【正文】 對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。論文中的不足之處敬請老師批評指正。軟件是根據(jù)控制系統(tǒng)的要求設計的，包括主程序的設計、 T0 中斷程序設計、鍵盤顯示程序設計、調(diào)速程序設計等程序的設計。根據(jù)課題要求查閱 資料，然后在老師的指導下，有針對性地學習相關(guān)知識，對資料進行消化和吸收。 第五章 結(jié)束語 經(jīng)過幾個月的努力，終于完成了基于 AT89C51 單片機的步進電機控制系統(tǒng)軟硬件的研究和設計。 由于步進電機的轉(zhuǎn)速正比于脈沖頻率，所以調(diào)速時只需把每個速度對應數(shù)組中的定時初值取出來，作為定時器 T0 的計 數(shù)初值，這樣就可以讓單片機輸出不同的頻率，從而改變轉(zhuǎn)速。由于所選的步進電機的步距角為 18176。 調(diào)速程序設計 20BY 步進電機參數(shù) 表 20 BY 步進電機參數(shù) 工作電壓 步距角 工作力矩 最大靜電流 空載啟動頻率 空載運行頻率 18176。本程序采用行、列對應的二進制碼來確定按鍵功能，例如讓 P1 輸出 0FEH，如果第一按鍵按下時， 與 交叉點對應的鍵碼為 0EEH，第二個按鍵為 0DEH，第三個按鍵為 0BEH，第四個按鍵為7EH。顯示程序只需要將數(shù)組中的內(nèi)容一個個送入 SBUF 寄存器中，就可以實現(xiàn)步數(shù)的顯示。在發(fā) 送中斷標志 TI 為 0（即無效）的情況下，執(zhí)行寫串行數(shù)據(jù)輸出緩沖器 SBUF 指令即可將 SBUF 寄存器中的內(nèi)容由低位到高位依次輸出到 RXD 引腳，同時 TXD引腳輸出移位脈沖，使外接的“串入并出”芯片逐一接受來自 RXD 引腳上的串行數(shù)據(jù)。 （ 2） 并行接法 ： 使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用 I/O 口單獨輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。 圖 Proteus 仿真界面 為了防止步進電機啟動時發(fā)生失步，需要先以一個比較低的頻率啟動，用Proteus 仿真步進電機啟動過程可以看到單片機 的 產(chǎn)生一個頻率逐漸變大的脈沖信號，啟動時的脈沖信號如圖 所示。 定時器 T0 中斷程序流程圖 T0 中斷流程圖如圖 所示。 （ 6）步 數(shù)為 0 判斷。 （ 4）定時器 T0 啟動。判斷是否有按鍵按下，若有則進行按鍵處理。 圖 變速控制中轉(zhuǎn)速與步長之間的關(guān)系 主程序設計 主程序工作過程 （ 1）系統(tǒng)初始化。單片機根據(jù)所輸入的步數(shù)判斷是否需要進行加速啟動，當輸入的步數(shù)小于 100時，步進電機以最低速度 25 r/min 運行。 本系統(tǒng)的軟件采用 C 語言編寫，在此本文主要介紹軟件的各個模塊功能與軟件流程。 （ 5）經(jīng)過調(diào)試修改后的程序應進行規(guī)范化，除去修改“痕跡”。便于調(diào)試、連接、移植、修改。最后對控制系統(tǒng)各部分的電路進行了分析和設計，并把各模塊有機組合起來形成一個較完整的電路，如附錄 C 所 示。它是以單片機為核心的控制電路，可以實現(xiàn)步進 電機根據(jù)設定的步數(shù)進行自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最短的時間走完所規(guī)定的步數(shù)而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。放電回路為 C 正 極、電源 Vcc 端（與地等電位）、二極管 VD 正極、二極管 VD負極、 C 負極，保證再次上電時， RST 引腳為高電平， CPU 可靠復位。 外部復位電路 31 上電復位：接通電源的瞬間，電容 C 上的電壓很小， RST 引腳為高電平。 由于設計中用一塊單片機進行控制，資源有限， 故使用串行接法， 另 外，74LS164 的 鎖存 作用也 起到節(jié)約資源的作用。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用 CPU 的時間，提高了系統(tǒng)的響應速度，軟件方法的優(yōu)點是節(jié)省硬件，降低系統(tǒng)的成本， 且更改靈活，有利于系統(tǒng)的小型化，其主要的缺點是占用 CPU 時間較多，降低系統(tǒng)的響應速度?？赡嬗嫈?shù)器的輸出作為EPROM 的地址輸入端，計數(shù)器的一個計數(shù)狀態(tài)就對應步進電機的一個勵磁狀態(tài)，控制計數(shù)脈沖 CP 就可以控制步進電機的運行，加減計數(shù)控制端可以控制步進電機正反轉(zhuǎn)。因此，步進電機轉(zhuǎn)速的高或低、加速或減速、啟動或停止都完全取決于 CP 脈沖的有無和頻率。 74LS191 的工作方式選擇如表 所示。 26 它有讀方式、未選中方式、編程方式、程序檢驗方式、編程禁止方式 5 種工作方式如表 所示 【 13】 。 EPROM 的選擇 只讀存儲器 (ROM)的特點是：其內(nèi)容是預先寫入的且一旦寫入，使用時就只能讀出不能改變，掉電時也不會丟失， ROM 器件還具有結(jié)構(gòu)簡單、信息度高，價格低，非易失性和可靠性高等特點。 （ 4） 可在 0～ 24MHz 的晶振頻率范圍內(nèi)可靠工作，加快了系統(tǒng)的工作速度，可用在某些高速實時處理控制系統(tǒng)中。在 MCS51 系列單片機系列內(nèi)核 8051/80C51 的基礎(chǔ)上， Intel 公司、 Philips 公司、 Siemens 公司等很多大公司紛紛推出了名目繁多的派生芯片。 （ 6）系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設計在滿足系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應適當留有余地，以備將來修改、擴展的需要。 （ 3）整個系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時，存貯器的存取時間有限，應選擇允許存取速度較高的芯片；選擇 CMOS芯片單 片機構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中的所有芯片都應該選擇低功耗的產(chǎn)品。 （ 2）硬件結(jié)構(gòu)應結(jié)合應用軟件方案一并考慮。步進電機需要走的步數(shù)可以根據(jù)不同距離預先計算好，然后在單片機程序里設定好，也可以通過上位機進行控制。例如一個步距角為 176。整個加減速的控制，如本文所述的步進電機加減速控制。該步進電機驅(qū)動系統(tǒng)具有行程長、多定位點的特點，是一個典型的一維位置控制系統(tǒng)。此外，步進電機不需要位置傳感器或速度傳感器可以在開環(huán)狀態(tài)下定位或同步運行，有利于裝置或設備的小型 化和低成本，因而在軟盤驅(qū)動器、掃描儀、打印機、數(shù)控機床和自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得了到廣泛的應用 【 10】 。此時只要均勻地改變定時器時間常數(shù)，即可達到均勻加減速的目的 【 9】 。具體地說，就是均勻地增加或減少延時程序中延時時間常數(shù)。 20 變速控制的方法 改變控制方式的變速控制 最簡單的變速控制可以利用改變步進電機的控制方式實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用定時器中斷來控制步進電機的加減速，實際上是不斷改變定時器的定時初值的大小。但實際上步進電機升速時由于反電動勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減小，因此輸出的轉(zhuǎn)矩會有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速時，加速度是逐漸下降的，接近步進電機輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律 【 7 】 。 加速時的起始速度應該等于或略小于系統(tǒng)的極限起動頻率，而不是從零開始。 圖 點 — 位控制的加減速過程 對于一個非常短的距離，如在數(shù)步范圍內(nèi)，電動機的加減速過程沒有實際意義，只需要按起動頻率運行即可。 為此，提出一種變速控制的程序，該程序的基本思想是，在啟動時，以低于響應頻率 fs 的速度運行；然后開始慢慢加速，加速到一定頻率 fe 后就以此速率恒速運行。根據(jù)步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉(zhuǎn)矩越小，帶負載的能力越差；當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。因此要求步進電機的速度盡可能快一些，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。 圖 驅(qū)動電路 電路工作原理：當 A 輸出為 1 時，發(fā)光二極管不發(fā)光，因而光敏三極光截止，從而使達林頓管導通， A 相繞組通電。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程的接 17 口芯片，如 825 8155 等。由于旋轉(zhuǎn)電動勢基本上與電動機轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電動勢越大，繞組電流越小，從而使電 動機輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。 (3) 繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應該截止的相不能立即截止。對于功率較大的步進電機，由于繞組所需要的電流較大、電壓高、反電動勢也大，因此需要用大功率的的晶體管驅(qū)動。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與步進電機的自身性能有關(guān)外，在很大程度上也取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。當步進電機截止時，若通過二極管的初始電流為額定電流 In，即 In=U/R 則晶體管集 — 射極間的壓降為 Uce=U+RsIn=U（ 1+Rs/R） 這樣為使 UceUcer 則 RsR(Ucer/U－ 1) 15 圖 二極管 — 電阻續(xù)流回路 圖 負載曲線 由以上分析可知續(xù)流電路的特點如下： (1) 斷電相的磁場能量總是消耗在回路的電阻上，其中包括電動機繞組自身的電阻。 當一相繞組斷電時，存儲在繞組中的能量必須消耗在電路的電阻 R 中，該電阻包括繞組電阻，串聯(lián)電阻和二極管正向?qū)娮瑁p時間常數(shù)為 L/R。所以驅(qū)動電路除了對步進電機繞組提供導通回路外，還必須提供一個繞組斷電時的續(xù)流回路，其作用是既要保證電流的泄放的速度，同時又要抑制電感電勢，保護晶體管不受感應電動勢峰值的沖擊。如果 T 斷電，繞組中磁場能量將極力保持原有電流的方向。當步進電機下一相導通時，斷電相繞組中的衰減電流對步進電機起制動作用。單四拍與雙四拍的步距角相等，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)動力矩又可以提高控制精度。