L”與“+ ”相連時，傳感器未檢測到物體時 LED 燈發(fā)光。 圖 38 “L”懸空傳感器檢測到物體時連接電路 圖“L”懸空傳感器檢測到物體時 LED 燈發(fā)光。Error! No text of specified style in document.154 硬件設(shè)計啟動系統(tǒng)后，從單片機(jī)的 I/O 口輸出控制脈沖，經(jīng)過 L298N 驅(qū)動電路對脈沖進(jìn)行處理，輸出能直接控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號。在負(fù)載能力范圍允許內(nèi)，就能實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)獨立起停、轉(zhuǎn)向、速度、位置變化的控制。 總體設(shè)計方框圖由 41 圖中看以看出以單片機(jī)為控制核心。鍵盤做為外設(shè)，進(jìn)行功能的選擇，啟動，轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)速減少，停止等操作。1602 液晶屏顯示實際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速。通過 L298N 來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。把步進(jìn)電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速通過單片機(jī)外部中斷反饋到單片機(jī)。調(diào)用 PID 程序，通過改變脈沖周期調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速?？傮w設(shè)計方框圖如圖 41 所示 圖 41 總體設(shè)計方框圖 系統(tǒng)仿真圖 系統(tǒng)仿真圖如圖 42。仿真圖是根據(jù)實際電路所搭建。是以單片機(jī)為核心，L298 為驅(qū)動，1602 作為顯示，按鍵作為輸入所搭建的仿真模型。 42 圖所示模鍵盤電機(jī)驅(qū)動模塊298N 芯片單片機(jī)AT89S51 P2 P0 1602 液晶顯示器步進(jìn)電動機(jī)速度檢測反饋西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)生（論文）16型處于運行狀態(tài)。啟動仿真模型，選擇按鍵 START，模型開始正常運轉(zhuǎn)，通過V+V改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，最后選擇按鍵 STOP 停止仿真。圖 42 系統(tǒng)仿真圖 步進(jìn)電動機(jī)的控制方式選擇 步進(jìn)電機(jī)控制是一個比較精確的控制，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點，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際上就是控制步進(jìn)電機(jī)的運行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。一種是延時，一種是定時。延時方法是在每個周期完成后調(diào)用一個延時子程序，待延時結(jié)束后再次執(zhí)行脈沖輸出程序，這樣周而復(fù)