【文章內(nèi)容簡介】 實現(xiàn)較大轉(zhuǎn)矩輸出， 度，但因為噪聲和振動都很大。歐美等發(fā)達國家在80 年代就被淘汰了；混合式步進電機則混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它分為兩相和五相兩種： 度，五相的步進角一般為 度。這種步進電機在當下的應(yīng)用最為廣泛。 步進電機是一種數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰疲唇o一個脈沖信號，步進電機就相應(yīng)的轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機來控制。步進電機與其他的控制電機最大的區(qū)別在于步進電機是通過輸入的脈沖信號來進行控制的，就是說電機的總轉(zhuǎn)動角度是由輸入的脈沖數(shù)決定的，電機的轉(zhuǎn)速是由脈沖信號的頻率決定的。 步進電機的控制信號由單片機產(chǎn)生，步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號而工作。其基本原理如下： (1)控制換相順序 通電換相這一過程稱為之脈沖分配。 (2)控制步進電機的轉(zhuǎn)向 如果給定的工作方式是正序換相通電，則步進電機正轉(zhuǎn)，如果是按反序通電 換相，則電機就反轉(zhuǎn)。 (3)控制步進電機的速度 如果給步進電機一個控制脈沖，它就相應(yīng)的轉(zhuǎn)動一步，再發(fā)給一個脈沖，它就會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖之間的時間間隔越短，則步進電機就會轉(zhuǎn)得越快。因此我們可以調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，來對步進電機的轉(zhuǎn)速進行我們所需的調(diào)動。 (4)步進電機的靜態(tài)指標 相數(shù)：產(chǎn)生不同的對極N、S 磁場的激磁線圈的對數(shù)。常用m來表示。 拍數(shù)：在完成一個磁場周期性變化時所需要的脈沖數(shù)。常用n 表示，或者是電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，用四相電機為例，有四相四拍的運行方式：ABBCCDDAAB，有四相八拍的運行方式： AABBBCCCDDDAA. 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移，用θ 表示。θ=360 度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50 齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360 /（50*4）= 度（稱為整步），則八拍運行時步距角為θ=360 /（50*8）= 度（稱之為半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電的狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子的自身鎖定力矩。 靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定的靜態(tài)電作用下，就是說電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。這個力矩是用來衡量電機體積（即幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源是無關(guān)的。靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安的匝數(shù)成正比，同定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但是過分的采用減小氣隙，增加激磁安匝數(shù)來提高靜力矩的做法是不可取的，這樣會造成電機過于發(fā)熱及機械噪音。 (5) 步進電機的動態(tài)指標： 步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)一個步距角的實際值與理論值之間的誤差。用百分比表示為：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其精度值不同，四拍運行時的誤差應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時的誤差應(yīng)在15%以內(nèi)。 