當為高電平時做減法計數(shù)，為反轉(zhuǎn)狀態(tài)。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用 CPU的時間，提高了系統(tǒng)的響應速度。 由于勵磁狀態(tài)是按運行拍數(shù)循環(huán)的，所以存儲器輸出的狀態(tài)也必須按拍 數(shù)循環(huán)出現(xiàn)，這就要求計數(shù)器是可逆計數(shù)器，同時計數(shù)長度是運行循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。 可排除非法狀態(tài)。 圖 含有 EPROM 環(huán)形脈沖分配器 10 用 EPROM 設計環(huán)形脈沖分配器，具有如下的特點： 線路簡單。前面是一個可逆的循環(huán)計數(shù)器，計數(shù)脈沖的有無控制步進電機的運行與停止，計數(shù)器加減控制端控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，如果低電平時計數(shù)器加計數(shù)，步進電機正轉(zhuǎn)，如果高電平時計數(shù)器減計數(shù)，步進電機反轉(zhuǎn)。如果全部用硬件來搭成，結(jié)構(gòu)是相當復雜的，不能滿足步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的需要，為此提出一種用 EPROM 搭建的環(huán)形分配器，以滿足不同的要求。串行控制時，控制器輸出脈沖信號和方向電平，環(huán)形脈沖分配器把它轉(zhuǎn)換成并行的驅(qū)動信號，再控制繞組的導通和截止。環(huán)形分配器的主要功能是把單片機發(fā)出的脈沖信號按一定的規(guī)律分配給步進電機的驅(qū)動電路，控制繞組的導通和截止。此外，也可以看到同一種通電方式，對于轉(zhuǎn)子磁極數(shù)不同的步進電機，也會有不同的步距角。 六拍運行方式與雙三拍相同，由一個通電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪煌姞顟B(tài)時，也總有一相繼續(xù)保持通電，同樣具有電磁阻尼作用，工作也比較平穩(wěn)。通電方式由 AB 轉(zhuǎn)為 B 時，步進電機的狀態(tài)如圖 (c) 所示，轉(zhuǎn)子齒 4 磁極軸線和 B 相磁極軸線相重合，或 轉(zhuǎn)子齒 3 磁極軸線離開 A 相磁極軸線 30176。圖 (a) 為 AB 相同時通電的情況，圖 (b) 為 BC 相通電的情況，可見轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的角度為 30176。轉(zhuǎn)子齒 3 對準 C 相磁極軸線的位置，由此可見，每通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為 30176。上述三相三拍運行，表示三種通電狀態(tài)為一個循環(huán)，即三次通電狀態(tài)改變后，又恢復到起始狀態(tài)，一拍對應轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，通常用θ s 表示，圖 中轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的步距角為 60176。同樣道理，當 A 相斷開，接通 B 相時，如圖 (b) 所示， B相磁極對轉(zhuǎn)子的電磁力將使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過 60176。轉(zhuǎn)子用軟磁材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，只有兩個齒，齒寬等于定子的極靴寬 【 2】 。 程序的調(diào)試及修改 用 Keil 軟件進行編程和調(diào)試，并且在 Proteus 環(huán)境下進行系統(tǒng)仿真。 課題的主要研究內(nèi)容 步進電機的工作原理 通過查閱文獻對步進電機的單拍運行、雙拍運行、單雙拍運行等各種運行方式進行研究，深入了解各種運行方式的特點和對步進電機控制性能的影響。因為步進電機的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)速，實質(zhì)上是調(diào)節(jié)單片機輸出的脈沖頻率 【 1 】 。當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。因此要求步進電機的速度盡可能地快，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。 關(guān)鍵詞 ：步進電機控制系統(tǒng)；調(diào)速；單片機 II Abstract Stepping motor is a kind of digital control system ponents. It can achieve quick startup, positive inversion, stopping and speed control, according to the control pulse. It has high precision step angle, and can be selflocking w hen it keeps still. As these characteristics, stepping motor in automatic control system, especially in the open loop control system has been widely app