【正文】 某 公司出產(chǎn)的兩相六線混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其型號(hào)為 KP39HM2025。 單片機(jī)與鍵盤接口電路如圖 25 所示。 另外在本設(shè)計(jì)中我們使用 PORTD 作為單片機(jī)與液晶的數(shù)據(jù)接口。模塊的數(shù)據(jù)線可與單片機(jī)數(shù)據(jù)線直接相連 。通常在繞組回路中串入電阻 Rs，使繞組回路的時(shí)間常數(shù)減小。 R 和 VD 構(gòu)成了相繞組關(guān)斷時(shí)的續(xù)流電路 [13]。圖 23 為單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路 的原理圖（只畫出其中一相）。其中兩根紅色導(dǎo)線為公共端，接 12V 穩(wěn)壓電源，黃色、橙色、黑色、棕色導(dǎo)線依次為電動(dòng)機(jī) A 相、 A 非相、 B 相、 B 非 相 。步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)將 PIC16F877 單片機(jī)的 PORTA 端口的 RARA RA RA5， 4 個(gè)引腳輸出的具有時(shí)序的高低電平作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，用于作用在作為開關(guān)的三極管基極以導(dǎo)通三極管，使直流電壓源能直接向步進(jìn)電機(jī)供電。 圖 22 控制系統(tǒng)總體電路圖 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 14 （二）單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)接口驅(qū)動(dòng)電路 本控制系統(tǒng)采用 PIC16F877 單片機(jī)產(chǎn)生脈沖控制信號(hào)。 由于本設(shè)計(jì)所要控制的步進(jìn)電機(jī)功率較小， 步距角也相對(duì)較小，所要求實(shí)現(xiàn)的控制精度要求也不是很高，因此 采用單極性驅(qū)動(dòng)電路并且 省略了細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，硬件電路相基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 13 對(duì)來說比較簡(jiǎn)單。 1 * 4 鍵 盤L C D顯 示 屏P I C單 片機(jī)控 制 驅(qū)動(dòng) 電 路步 進(jìn)電 機(jī)直 流 電 壓 源負(fù) 載 圖 21 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 二、控制系統(tǒng)的硬件電路 （一）控制系統(tǒng)總體電路 本控制系統(tǒng)硬件總體電路以單片機(jī)作為系統(tǒng)核心，主要由 PIC16F877 單片機(jī)及單片機(jī)工作外圍電路、步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路、 LCD 顯示屏接口電路、鍵盤輸入電路等組成。 由于本控制系統(tǒng)所控制的電機(jī)類型為兩相六線混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) ，因此 系統(tǒng)由PIC16F877 單片機(jī)的 PORTA 端口產(chǎn)生 A 和 A、 B 和 B 兩相信號(hào) 。 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 12 第二章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 一、控制系統(tǒng)總體概述 本控制系統(tǒng)采用 PIC16F877 單片機(jī) 作為控制核心，通過鍵盤輸入指令， 產(chǎn)生各種控制信號(hào)， 實(shí)現(xiàn) 步進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn)速和 轉(zhuǎn)向 的 控制， 并可通過 LCD 顯示 系統(tǒng) 的 運(yùn)行狀態(tài) 。 該模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖 18 所示 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 11 圖 18 TMR0 結(jié)構(gòu)框圖 [12] 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR0 主 要設(shè)計(jì)有 4 個(gè)寄存器，它們分別是定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR0，選項(xiàng)寄存器 OPTION_REG，中斷控制寄存器 INTCON，方向寄存器 TRISA。另外， TMR0 帶有一個(gè) 可編程預(yù)分頻器，可達(dá)到定時(shí) /計(jì)數(shù)的擴(kuò)展效果。 TMR0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)功能主要是基于一個(gè) 8 位累加定時(shí) /計(jì)數(shù)寄存器 TMR0，采用時(shí)鐘信號(hào)的上升沿，下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)方式。本控制系統(tǒng)主要利用 TMR0 的定時(shí)功能為 步進(jìn)電機(jī)合理分配脈沖寬度以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。