失步：電機運轉(zhuǎn)時所運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。則稱之為失步。 失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏離定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)則必然存在失調(diào)角，由于失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是無法解決的。 最大空載起動頻率：電機于某種驅(qū)動形式、電壓和額定電流的接入下，在不加負載的情況時，能夠直接起動的最大頻率。 最大空載的運行頻率：電機于某種驅(qū)動形式，電壓和額定電流的狀態(tài)下，電機不加負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 運行矩頻特性：步進電機在某一種測試的條件下，測得運行中輸出的力矩與頻率之間的關(guān)系曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。 電機一旦被選定后，電機的靜力矩則就確定下來了，而動態(tài)力矩且不確定，電機的動態(tài)力矩是于電機運行時的平均電流（而不是靜態(tài)電流）所決定的，平均電流越大，則電機輸出力矩就越大，即電機的頻率特性就越硬。 步進電機特性曲線 如上圖所示，其中，曲線3 的電流最大或者電壓最高；曲線1 的電流最小或者是電壓最低。曲線與負載橫線的的交點是此負載的最大速度點。想要使平均電流大，應(yīng)該盡可能的提高驅(qū)動電壓（必須要主要電機的額定電壓值），采用小電感大電流的不進電機。 電機的共振點：步進電機都會有固定的共振區(qū)域，共振區(qū)一般會在180250pps 之間（ 度時）或是在400pps 左右（ 度時），電機的驅(qū)動電壓越高，電機電流則越大，負載越輕，電機的體積越小，則共振區(qū)會向上偏移，反之則亦然，為了使電機輸出大的電矩，同時不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般電機的工作點都應(yīng)該偏移共振區(qū)較多。 根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計選用的步進電機為四相五線制5V步進電機，其也可以當作兩相電機使用。大多步進電機在低頻工作的時，都會有振動大、噪聲大的缺點。但是如果采用細分方式，就能夠很好的解決上面的這個問題，步進電機細分控制，從本質(zhì)上來說是通過對電機的勵磁繞組中電流的控制，來使步進電機內(nèi)的合成磁場變?yōu)榫鶆虻膱A形的旋轉(zhuǎn)磁場，從而來實現(xiàn)步進電機步距角的細分，在一般情況下，其合成磁場矢量的幅值是由步進電機旋轉(zhuǎn)力矩的大小來決定的，相鄰的兩合成磁場矢量之間的夾角大小會決定步距角的大小，步進電機的半步工作方式就蘊涵了細分這種方式的工作原理。 不進電機的驅(qū)動芯片 實現(xiàn)細分方式有多方法，最常用的是采用脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動的方式，大多數(shù)專用步進電機的驅(qū)動芯片都采用這種驅(qū)動方式來進行驅(qū)動，ULN2003AN是其中的一種芯片，在本次設(shè)計中我們所使用的為感性負載步進電動機，因此不能直接用單片機來進行直接驅(qū)動。選用ULN2003AN芯片來進行驅(qū)動不進電機。 ULN2003AN是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高，工作電壓高，溫度范圍寬，帶負載能力強等特點，適用于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)，其電路是美國Texas Instruments公司和Sprag公司開發(fā)的晶體管陣列電路。 。 驅(qū)動芯片ULN2003AN的引腳圖 驅(qū)動芯片ULN2003內(nèi)部電路原理圖 ： 驅(qū)動芯片ULN2003各引腳符號 1 步進電機與驅(qū)動芯片連接的電路設(shè)計與分析 步進電機由驅(qū)動芯片驅(qū)動的連接線圖 （1）驅(qū)動電機 電機驅(qū)動的關(guān)鍵是精確的控制電機旋轉(zhuǎn)的角度。程序設(shè)計是要根據(jù)傳感器的信息來判斷旋轉(zhuǎn)的方向，以便啟動相應(yīng)的轉(zhuǎn)動方向子程序。