【正文】 基于單片機(jī)的高精度步進(jìn)電機(jī)控制研究。新型電力電子變換技術(shù)。最后，對(duì)評(píng)審論文的各位老師表示衷心的感謝!參考文獻(xiàn)1 劉寶廷，:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997:2～6.2 ，1999，(3):36～37.3 ：北京航空航天大學(xué)出版社，2002:5～10.4 ：國(guó)防工業(yè)出版社，2006:7～15.5 李全利，仲偉峰，：清華大學(xué)出版社，2006，2:14～36.6 周明安，朱光忠，2005，34(2):16～17.7 ：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990:71～92.8 Tieluo Lin. Jianxun —based microstep controller of stepper motor .Intelligent Control and Automation， World Congress on Volume 5，15—19 June 2004 Page(s):4441～44459 Lars Larsson. Micro Step vs. Full Step—a Quantitative Competition，TRINAMIC Microchips GmbH，SAE 2003 World Congress，March 2003 Detroit，MI，USA.10 。致謝首先感謝我尊敬的導(dǎo)師在論文撰寫期間，我要感謝許多讓我分享他們寶貴經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的老師及朋友。、顯示器接口電路芯片8279，該芯片能自動(dòng)完成對(duì)顯示的刷新，同時(shí)還可以對(duì)鍵盤自動(dòng)掃描，識(shí)別閉合鍵的鍵號(hào)，使用非常方便。 48 結(jié)論本設(shè)計(jì)提出了一種電流細(xì)分技術(shù)，該方案中流細(xì)分技術(shù)基本上克服了傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)低速振動(dòng)大和噪音大的缺點(diǎn)，減小發(fā)生共振的幾率，并通過(guò)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了這一控制系統(tǒng)，通過(guò)本設(shè)計(jì)的研究，取得了以下結(jié)論:，提出了三相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制設(shè)計(jì)方案，細(xì)分控制后，運(yùn)行時(shí)減弱了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，大大減輕了噪聲，并且提高了步進(jìn)電機(jī)的分辨率，運(yùn)行定位精度高；同時(shí)具有較小的體積，較低的成本，較高的可靠性和可移植性，可維護(hù)性。:首先置顯示緩沖區(qū)首址和計(jì)數(shù)長(zhǎng)度，然后取顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為段選碼，送到LED顯示，顯示主要提供當(dāng)前通電相、相電流大小、電機(jī)運(yùn)行時(shí)間、正反轉(zhuǎn)、當(dāng)前運(yùn)行速度、線位移及相關(guān)計(jì)數(shù)等的顯示，如圖56所示。圖 53 細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序流程 步進(jìn)電機(jī)顯示和鍵處理程序設(shè)計(jì):首先將8279初始化，對(duì)8279寫入相應(yīng)的命令字，使其按要求工作，然后開始不斷掃描鍵盤，判斷是否有鍵按下，當(dāng)沒有鍵按下則繼續(xù)掃描鍵盤。其余細(xì)分以12000步/轉(zhuǎn)的240細(xì)分表為基礎(chǔ)輸出。因此，為了實(shí)時(shí)性的考慮，只得以空間為代價(jià)，將表預(yù)先計(jì)算好，保存在存儲(chǔ)器內(nèi)，當(dāng)需要某個(gè)值時(shí)，只要給出其地址，就可以通過(guò)查表的方式得到。其流程圖如圖 52所示。每當(dāng)有步進(jìn)脈沖信號(hào)輸入時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生INTO中斷，根據(jù)細(xì)分設(shè)置和方向信號(hào)從單片機(jī)存儲(chǔ)器中查表得到步進(jìn)電機(jī)兩相繞組電流對(duì)應(yīng)的值，將查到的值寫入數(shù)模轉(zhuǎn)換器的寄存器中，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出。單片機(jī)的主要功能是輸出EEPROM中存儲(chǔ)的細(xì)分電流控制信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。最常用的措施就是在非程序區(qū)設(shè)置軟件陷阱，通過(guò)它來(lái)防止PC指針失控和程序“飛車”，所謂軟件陷阱，就是在非程序區(qū)內(nèi)反復(fù)使用轉(zhuǎn)移指令，使指向該區(qū)程序指針得到修復(fù)，指向一個(gè)指定的地址，這個(gè)地址一般是主程序的開始地址。在本課題中使用的軟件開發(fā)工具為德國(guó)KEIL公司的C編譯器的windows集成開發(fā)環(huán)境u ，通過(guò)串口與PC機(jī)相連。u Vision2是一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)集成開發(fā)平臺(tái)，主要包括:C5l交叉編譯器、A51宏匯編器、BL51連接/重定位器、LIB5l庫(kù)管理器、OH51 Intel HEX格式文件轉(zhuǎn)換器、RTX—51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及單片機(jī)軟件仿真器Dscope 51。近年來(lái)，隨著以51單片機(jī)為內(nèi)核的單片機(jī)的不斷發(fā)展和普及，國(guó)外的一些公司紛紛推出了以51單片機(jī)為基礎(chǔ)的集成開發(fā)環(huán)境。