該時(shí)鐘可以是單片機(jī)本身的工作時(shí)鐘，即使用內(nèi)部時(shí)鐘，稱之為定時(shí)器；也可以使用外部引腳輸入的時(shí)鐘，即使用外部的時(shí)鐘輸入來累計(jì)，稱之為計(jì)數(shù)器。因此對(duì)一個(gè)端口進(jìn)行寫入操作意味著總是光讀取端口的引腳電平，在修改這個(gè)值，然 后再寫入端口的數(shù)據(jù)鎖存器 [12]。讀 PORT 寄存器是讀取引腳上的電平狀態(tài)，而寫 PORT 寄存器是將數(shù)據(jù)寫入端口的數(shù)據(jù)寄存器。一般來說，當(dāng)相應(yīng)的外設(shè)使能時(shí)，其對(duì)應(yīng)的引腳不能作為通用 I/O 引腳使用。 通用 I/O 引腳可以看作是最簡(jiǎn)單的外設(shè)， PIC 單片機(jī)通過 I/O 端口監(jiān)視和控制其它設(shè)備，為了增強(qiáng)器件的靈活性和功能，一些引腳被定義為多功能復(fù)用引腳 。 2． 輸入 /輸出端口模塊 PIC16F877 單片機(jī)具有豐富的接口資源，共設(shè)置有 5 個(gè)輸入輸出端口，分別為 RA（ 6 位）、 RB（ 8 位）、 RC（ 8 位）、 RD（ 8 位）、 RE（ 3 位），合計(jì)共有 33 個(gè)引腳。 本設(shè)計(jì)沒有用到該類型單片機(jī)的專用功能模塊，在此將不再贅述。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 9 （二） PIC16F877 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 1． PIC16F877 單片機(jī)的基本功能模塊 首先對(duì) PIC16F877 單片機(jī)的基本功能區(qū)域所包含的主要部件及其功能進(jìn)行介紹，以便對(duì)其基本功能硬件有一個(gè)概要的認(rèn)識(shí)。 PIC16F87X 系列單片機(jī)是 Microchip 公司于 1998 年年底推出的新產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試和在線編程。 四、 PIC 單片機(jī) （一） PIC 系列單片機(jī)的特點(diǎn) 美國(guó) Microchip 公司的 PIC 系列單片機(jī)主要有以下特點(diǎn)：（ 1）哈佛總線結(jié)構(gòu)；（ 2）指令單字節(jié)化；（ 3）尋址方式簡(jiǎn)單；（ 4）精簡(jiǎn)指令集（ RISC）技術(shù)；（ 5）代碼壓縮率高；（ 6）運(yùn)行速度高；（ 7）功耗低；（ 8）驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，達(dá)到 20mA 的電流驅(qū)動(dòng)能力；（ 9）自帶硬件看門狗電路；（ 10）外接電路簡(jiǎn)單；（ 11）開發(fā)方便。 內(nèi)置 2M位中文字型 ROM 總 共提供 8192 個(gè)中文字型（ 16x16 點(diǎn)陣）， 16K位半寬字型 ROM（ CGROM）總共提供 126個(gè)符號(hào)字型（ 16x8 點(diǎn)陣）， 64x16 位字型產(chǎn)生 RAM（ CGRAM），另外繪圖顯示 畫面提供一個(gè) 64x256 點(diǎn)的繪圖區(qū)域 GDRAM，可以和文字畫面混合顯示。提供三種控制接口，分別是 8 位微處理器接口，四位微處理器接口及串行接口。 OCMJ48C 液晶顯示模塊是肇慶金鵬電子有限公司 開發(fā)制造的 C 系列中文顯示模塊中的一種。本系統(tǒng)采用的液晶顯示模塊作為人機(jī)交基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 8 互的接口體現(xiàn)了數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)， 能夠根據(jù)用戶的需求對(duì) 步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài) 的參數(shù) 進(jìn)行 設(shè)置 [8][9]。根據(jù) 液晶 顯示器件結(jié)構(gòu)的不同， 液晶 顯示 模塊可以分為段式和點(diǎn)陣式兩種。自上個(gè)世紀(jì)七十年代初，液晶開始作為一種顯示媒體使用以來，液晶顯示器件 LCD 以其具有體積小，重量輕，超薄型，工作電壓低，功耗低，顯示信息量大，壽命長(zhǎng)，不產(chǎn)生電磁輻射污染，可以顯示復(fù)雜的文字 ，圖形，表格及曲線等優(yōu)點(diǎn)，在儀表設(shè)備中作為顯示終端和人機(jī)接口，而被廣泛在各種儀器儀表，電子設(shè)備，移動(dòng)通訊及家用電器中 [8]。 f bf at / s 圖 16 指數(shù)曲線控制 [7] 由于本次設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)為混合是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，且輸出功率較小，多用于對(duì)控制精度 要求相對(duì) 不高的場(chǎng)合，因此采用勻加減速控制方法來實(shí)現(xiàn) 控制系統(tǒng) 運(yùn)行過程中的加減速。將離散所得的 轉(zhuǎn)速序列所對(duì)應(yīng)的定時(shí)常數(shù)序列，做成表格儲(chǔ)存在程序控制器中。因此基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 7 采用指數(shù)曲線控制法是最好的選擇 [7]。 