【正文】 大，所以單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都需要專門(mén)的接口電路及驅(qū)動(dòng)電路。 (5) 電動(dòng)機(jī)繞組中有電感電動(dòng)勢(shì)、互感電動(dòng)勢(shì)、旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)。 (4) 電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在各相繞 組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，這些電動(dòng)勢(shì)的大小和方向?qū)?duì)繞組電流產(chǎn)生很大的影響。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。繞組通電時(shí)電流上升率受到限制，因而影響電動(dòng)機(jī)繞組電流的大小。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與一般 電氣 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的不同 點(diǎn) 主要有： (1) 各相繞組都是 工作在 開(kāi)關(guān) 狀態(tài) ，多數(shù) 電動(dòng)機(jī)的繞組都是連續(xù)的交流或者直流，而步進(jìn)電機(jī)的各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是離散的。對(duì)于小功率的步進(jìn)電機(jī)，可用中小功率晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，晶體管具有放大倍數(shù)大、線路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，用于驅(qū)動(dòng)小功率的步進(jìn)電機(jī)（繞組電流在數(shù)百毫安）。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該既要保證繞組有足夠的電壓 電流，同時(shí)又要保證驅(qū)動(dòng)級(jí)功率器件的安全運(yùn)行，另外還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗 和 較低的成本。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)不能直接接 到交、直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備 — 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 (2) 續(xù)流串聯(lián)電阻 的大小因需要保護(hù)功放管的安全而受到限制。 Rs 的最大值取決于集 — 射極間的擊穿電壓 Ucer。在低速時(shí)，斷電相電流衰減緩慢是允許的 ，但高速時(shí)，就會(huì)影響步進(jìn)電機(jī)的控制性能 。當(dāng)繞組斷電時(shí)，繞組電勢(shì)極性反向，二極管處于正向?qū)ǖ臓顟B(tài)，為電流提供一個(gè)續(xù)流回路，二極管把功放管的集射極電壓鉗位到電源電壓 +U。 圖 一相勵(lì)磁電路 二極管續(xù)流 抑制電勢(shì)的最簡(jiǎn)單的形式是用二極管跨接 步進(jìn)電機(jī)繞組的兩端，如圖 所示。這個(gè)電感電動(dòng)勢(shì)必須控制在晶體管安全運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。晶體管上的管壓降將隨 Ldi/dt 正比的增加，這個(gè)峰值電壓的大小可能會(huì)超過(guò)一個(gè)晶體管的最大耐壓 U，造成晶體管損壞。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為鎖定狀態(tài)時(shí)，忽略 T 管的壓降，則繞組的電流為 U/R。 如圖 所示 為一相勵(lì)磁時(shí)的 等效 電路。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 12 表 四相步進(jìn)電機(jī) 八拍工作方式 存儲(chǔ)狀態(tài)表 地址 內(nèi)容 D C B A 勵(lì)磁狀態(tài) 00H 01H 0001 A 01H 03H 0011 AB 02H 02H 0010 B 03H 06H 0110 BC 04H 04H 0100 C 05H 0CH 1100 CD 06H 08H 1000 D 07H 09H 1001 DA 08H 01H 0001 A 續(xù)流電路 步進(jìn)電機(jī)的控制性能，與各相繞組 導(dǎo)通和截止時(shí)電流的增加和衰減 速度有關(guān)，對(duì)于加速度 大 、或者運(yùn)行速度高的步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)換速度增加時(shí)，由于繞組電感的作用，電流經(jīng)常不能立即升到額定值，同樣在繞組斷電時(shí)，電流也不能立即衰減到零。 因此本文 選擇步進(jìn)電機(jī)八拍的工作方式。 四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。 74LS191 數(shù)據(jù)輸入端 A、 B、 C、 D 各管腳接地， 11 腳是置數(shù)端，當(dāng)它為高電平時(shí) 74LS191 為計(jì)數(shù)狀態(tài)，當(dāng)它為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，把數(shù)據(jù)端的內(nèi)容（ ABCD）裝入計(jì)數(shù)器。 