第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制軟件內(nèi)容主要完成單片機(jī)控制主程序，細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序、鍵處理程序、顯示數(shù)據(jù)處理及顯示驅(qū)動(dòng)程序等。當(dāng)A0=l時(shí)讀出和寫入的都是數(shù)據(jù)。圖44 采用UC3845構(gòu)成的開關(guān)電源的實(shí)用電路圖 顯示和鍵處理電路單片機(jī)系統(tǒng)中有兩種LED顯示方式，即靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示，靜態(tài)顯示的優(yōu)點(diǎn)是顯示效果好，編程簡(jiǎn)單，但由于輸出的每一位都需要鎖存，使用的硬件較多。反之，⑥腳脈沖變寬，以此來(lái)調(diào)節(jié)MOSFET開關(guān)管Q1的占空比。此時(shí)，變壓器初級(jí)線圈(13)有電流產(chǎn)生，根據(jù)互感原理，自饋線圈(45)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng)DD7整流C2C61濾波后為UC3845的⑦腳供電，此時(shí)UC3845的工作電壓由自饋線圈(45)提供。T為高頻變壓器，13是變壓器初級(jí)線圈，45是自饋線圈，其它線圈的輸出給驅(qū)動(dòng)器的不同電路供電。本設(shè)計(jì)將片選信號(hào)和寫信號(hào)都與單片機(jī)的P1口相連，由P1口向數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832輸送數(shù)據(jù)，以控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832運(yùn)行方式。由于單片機(jī)提供的數(shù)據(jù)量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832轉(zhuǎn)換出來(lái)的模擬信號(hào)幅值可能太小，無(wú)法驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。功率晶體管兩兩串聯(lián)組成一個(gè)橋臂，每一橋臂為步進(jìn)電機(jī)的一相提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。對(duì)一個(gè)周期進(jìn)行256等分，即均分成256個(gè)采樣點(diǎn)，算出各采樣點(diǎn)的值，因?yàn)镈/A轉(zhuǎn)換的輸出電壓幅值在上限參考電壓+5v和下限參考電壓0V之間，將各采樣點(diǎn)的值轉(zhuǎn)化到05V范圍內(nèi)。由于是驅(qū)動(dòng)三相步進(jìn)電機(jī)，把最高細(xì)分?jǐn)?shù)定為120。DAC用電源作為參考電壓，(5V)作為上限參考電壓，(OV)作為下限參考電壓。另外還有細(xì)分步數(shù)選擇信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器的控制部分由單片機(jī)控制器、D/A轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動(dòng)模動(dòng)IR2130電路組成。 本章小結(jié)本章首先詳細(xì)介紹了AT89C51單片機(jī)，然后對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832以及IR2130驅(qū)動(dòng)器等芯片的結(jié)構(gòu)及其功能進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。和是IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電阻，一般可采用10到幾十歐。FAULT:過(guò)流、直通短路、過(guò)壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個(gè)故障保護(hù)的指示信號(hào)。HIN1—HINLIN1—LIN3:逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，低電平有效。它巧妙運(yùn)用了自舉技術(shù)形成懸浮的高壓側(cè)電源，因而只用一路電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路中的六個(gè)功率MOS。另一方面，經(jīng)8腳輸出一低電平信號(hào)，可用于封鎖脈沖或聲光報(bào)警。它可對(duì)同一橋臂上、下兩個(gè)功率MOS器件的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生2us的互鎖延時(shí)時(shí)間。IR2130是雙列直插具有28個(gè)引腳的高性能功率MOS或IGBT驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 34 所示。~OUTA3：動(dòng)態(tài)掃描顯示的輸出口(高4位)。在激發(fā)輸入模式時(shí)，為8位的數(shù)據(jù)輸入。平常IRQ為L(zhǎng)O，在鍵盤模式下，每次讀取FIFO/SENSOR RAM的數(shù)據(jù)時(shí)，IRQ變?yōu)镠I，讀取后轉(zhuǎn)為L(zhǎng)O；在傳感器模式下，只要傳感器一有變化，就會(huì)使IRQ變?yōu)镠I，讀取后轉(zhuǎn)為L(zhǎng)O。RD=0時(shí)，8279輸送數(shù)據(jù)到外部總線。當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，可將命令寫入8279或讀取8279的數(shù)據(jù)。：8279的系統(tǒng)時(shí)鐘，100Hz為最佳選擇。16位字節(jié)顯示存儲(chǔ)器。VREF端與D/A內(nèi)部T形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。 ：模擬電流輸出端1，當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時(shí)，輸出電流最大，當(dāng) DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時(shí)，輸出電流為0。