【正文】 .步進(jìn)電動機(jī)及其控制系統(tǒng) [M].哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2022 [9]余永權(quán) .單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù) [M].北京 :北京航空航天大學(xué)出版社， 2022 [10]陳理壁 .步進(jìn)電機(jī)及其應(yīng)用 [M].上海 :上海科學(xué)技術(shù)出版社， 2022 [11] 王 曉明、 胡曉柏，電動機(jī)的單片機(jī)控制 [M].北京航空航天大學(xué)出版社 ,2022年 5月第 1版： 181208 [12] 劉寶延、 程樹康，步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng) [M] .1997年 11月第一版： 134167 [13] 史敬灼， 步進(jìn)電動機(jī)伺服控制技術(shù) [M] .2022 年 3月第 2版： 2335 [14]劉國永 , 陳杰平 . 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計 . 安徽 : 安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報 , 2022, 16 (4) : 6163. [15]孫笑輝 ,韓曾晉 . 減少感應(yīng)電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動的方法 [J]. 電 氣傳動 , 2022 (1) : 811. 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 附錄 一 22 附錄 一 源程序清單 ： 匯編語言源程序 KEY1 BIT 。這對于我以后的工作和學(xué)習(xí)都有很大的幫助，在此衷心感謝老師的耐心輔導(dǎo)。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 致謝 20 致 謝 本論文是在指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)下完成的。其中整個系統(tǒng)的前期準(zhǔn)備是首先必須做到位的，如控制什么、用什么控制、得到什么結(jié)果，進(jìn)而對各部分應(yīng)選擇具體的芯片作進(jìn)一步的考慮，以使系統(tǒng)得到最優(yōu)的表現(xiàn)。如：利用鍵盤輸入轉(zhuǎn)速值實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，動態(tài)設(shè)置最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速等。 本系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膶嵱霉δ?,兩片單片機(jī)分別實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制和測速，能基本符合實際應(yīng)用需求，本次設(shè)計由于設(shè)計時間較短，個人能力以及精力等因素的限制，加之設(shè)計經(jīng)驗的不足，該系統(tǒng)還有許多不 盡如人意的地方。 軟件設(shè)計主要是通過編寫程序代碼，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 5 結(jié)論 19 5 結(jié) 論 經(jīng)過 指導(dǎo) 老師耐心細(xì)致的指導(dǎo)，經(jīng)過近兩個月的努力，本次畢業(yè)設(shè)計課題步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)告一段落。 運行結(jié)果 連接好硬件電路，上電復(fù)位，程序開始運行。 軟件測試的時候也有些問題，主要有： 1） 軟件去抖方式，和時間的控制。 4） 單片機(jī)應(yīng)用 (電源 )注意事項 :在電源兩端應(yīng)該加一個 47uF以上的電解電容和一個 ，進(jìn)行電源去藕濾波。并以此方法測試步進(jìn)電機(jī)控制程序。此處尤為重要，這是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是確定軟件是否能控制步進(jìn)電機(jī)思路的開端。 在硬件調(diào)試的過程中，遇到了很多問題。 圖 定時器中斷 0服務(wù)程序流程圖 開始 設(shè)置 T0 時間參數(shù) 判斷轉(zhuǎn)動方向控制位的值 有控制位查詢輸出脈沖 退出 改變方向控制變量值 是 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 4 調(diào)試與改進(jìn) 17 4 調(diào)試與改進(jìn) 調(diào)試與改進(jìn) 在系統(tǒng)完成后測試系統(tǒng)，檢查硬件和軟件是否能夠協(xié)調(diào)運行，并對系統(tǒng)出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析，看是否能夠達(dá)到系統(tǒng)創(chuàng)作之初所設(shè)想的效果，如達(dá)不到則重新修改系統(tǒng)的硬 件結(jié)構(gòu)或者修改軟件的程序部分，直到達(dá)到設(shè)計需要為止。最后恢復(fù)現(xiàn)場，返回，等待下次中斷。進(jìn)入中斷程序后，首先要保護(hù)現(xiàn)場，再根據(jù)當(dāng)前值設(shè)置 TH0和 TL0的值。如圖 所示 : 圖 掃描鍵盤字程序流程圖 鍵盤處理子程序流程圖 按鍵處理子程序流程圖如圖 ： 步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂仆ㄟ^啟停定時器 T0來實現(xiàn)，因為定時器 T0控制著脈沖信號的輸出，關(guān) 閉定時器 T0也就阻止了脈沖信號的輸出。延時 10ms后再次掃描 P2口，第二次與初始值比較，若相等則表明前一次比較不相等是由抖動產(chǎn)生；如果相等則表明確實有鍵按下。然后循環(huán)調(diào)用讀鍵盤子程序和鍵盤處理子程序，等待中斷，以便實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動控制。 程序流程圖 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的主程序在對整個系統(tǒng)初始化后主要完成讀鍵盤和處理鍵盤的功能，如圖 所示 : 圖 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程圖 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 2 控制系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計 14 系統(tǒng)上電復(fù)位后，先調(diào)用初始化子程序，對步進(jìn)電機(jī)各端口，相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化，設(shè)置 T0工作方式控制時間常數(shù)。 在本設(shè)計中，主程序采用查詢方式掃描鍵盤端口，檢測按鍵動作是否發(fā)生，若有按鍵動作則處理鍵盤，根據(jù)按鍵值修改相應(yīng)參數(shù)值，實現(xiàn)鍵盤的實時處理功能。這樣就使得與 ULN2022連接的步進(jìn)電機(jī)只有一個引出端導(dǎo)通。 ULN2022芯片高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列產(chǎn)品屬于可控大功率器件。功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力，以 便于驅(qū)動各種類型的負(fù)載。 ULN2022的設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn) TTL系列兼容。廣泛用于計算機(jī)，工業(yè)和消費類產(chǎn)品中。如圖 所示 : 圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 本系統(tǒng)的設(shè)計目的為了高效控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，因此需要將單片機(jī)發(fā)出的脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)角度，才能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，我們在這里采用 ULN2022 為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號。 在本設(shè)計中所采用的是共陰極 LCD 液晶顯示器，這里用四位一體數(shù)碼管SM420361K： 型號： SM420361K12P 類別： 4位一體共陰 規(guī)格：長寬高 管腳標(biāo)號： 12986公共腳、 A1 B C4 D E F G DP3 在本設(shè)計中采用數(shù)碼管動態(tài)顯示轉(zhuǎn)速，數(shù)碼顯示電路通過交替向 輸出 低電平，使得與這兩個端口連接的數(shù)碼管公共端交替為低電平，從而為數(shù)碼管提供導(dǎo)通回路，通過對交替時間的控制實現(xiàn)數(shù)碼管在視覺上的不間斷顯示。