74LS191 第五腳為加減法輸入控制端，該輸入端作為方向輸入的控制信號(hào)，當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)做加法計(jì)數(shù)，為正轉(zhuǎn)狀態(tài)。 軟件方法 的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是占用 CPU 時(shí)間較多，降低 系統(tǒng)的響應(yīng) 速度 。對(duì)于不同的步進(jìn)電機(jī)及不同的勵(lì)磁方式，只需改變存儲(chǔ)的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。實(shí)際上，使用 RPROM 設(shè)計(jì) 的 環(huán)形脈沖器是一種軟 硬 件結(jié)合的技術(shù)，通過(guò)軟件的編程可以實(shí)現(xiàn)不同勵(lì)磁方式的輸出。因此即使有非法的地址輸入，輸出端輸出的都是截止的信號(hào)，可以保護(hù)驅(qū)動(dòng)器不受損壞。驅(qū)動(dòng)電路輸入非法狀態(tài)可能 會(huì) 損壞驅(qū)動(dòng)電路。 一種線路可以實(shí)現(xiàn)多種勵(lì)磁狀態(tài)方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲(chǔ)不同的狀態(tài)表，除軟件工作之外，硬件無(wú)需改動(dòng)。由可逆循環(huán)計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)器兩部分組成，計(jì)數(shù)器可以用現(xiàn)有的器件實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)長(zhǎng)度可以用簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現(xiàn)。如果計(jì)數(shù)器做加計(jì)數(shù)，則存儲(chǔ)器按地址遞增的方向依次讀取狀態(tài)表的內(nèi)容，相反，計(jì)數(shù)器做減計(jì)數(shù)，則存儲(chǔ)器按地址遞減方向依次取出狀態(tài)表的內(nèi)容，從而控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長(zhǎng)度應(yīng)等于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一個(gè)周期的拍數(shù)或拍數(shù)的整 數(shù)倍，計(jì)數(shù)器的輸出端接到 EPROM 的地址線上，并且使 EPROM 總是處于讀出的狀態(tài)，這樣計(jì)數(shù)器的每個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器的一個(gè)地址，存儲(chǔ)器的輸出端就對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的一種勵(lì)磁狀態(tài)。其基本思想是：首先確定步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，再以二進(jìn)制碼的形式存入 EPROM 存儲(chǔ)器中，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址的內(nèi)容，那么存儲(chǔ)器輸出的就是各相繞組的勵(lì)磁狀態(tài)，用 EPROM搭建的環(huán)形脈沖分配器的原理框圖如圖 所示，它由兩部分組成。 EPROM 存儲(chǔ)器是一種紫外線擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器的內(nèi)容可內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 9 以由使用者自己編程，且可以用紫外線照射后重新使用。 步進(jìn)電機(jī)按類型、相數(shù)來(lái)劃分種類繁多，不同種類、不同相數(shù)、不同分配方式都必須有不同的環(huán)形脈沖分配器，因此所需要的環(huán)形脈沖分配器的 類型 是很多的?？刂泼}沖信號(hào)的有無(wú)就能控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行和停止，脈沖信號(hào)的頻率決定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，方向電平控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。 在 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，控制器與驅(qū)動(dòng)器之間連接方式 可 分為串行控制和并行控制。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)有正反轉(zhuǎn)的要求，所以環(huán)形脈沖分配器的輸出既有周期 性又有可逆性。 環(huán)形脈沖分配器 要使步進(jìn)電機(jī)正常工作，必須按照該種步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表所規(guī)定的狀態(tài)和次序依次對(duì)各相繞組進(jìn)行通電和斷電控制。 步距角θ s 可由 式 (11)求得 【 3】 θ s=360176。通電相數(shù)不同 也 會(huì)帶來(lái)不同的工作性能。