【正文】 步距角選擇范圍大，可在幾十角分至 180O 大范圍內(nèi)選擇。電機的運行角度只和每次所給予的脈沖信號強度有關(guān)，而電機的運行速度也只和脈沖信號的頻率有直接關(guān)系。 第五章為系統(tǒng)軟件設(shè)計 . 10 第 2 章 步進電機概述 步進電機指的是以數(shù)字脈沖信號作為電機線或教位移的控制信號，并以數(shù)字脈沖頻率對電機的轉(zhuǎn)速進行控制的動力控制系統(tǒng)。接著介紹了本論文要設(shè)計的控制系統(tǒng)的功能特點，及要實現(xiàn)的操作方式。 第二章步進電機的概述，闡述步進電機的特點、分類和工作原理，為后面的硬件、軟件設(shè)計提供必須的理論基礎(chǔ)。接著用較大的篇幅介紹了步進電機的特點、分類和工作原理，然后分別闡述了所要設(shè)計的系統(tǒng)的功能和操作、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計。 本課題研究的意義是了解單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成，學習單片工作原理及其內(nèi)部工作狀態(tài)，并熟悉不同時刻，單片機輸入輸出情況；了解步進電機的分類和用途，掌握步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理，并學習使用單片機簡單控制步進電機的正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及簡單了解國內(nèi)外步進電機的發(fā)展狀況。 以上這些優(yōu)點，尤其是在性能上的優(yōu)點，并不是一個量的變化，而是質(zhì)的飛躍。 提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩 尤其是對三相反應式電機，其力矩比不細分時提高約 3040% 。 [10] 8 細分功能完全是由驅(qū)動器靠精確控制電機的相電流所產(chǎn)生的，與電機無關(guān)。 ；而用細分驅(qū)動器工作在 10 細分狀態(tài)時，電機只轉(zhuǎn)動了 176。 細分驅(qū)動器工作在 20細分狀態(tài) 176。 176。 /176。 細分驅(qū)動器工作在 5 細分狀態(tài) 176。 176。 /176。 、整步 工作時為 176。/176。 細分驅(qū)動 要了解 步進電機驅(qū)動器的 “ 細分 ” ，先要弄清 步進電機 “ 步距角 ” 這個概念：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。這樣基本上能解決振蕩問題，但仍然存在一些問題。但由于斬波頻率是可變的，會使繞組激起很高的浪涌電壓，因而對控制電路產(chǎn)生很大的干擾，容易產(chǎn)生振蕩，可靠性大大降低。 [7] 自激式恒電流斬波驅(qū)動 圖 16 自激式恒電流斬波驅(qū)動框圖 把步進電機繞組電流值轉(zhuǎn)化為一定比例的電壓，與 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的預設(shè)值進行比較，控制功率管的開關(guān)，從而達到控制繞組相電流的目的。高低壓驅(qū)動可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導通時間不變，在低頻時，繞組獲得了過多的能量，容易引起振蕩。 6 圖 15 高低壓驅(qū)動原理 如圖 15 所示， Th、 T1 分別為高壓管和低壓管， Vh、 V1 分別為高低壓電源，Ih、 I1 分別為高低端的脈沖信號。但是由于串入電阻后，功耗加大，整個功率驅(qū)動電路的效率較低，僅適合于驅(qū)動小功率步進電機。 為使通電時繞組電流迅速達到預設(shè)電流，串入電阻 Rc；為防止關(guān)斷 T 時繞組電流變化率太大，而產(chǎn)生很大的反電勢將 T 擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個二極管D 和電阻 Rd，為繞組電流提供一個泄放回路，也稱“續(xù)流回路”。當輸入信號 In 為高電平時，提供足夠大的基極電流使三極管 T 處于飽和狀態(tài)，若忽略其飽和壓降，則電源電壓全部作用在電機繞組上。 單電壓驅(qū)動 5 圖 14 單電壓驅(qū)動原理圖 單電壓驅(qū)動是指在電機繞組工作過程中，只用一個方向電壓對繞組供電。 步進電機驅(qū)動方式分類及比較 步進電機驅(qū)動方法的分類主要有恒電壓驅(qū)動方式（單電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動）、恒電流斬波驅(qū)動方式（自激式恒電斬波驅(qū)動、它 激式恒電流斬波驅(qū)動）和細分驅(qū)動方式。 70 年代末形成了以定子6 個極、轉(zhuǎn)子 40 齒的三相磁阻式電動機為主，另外還有定子 10 個極、轉(zhuǎn)子 100齒的五相磁阻式電動機等共存的步進電機應用局面。 70 年代我國研制快走絲數(shù)控線切割機、數(shù)控機床等數(shù)控設(shè)備的需求對步進電機的發(fā)展起了很大的促進作用。 [4] 在我國，步進電動機的研究始于 1958 年，當時只有清華大學，華中理工大學等少數(shù)高等院校在從事這項工作?；旌鲜讲竭M電機則具備了反應式步進電機和永磁式步進電機的優(yōu)點，成為工業(yè)自動化等性能要求較高應用場合的主流，它剛開始和反應式步進電機一同發(fā)展起來，后來逐步用于替代反應式步進電機。在日本和西方等發(fā)達國家早期都是研制和應用磁阻式步進電機，但是由于固有的能量利用率低、振動和噪音大等缺點逐步被淘汰掉，目前在國外幾乎沒有了僅僅在某些場合例如在溫度很高的核反應堆中或者需要電動機的不通電的情況下定位力矩為零的時候才使用 。 國內(nèi)外發(fā)展情況 步進電機問世以后很快就確定了開環(huán)高分辨率數(shù)控定位系統(tǒng)的應用領(lǐng)域，在工業(yè)上的應用發(fā)展至今己有幾十年的歷史，還沒有找到更合適的替代產(chǎn)品，而且已經(jīng)成為除了交直流電機外的第三大類電機。 單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。 本方案有以下優(yōu)點 單片機軟件編程可以使復雜的控 制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響 。由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。 圖 12 基于PLC 控制 步進 電機系統(tǒng)圖 基于 單片機控制手段 單片機在工業(yè)控制中以其高速、精準、成本低廉的特性得到了廣大工程設(shè)計者的青睞，近幾年，以單片機作為控制核心的工業(yè)控制系統(tǒng)不斷被開發(fā)和應用在工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域中，而以單片機作為核心的步進電機生產(chǎn)運行系統(tǒng)也成為了時下比較熱門的研究課題。 [2] 采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用 PLC 中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器，降低硬件成本。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復雜些，但可以節(jié)省 PLC 資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。 PLC 控制的步進電機可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分浙江工業(yè)大學碩士學位論文配器。通過 PLC 編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，進而控制伺服機構(gòu)的進給速度。