f bf a? f? tt / s 圖 15 勻加減速控制 [7] 指數(shù)曲線控制是指在加速或減速時(shí)步進(jìn)電機(jī)的速度 呈指數(shù)曲線變化 。 勻加減速控制是指加速度保持不變，速度以線性規(guī)律上升或下降，如圖 15 所示。在停止時(shí)也應(yīng)該有一個(gè)減速過程，而不能突然停止，否則會(huì)出現(xiàn)超程現(xiàn)象 ，因此步進(jìn)電機(jī)需要加速啟動(dòng)和減速停止 [7]。 若脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，會(huì)發(fā)生失步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象 。繞組中的電流越大，阻尼作用就越大，這有利于步進(jìn)電機(jī)在低頻區(qū)工作 [4]。 雙四拍方式還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是不易產(chǎn)生失步。 該步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)的正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)?AB→ A(B)→ (A)(B)→ (A)B→A B… ；反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳B→ (A)B→ (A)( B)→ A(B)→A B… 。當(dāng)然，由于采用永磁體，轉(zhuǎn)子鐵心需分成兩段，結(jié)構(gòu)和工藝都比反應(yīng)式要復(fù)雜一些 [6]。當(dāng)定子各相繞組按順序通以直流脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子每次將轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它的定子鐵心與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相同，即分為若干大極，每個(gè)大極上有小齒及控制繞組；定子控制繞組與永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相同，也是兩相集中繞組，每相繞組有兩對(duì)極，按 A→B→ （ A） → （ B） →A…的順序輪流通以正負(fù)脈沖；轉(zhuǎn)子中間為環(huán)形軸向磁化的永磁體，磁體兩端各套有一段開基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 5 有齒槽的鐵心，兩段齒心錯(cuò)開半個(gè)齒距，且轉(zhuǎn)子齒距與定 子小齒的齒距相等。無論采用何種控制方式，在一個(gè)通電循環(huán)內(nèi)步進(jìn)單機(jī)轉(zhuǎn)角恒為一步距角，可以通過改變步進(jìn)電機(jī)通電循環(huán)次序來改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，通過改變通電頻率來改變其角頻率 [1]。若改變通電順序?yàn)?A→ C→ B→ A，則電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，這種控制方式成為三相單三拍。若換成 B 相通電，則電磁力使 B 相定、轉(zhuǎn)子小齒轉(zhuǎn) 過，而與 B 相相鄰的 C 相和 A 相的定、轉(zhuǎn)子小齒又錯(cuò)開，即步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。 下面以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，起典型結(jié)構(gòu)如圖 12 所示。 1定子 2轉(zhuǎn)子 3定子繞組 圖 11 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) [6] 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 4 2． 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 如果給處于錯(cuò)齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大的位置轉(zhuǎn)動(dòng)，即向趨于對(duì)齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來自于電磁力，在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)行 推動(dòng)到最大磁導(dǎo)率的位置即對(duì)齒的位置，并處于平衡狀態(tài)。每對(duì)磁極都纏有同一繞組，也即形成一相 。定子由硅鋼片疊成。 二、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 的結(jié)構(gòu)及工作原理 （一） 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 1． 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖 11 是一個(gè)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。 5． 運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，控制脈沖頻率連續(xù)上升而維持不失步的最高頻率，稱為運(yùn)行頻率 。負(fù)載啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩即慣量的大小有關(guān)。