當(dāng)ILE為高電平，片選信號(hào)和寫信號(hào)為低電平時(shí)，輸入寄存器控制信號(hào)為1，這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。在DAC0832中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號(hào)為ILE，第二級(jí)鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào)。能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉(zhuǎn)換。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 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。AT89C51的引腳結(jié)構(gòu)圖如圖 31，現(xiàn)在對(duì)各個(gè)引腳的功能進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹：VCC：供電電壓。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。由XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容，電容容量的大小會(huì)影響震蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，要適當(dāng)選取?？臻e方式停止CPU的工作，但允許定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。，適用于布爾運(yùn)算。因而本系統(tǒng)中選用了40管腳的51單片機(jī)ATMEL89C51作為主控芯片，它的基本特征如下：—51產(chǎn)品兼容，8位CPU。單片機(jī)的種類是很多的，有PIC系列、Philips、Motorola系列、Intel系列8051類單片機(jī)等。單片機(jī)輸入信號(hào)包括步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向控制信號(hào)、脫機(jī)信號(hào)，另外還有細(xì)分步數(shù)選擇信號(hào)。：導(dǎo)彈控制、智能武器裝置、航天飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)。單片機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，大致可分為以下幾個(gè)方面：：電機(jī)控制、工業(yè)機(jī)器人、智能傳感器等。，能針對(duì)性地解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價(jià)格比。第3章 控制芯片及相關(guān)器件簡(jiǎn)介 單片機(jī)的介紹所謂單片機(jī)，全稱是單片微型計(jì)算機(jī)，又稱微控制器。因此，運(yùn)用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)不僅可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高分辨率，更重要的是能使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)均勻，而且還能減少低頻振動(dòng)與共振。假如電機(jī)的相電流為3A，如果使用常規(guī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一步，其繞組內(nèi)的電流將從0突變?yōu)?A或由3A突變到0，相電流的巨大變化，必然會(huì)引起電機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)和噪音。這樣，繞組電流由常規(guī)的矩形波改為階梯波，繞組中的電流經(jīng)過(guò)N個(gè)臺(tái)階上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。在其后的三十多年里，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并在實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)其疊加結(jié)果使電機(jī)繞組兩端的電壓大大超過(guò)電源電壓時(shí)，使驅(qū)動(dòng)器工作條件更為惡化。，這些電勢(shì)的方向和大小將對(duì)繞組電流產(chǎn)生很大的影響。繞組通電時(shí)，電流上升受到限制，因此影響電機(jī)繞組電流的大小。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[1]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一旦接收到來(lái)自控制器的方向信號(hào)和步進(jìn)脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機(jī)通電方式產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組導(dǎo)通或截止信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出步進(jìn)脈沖和方向信號(hào)，每發(fā)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，即步進(jìn)一步。采用12拍通電工作方式時(shí)，=176?！叭唷笔侵溉嗖竭M(jìn)電機(jī)，“單”是指同時(shí)只有一相繞組通電，“六拍”是表示六種通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)，即六次通電狀態(tài)后電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)恢復(fù)到初始的狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，定轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)關(guān)系不變。 