步進電機控制系統(tǒng)有 PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成。 PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。 該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計，因此靈活性不高。采用閉環(huán)控制，即能實現(xiàn)高精度細分，實現(xiàn)無級調(diào)速。 [1] 此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。此種控制電路設(shè)計簡單，功能強大，可實現(xiàn)一般步進電機的細分任務(wù)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動電路。近年來，控制技術(shù)、計算機技術(shù)及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，有力地推動了步進電機控制技術(shù)的進步，提高了步進電機運動控制裝置的應用水平。 關(guān)鍵詞 :步進電機 單片機 看門狗 驅(qū)動技術(shù) II ABSTRACT Stepping motor is a kind of controlled by electrical pulse signal phase winding current to achieve fixed angle rotating electromechanical ponents, pared with other types of motor control w ith easytoopenloop precision, no accumulation of error of the advantages, has been w idely used in many fields. In order to obtain good control performance results, there has been a lot of stepping motor control system, w hich adopts singlechip as the control of the control system has been widely applied. A lot of this control system has been in the drive of step motor is very good, such as subdivision driving technology, but some of the system is more plex, and some relatively simple control process do not coincide, investment is not the econo my。 因此本文的研究內(nèi)容就是設(shè)計一套硬件系統(tǒng)較簡單、 經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應性強，操作方便，可靠性高的，能夠有機地把電子技術(shù)、單片機技術(shù)、電機的控制技術(shù)結(jié)合起來步進電機控制系統(tǒng)。很多這種控制系統(tǒng)在步進電機的驅(qū)動上已經(jīng)做的非常好，比如細分驅(qū)動技術(shù)，但是有的系統(tǒng)比較復雜，和一些相對比較簡單的控制過程不相吻合，投入上也不經(jīng)濟 。I 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要 步進電機是一種通過電脈沖信號控制相繞組電流實現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動的機電元件，與其他類型電機相比具有易于開環(huán)精確控制、無積累誤差等優(yōu)點，在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應用。為了得到性能優(yōu)良的控制結(jié)果，出現(xiàn)了很多步進電機控制系統(tǒng)，其中采用單片機作為控制核心的控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用。有的系統(tǒng)在操作上不是很方便，交互性不強。本文首先簡要描述了步進電機的發(fā)展、應用情況、以及常見的控制系統(tǒng)采用的方案，常見的驅(qū)動技術(shù)，而且還分析了步進電機的工作原理，然后以單片機為主控制器提出了整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案，在此基礎(chǔ)上對各個模塊的電路進行詳細的設(shè)計，接著闡述了步進電機軟件控制開發(fā)的流程。 so me systems in the operation is not very convenient, do not have a strong interaction. So the research contents of this thesis is to design a set of hardware system is simple, economic, but the function is plete, strong adaptability, convenient operation, high reliability, can anically integrate electronic technology, single chip technology, motor control technology of stepping motor control syste m. This paper briefly describes the development of the scheme, the stepper motor applications, as well as the mon control system, driving te chnology is mon, but also analyzed the working principle of stepping motor, and then by the microcontroller. The hardware design scheme of the system, detailed design on the basis of each module the circuit, then expounds the stepping motor control soft ware development process. Keywords: stepper motor microcontroller watchdog driver technology III 目 錄 摘 要 .................................................................................................... I ABSTRAC............................................................................................. II 第 1 章 緒論 ..........................................................................................1 前言 ......................................................................................... 1 基于電子電路控制手段 ..........................................