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的變化而變化 [5]。 3． 電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩 保持轉(zhuǎn)矩 指電機(jī)各相繞組通 額定電流，且處于靜態(tài)鎖定狀態(tài)時(shí)，電機(jī)所能輸出的 最基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 3 大轉(zhuǎn)矩 。/176。/176。/176。 2． 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù) 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相，三相，四相，五相步進(jìn)電機(jī)。），即電機(jī)固有步距角。（表示半步工作時(shí)為 176。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步 距角的值，如本設(shè)計(jì)所選用的 KP39HM2025 型電機(jī)給出的值為 176。這種步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最為廣泛，也是本控制系統(tǒng)所選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī) [4]。 3． 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好 。轉(zhuǎn)子的級(jí)數(shù)與定子的級(jí)數(shù)相同，所以步距角較大 ，一般為 度或 15 度 。 2． 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身 就是一個(gè)磁源。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 2 第一章 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理 一、 步進(jìn)電機(jī)的分類 和主要性能指標(biāo) （ 一 ） 步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電機(jī)可分為 3 大類 1． 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是有軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組，定子上有多相勵(lì)磁繞組。 基于 PIC 單片機(jī)的上述特點(diǎn)， 本設(shè)計(jì)采用 PIC16F877 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心 ，具體介紹了一個(gè)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，既包括硬件設(shè)計(jì)，也有具體的軟件實(shí)現(xiàn)。 PIC 系列 8 位單片機(jī)是美國(guó) Microchip Technology 公司推出的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ RISC）結(jié)構(gòu)的嵌入式控制器，其硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)練。尤其在一些智能化要求較高的場(chǎng)合，用模擬芯片及信號(hào)發(fā)生器來控制步進(jìn)電機(jī)有一定的局限 [2]。它的運(yùn)行速度和步距 不受電源電壓波動(dòng)和負(fù)載的影響，而且由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，性能上能滿足工業(yè)控制的基本要求，在簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床，數(shù)字繪圖儀，點(diǎn)陣打印機(jī)，家用電器等大量角度、速度、位移控制系統(tǒng)中，得到了極其廣泛的應(yīng)用 [1]。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，具有快速啟動(dòng)和停止的特點(diǎn)。用 LCD顯示屏對(duì)步進(jìn)電機(jī)的預(yù)設(shè)工作狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，直觀、明了。用軟件代替脈沖分配器，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。而利用單片機(jī)進(jìn)行脈沖控制，控制精度高，外圍電路 也比較簡(jiǎn)單，因此在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器應(yīng)用廣泛。但是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)往往還是由專門的模擬芯片控制器或者信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，缺乏靈活性和可靠性。 山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院畢業(yè)論文 論文題目： 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 年 級(jí)： 2022 專 業(yè)： 機(jī)電一體化 姓 名： 宋啟明 學(xué) 號(hào)： 0942120220 指導(dǎo)教師：