繞組通電方式 在步進(jìn)電機(jī)中，定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。可見，在連續(xù)不斷的按A—B—C—A—的順序分別給各相繞組通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)的軸線沿ABC方向不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，且每改變通電狀態(tài)一次時(shí)，轉(zhuǎn)過(guò)的角度為二相磁極軸線間的夾角120176。在A相斷電的同時(shí)，給B相通電，則建立以BB＇為軸線的磁場(chǎng)，如圖 22（2），即磁場(chǎng)沿ABC方向轉(zhuǎn)過(guò)120176。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)一相繞組通電，例如A相繞組通電，B、C二相繞組不通電時(shí)，電機(jī)內(nèi)建立以AA＇為軸線的磁場(chǎng)，如圖 22（1）所示，由于定轉(zhuǎn)子上有齒和槽，所以當(dāng)定轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置不同時(shí)，磁路的磁導(dǎo)也不同，在繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將有一定的穩(wěn)定平衡位置，轉(zhuǎn)子的位置是力求使通電相磁路的磁導(dǎo)為最大。定子繞組是繞置在定子鐵心6個(gè)均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。采用了Intel公司研制的鍵盤、顯示器接口電路芯片8279，該芯片能自動(dòng)完成對(duì)顯示的刷新，同時(shí)還可以對(duì)鍵盤自動(dòng)掃描，識(shí)別閉合鍵的鍵號(hào)，使用非常方便。主要內(nèi)容包括:單片機(jī)控制技術(shù)，由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分、轉(zhuǎn)向等，與系統(tǒng)的硬件以及軟件設(shè)計(jì):，以克服傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)下步進(jìn)電機(jī)低速振動(dòng)、存在共振現(xiàn)象、噪音大、高速轉(zhuǎn)矩小等缺點(diǎn)。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)上，一方面由于采用了斬波恒流控制、SPWM(正弦脈寬調(diào)制)和細(xì)分技術(shù)以及最佳升降頻控制，大大提高了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行快速性和運(yùn)動(dòng)精度，使步進(jìn)電機(jī)在中、小功率范圍內(nèi)向高速精密化領(lǐng)域滲透。但是，由于精密和超精密加工的尖端部分代表著最新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)與航空、軍事、核能等方面聯(lián)系密切，各國(guó)對(duì)這部分技術(shù)是嚴(yán)格保密的。在精度定位研究方面水平最高的是美國(guó)，其LINL國(guó)家試驗(yàn)室、Moore、Vnion Carbide、Pneumo Precision等公司均在精度定位系統(tǒng)研究與開發(fā)方面做出了卓越成效的工作。如：中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所開發(fā)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器系列，其中針對(duì)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分?jǐn)?shù)為10；北京興大豪科技開發(fā)有限公司開發(fā)的用于電腦繡花機(jī)的步進(jìn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器；國(guó)外產(chǎn)品主要有美國(guó)SHAPHON公司生產(chǎn)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器系列，其中SH3F075M反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為40細(xì)分等等。近幾年來(lái)，由于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)在驅(qū)動(dòng)器中獲得了廣泛應(yīng)用。細(xì)分驅(qū)動(dòng)它是將電機(jī)繞組中的電流細(xì)分，由常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能除與電機(jī)自身的性能有關(guān)外，在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器性能的優(yōu)劣。一般不允許在共振頻率下運(yùn)行，從驅(qū)動(dòng)器的方面來(lái)看，使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以有效的克服低頻共振的危害。步進(jìn)電機(jī)在極低頻率下做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)行，即每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。由于步進(jìn)電機(jī)在大多數(shù)情況下采用開環(huán)運(yùn)行的方式，它的主要運(yùn)行性能完全依賴于驅(qū)動(dòng)器、負(fù)載和電機(jī)本身。永磁式、混合式步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下(無(wú)脈沖信號(hào)輸入時(shí))，仍具有勵(lì)磁保持力矩，故即使不靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。步進(jìn)電機(jī)種類可