正反控制程序分別按控制脈沖順序的要求采用相應(yīng)的控制模型，并判斷是否大幅度轉(zhuǎn)向，采用調(diào)節(jié)脈沖寬度的方式來實現(xiàn)電機調(diào)速。程序設(shè)計時把步進電機的控制方式簡歷成控制模型，并以數(shù)據(jù)表形式存于存儲器中，設(shè)計程序是可以直接調(diào)用該存儲器的數(shù)據(jù)。 （2）電機對零 對零點事電機操作最重要的環(huán)節(jié)之一，在步進電機進行點位控制之前首先必須確定出一個絕對坐標系，系統(tǒng)就將對零點位置作為第一個絕對坐標系。上電后首先進行歸零操作，電機一開始以順時針（或逆時針）方向任意旋轉(zhuǎn)，一旦接受到主控臺傳來的信號就立即控制電機停止運動，并等待接收旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，然后開始控制電機的運轉(zhuǎn)。 （3）速度的控制 不但要求電機能夠精確的定位，而且還要求快速的到達預(yù)定的位置，也就是要求準確的控制步進電機的轉(zhuǎn)動速率。步進電機的速率控制方法主要是通過改變每個脈沖信號的時間間隔，可以采用設(shè)置定時器的初始時間來獲得延時時間，也可以采用改變程序中的延時時間來滿足。假如轉(zhuǎn)動方向變化比較大時，如果點擊還是按照恒定的轉(zhuǎn)速進行工作，那么轉(zhuǎn)動的時間就會比較長。因為步進電機的響應(yīng)頻率fs比較低（100步/秒250步/秒），而電機的啟動頻率還要低于最高空載的啟動頻率，當電機啟動后，在進入穩(wěn)態(tài)時工作頻率又會遠遠的大于啟動頻率。由此可見，一個靜態(tài)的不進電機是不可能馬上達到較高穩(wěn)定工作頻率，而要求在啟動電機的瞬間采取加速措施來完成，一般我們會在起步的時候采用升頻的方式，；反之，從高速運轉(zhuǎn)到停止的時候有件減速的措施，而且減速時的加速度的絕對值要比加速時的加速度要大，這樣所需的時間就會變短。為了解決快速而不失步的問題，對電機提出了相應(yīng)的要求，如下“低速啟動接著高速運轉(zhuǎn)，然后降低速度，最后停止”。這種三段允許頻率方式我們利用程序的延時來完成。 利用高耐壓，大電流的達林頓陳列ULN2003直接與負載電機相連接，并驅(qū)動步進電機，電機的轉(zhuǎn)動速度由機械設(shè)計和單片機程序進行控制。由該芯片在5V的工作電壓下與TTL信號和CMOS電路直接相連，保證負載電流的供給，同時也減少了其他驅(qū)動芯片容易被燒的事故。2 電機與控制模塊連接的實物圖 、 、2B、3B、4B四個引腳相連，作為信號的輸入，從而控制步進電機作相應(yīng)的運轉(zhuǎn)。其中電機的四根控制線有電流通過時，指示燈不斷的閃爍。第三章 汽車自動雨刷控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計 系統(tǒng)軟件的設(shè)計包括有主程序的設(shè)計，電機轉(zhuǎn)速設(shè)置程序設(shè)計和各中斷服務(wù)等程序的設(shè)計。 主程序設(shè)計 本次設(shè)計單片機的控制程序采用51匯編語言編寫的，在編寫過程中，使用結(jié)構(gòu)化、模塊化的形式編寫，整個程序的清單見附錄II。本章將對本系統(tǒng)的程序做下具體的分析。 首先我來分析主程序的流程， 主程序程序流程圖 用兩個定時計數(shù)器，Timer0用中斷方式（每定時10ms中斷一次）；Timer1用查值方式，用來計數(shù)（Timer0每中斷一次，就來讀取他的一次值，并作出相應(yīng)的處理） ，本設(shè)計的主程序設(shè)計比較簡單。程序首先送初值，即給AT89S52送取一個占空比為50%的數(shù)據(jù)。（當然也可送其它占空比數(shù)據(jù)，這里為了更好的展示，根據(jù)不同系統(tǒng)的需要，其值是可變）。接著對數(shù)據(jù)和中斷進行初始化。MCS51系列單片機復(fù)位后，（PC）=0000H，而0003H~002BH分別為各中斷源的入口地址。所以，編程的時候應(yīng)在0000H處寫一條跳轉(zhuǎn)指令。當CPU接收到中斷請求信號并做出響應(yīng)后，CPU會把當前的PC內(nèi)容壓入堆棧中進行保護，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序。一般會在相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口處寫一條跳轉(zhuǎn)指令，并以跳轉(zhuǎn)指令的目標地址作為中斷服務(wù)程序的其實地址進行編程。 