當(dāng) RS和 R/W共同為低電 平時可以寫入指令或者顯示地址 ； 當(dāng) RS為高電平 R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 RS： 寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器 ； 低電平時選擇指令寄存器。 這里向大家介紹一款LCD1602液晶顯示模塊，它可以顯示兩行，每行 16個字符，采用單 +5V 電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時 10ms的子程序后在確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了 抖動的影響。消除按鍵抖動通常采用硬件、軟件兩種方法。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。通過對輸出電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認(rèn)按鍵按下與否。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 2 控制系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計 8 一個電壓信號在機(jī)械觸點的斷開、閉合過程中，都會產(chǎn)生抖動，一般為5— 10ms；兩次抖動之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時間由按鍵動作所決定；第一次抖動前和第二次抖動后為斷開狀態(tài)。鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。 6） 電源模塊是通過將市電 220V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?12V和直流 5V分別供給驅(qū)動模塊和單片機(jī)模塊。 5） 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊選用七個 NPN達(dá)林頓連接晶體管 ULN2022 為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。 4） 測速模塊采用開關(guān)霍爾片對安放在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤上的小磁片的磁信號進(jìn)行檢測，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)盤每次帶動小磁片經(jīng)過霍爾片時，其都將有脈沖信號從霍爾片輸出。利用 I/O口為數(shù)碼管的 端提供低電平。并且鍵盤上連接有發(fā)光二極管，以指示鍵盤狀態(tài)。 2） 鍵盤控制模塊包括方向控制鍵、加速鍵和減速鍵、啟停鍵，分別與單片機(jī)的 、 、 和 。復(fù)位電路為單片機(jī)系統(tǒng)提供可靠復(fù)位，使單片機(jī)能正常啟動。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)共分為六個模塊：單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、鍵盤控制模塊、數(shù)碼顯示模塊、測速模塊、步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動模塊和電源模塊。但 RAM 定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。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。 （ 2） 芯片擦除： 整個 PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電 平 10ms 來完成。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2 應(yīng)不接。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 10） P2口（ 2128）：準(zhǔn)雙向 I/0口。 8） P0口（ 3932）：雙向 I/O口。 6） RST/VPD（ 9）：復(fù)位信號輸入端 /備用電源輸入端。 4） PSEN（ 29）：片外 ROM選通信號，低電平有效。 3） XTL1（ 19）和 XTL2（ 18）：振蕩電路。 單片機(jī)的引腳功能 1） VCC（ 40）：電源 +5V。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 2 控制系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計 6 單片機(jī)的選擇 本次設(shè)計選用 AT89C5l 作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片． AT89C51 的結(jié)構(gòu)簡單并 可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上．使用方便等優(yōu)點，而且完全兼容 MCS5l系列單片機(jī)的所有功能。 按要求，最低轉(zhuǎn)速為 20 轉(zhuǎn) /分，而上述步進(jìn)電機(jī)的步距角為 ，即每 48 個脈沖為 1 周，即在最低轉(zhuǎn)速時，要求為 960脈沖 /分，相當(dāng)于 。這里以定時的方式來實現(xiàn)。如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度只要改變兩次接通之間的時間。 不難設(shè)計出控制電路，因其工作電壓為 12V，因此用一塊開路輸出達(dá)林頓驅(qū)動器（這里用 ULN2022，關(guān)于 ULN2022將在后面介紹）作為驅(qū)動，通過 、 來控制各線圈的接通與切斷。要使用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，只要輪流給各引出端通電即可。 永磁步進(jìn)電機(jī)的控制原理 在本設(shè)計以常用的永磁式步進(jìn)電機(jī)為例，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 度而五相步 進(jìn)角一般為 度。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 步進(jìn)電機(jī)的分類 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（ PM）、混合式步進(jìn)電機(jī) （ HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 步進(jìn)電動機(jī) 以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。 9） 步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù) 載采取相應(yīng)的措施。 7） 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 4） 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 8090度完全正常。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 2 控制系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計 4 步進(jìn)電機(jī)的特點 1） 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%，角位移與輸入脈 沖數(shù)嚴(yán)格成正比，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。 2） 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其基本原理作用如下： 1） 控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來 進(jìn)行控制的 。由于步進(jìn)電動機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。多相步進(jìn)電動機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。總體設(shè)計框圖如圖 所示 : 圖 總體設(shè)計框圖 AT89C51 鍵盤控制模塊 電機(jī)驅(qū)動模塊 液晶顯示模塊 電源模塊 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 2 控制系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計 3 2