MCS51系列單片機復(fù)位后，除了SP為07H，P0~P3口為FFH外，其余給內(nèi)存單元內(nèi)容均為00H，所以應(yīng)對IE、IP進行初始化編程，用來開放CPU的中斷，允許某些中斷源中斷設(shè)置中斷優(yōu)先級等。 代碼轉(zhuǎn)換程序 人們?nèi)粘Ａ晳T用十進制的數(shù)，而計算機鍵盤的輸入和輸出以及顯示常采用二進制編碼的十進制數(shù)或ASCII碼。因此，在程序設(shè)計中經(jīng)常需要進行代碼的轉(zhuǎn)換。各種代碼之間轉(zhuǎn)換十分有用，除了對硬件邏輯轉(zhuǎn)換外，程序設(shè)計中還會采用算法處理和查表方式。 中斷服務(wù)程序 中斷服務(wù)的程序是一種具有特定功能的獨立程序段。它為中斷源所需要的特定要求而服務(wù)，以中斷返回指令而結(jié)束。由于工序操作和計數(shù)請求響應(yīng)采用中斷處理方式，所以中斷服務(wù)程序設(shè)計是本系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心。在中斷響應(yīng)過程中，斷點的保護和恢復(fù)主要由單片機內(nèi)部的電路來實現(xiàn)。在編寫中斷服務(wù)程序時，必須要考慮是否有需要保護的現(xiàn)場，也就是說在主程序中用到的寄存器、存儲單元等，同樣在中斷程序中也要使用。如果有，應(yīng)該注意不要遺漏；在恢復(fù)現(xiàn)場時，需要注意壓棧與出棧指令必須成對使用，先入棧的內(nèi)容應(yīng)該后彈出。另外，還要及時清除需要用軟件清除的中斷標志。 本次設(shè)計中采用的是工序操作中斷服務(wù)程序，此程序中用延時表示工序操作的處理過程。 工序操作程序流程圖 檢測出雨量傳感器輸出的脈沖是實現(xiàn)本系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟，通過對雨量大小的檢測的信息能準確控制步進電極的運行。Timer0保護現(xiàn)場關(guān)閉Timer0 Timer1讀取Timer1判斷Timer1的值調(diào)用小雨程序處理方案調(diào)用中雨程序處理方案調(diào)用大雨程序處理方案Timer0 Timer1清零中斷返回開啟 Timer0 Timer1 大于160大于等于80小于等于160小于80 實現(xiàn)檢測的程序流程圖第四章 汽車自動雨刷控制系統(tǒng)調(diào)試 本次總體硬件設(shè)計結(jié)束后，隨后完成了實驗板的焊接工作。在這硬件都完成之后，然后對軟件進行調(diào)試工作。 調(diào)試單片機最小系統(tǒng) （電源 發(fā)光二極管 ），然后通過實驗板上的下載口向單片機內(nèi)下載閃燈程序,下載完成后發(fā)現(xiàn)閃燈沒有進行閃燈，進過對比最小程序電路圖，發(fā)現(xiàn)單片機第31個引腳沒有接電源。出現(xiàn)了一些連線的錯誤，經(jīng)改正后，閃燈能夠按照程序理想的進行閃燈工作。 因此，可以斷定單片機的最小系統(tǒng)的接線沒有問題，最小系統(tǒng)調(diào)試完成。 問題分析及雨滴感應(yīng)模塊調(diào)試 當最小系統(tǒng)調(diào)試完成之后，接下來向單片機內(nèi)下載步進電機驅(qū)動程序，電機無法工作，接通電源一段時間，步進電機出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象考慮到問題可能有以下幾種情況： 1，雨滴感應(yīng)模塊除了問題，沒能夠傳送出感應(yīng)信號 2，系統(tǒng)程序編程出現(xiàn)了錯誤，對信號的接收和處理不到位 3，步進電機驅(qū)動模塊可能沒法接收信號 接下來對雨滴感應(yīng)模塊做了具體的分析，用萬能表檢查，當沒有雨滴的時候雨滴模塊輸出電壓接近電源電壓，為高電平信號；當有雨滴的時候輸出為低電壓，接近于0V，為低電平，輸出為有效信號。同樣檢測單片機接收引腳的時候同樣如此，由此可以的斷定在雨滴感應(yīng)信號的發(fā)出與接收這塊是沒有問題的。 步進電機驅(qū)動模塊調(diào)試 如果步進電機要是沒有問題的話，直接向單片機內(nèi)下載電機驅(qū)動程序的話，步進電機應(yīng)該會做相應(yīng)的相應(yīng)。有了這個想法之后，在網(wǎng)上直接下載了電機的驅(qū)動程序，做了相應(yīng)的改動和轉(zhuǎn)換格式之后下載到單片機內(nèi)，完成之后，電機能夠做相應(yīng)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。 電機