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 7 (a) A 相通電 (b) AB 相通電 (c) B 相通電 (d) BC 相通電 圖 三相六拍通電方式 通過(guò)分析可知一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)可以有不同的通電方式， 即 可以有不同的拍數(shù) 。 ，恰好為三相 單 拍或 雙三拍通電方式的一半。 角，即轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行了一步，相應(yīng)的角度為 15176。 。例如由 AB 相通電變?yōu)?BC 相通電 時(shí) ， B 相保持繼續(xù)通電狀態(tài)， C 相磁極力圖使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而 B 相磁極卻起阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以 步進(jìn) 電機(jī)工作比較平穩(wěn)，三相單三拍運(yùn)行時(shí)，由于沒(méi)有這種阻尼用，所以轉(zhuǎn)子到達(dá)新的平衡位置后會(huì)產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性能遠(yuǎn)不如雙三拍運(yùn)行方式。 圖 (a) 為 AB 相同時(shí)通電的情況， 圖 (b) 為 BC 相通電的情況，可見(jiàn)轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 30176。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 5 (a) A 相通電 (b) B 相通電 (c) C 相通電 圖 轉(zhuǎn)子為四 極 的三相步進(jìn)電機(jī) 三相雙三拍通電方式 如 果 將 步進(jìn) 電 機(jī) 的 控 制 繞 組 的 通 電 方 式 改 為 ： ABBCCAAB 或ACCBBCCA。 即每步轉(zhuǎn)過(guò) 的 步距角 為 30176。 ，穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子齒 4 對(duì)準(zhǔn) B 相磁極軸線的位置，當(dāng) C 相通電時(shí)如圖 (c)所示，轉(zhuǎn)子又將逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng) 30176。 （ a） A 相通電 （ b） B 相通電 （ c） C 相通電 圖 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理 如果 將上圖的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子制成四極（或稱為四個(gè)齒）結(jié)構(gòu)，如圖 所示，則按三相單三拍運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的步距角也將發(fā)生變化。如果改變?nèi)鄡?nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 4 繞組的通電順序?yàn)?ACBA 顯然 步進(jìn) 電機(jī)將按逆時(shí)針 方向 轉(zhuǎn)動(dòng)。 ，達(dá)到轉(zhuǎn)子軸線和 B 相磁 極軸 線 相重合的位置，即轉(zhuǎn)子走過(guò)一步，然后 B 相電源斷開(kāi)，同時(shí)接通 C 相如圖 (c) 所示，同理將 使 轉(zhuǎn)子 按 順時(shí)針?lè)较蛟僮咭徊?。這種現(xiàn)象也可以這樣來(lái)理解， A 相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子對(duì)定子的相對(duì)位置不同，則磁路的磁阻也不同，使 A 相磁路的磁阻為最少的轉(zhuǎn)子位置，就是該時(shí)的穩(wěn)定平衡位置，即轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子軸線和 A 相磁極軸線相重合的位置。 三相單三拍通電方式 這是步進(jìn)電機(jī)的一種最簡(jiǎn)單的工作方式，所謂“三相”，即三相步進(jìn)電機(jī)，具有三相定子繞 組 ；“單”指每次只有一相繞組通電；“三拍”指三次換接為一個(gè)循環(huán)， 第四次換接重復(fù)第一次情況。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 3 第二章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的原理 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理是與反應(yīng)式同步電機(jī)一樣，也是利用轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 所示是一臺(tái)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理，定子鐵心為凸極式，共有三相，六個(gè)磁極，不帶小齒，磁極上裝有控制繞組，相對(duì)的兩個(gè)磁極串聯(lián)連接，組成一相控制繞組。 本章小結(jié) 本章首先介紹了 課題研究的背景，提出設(shè)計(jì)的思路。 步進(jìn)電機(jī) 控制 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的原理和控制特點(diǎn)，對(duì)步進(jìn)電機(jī) 控制 系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行 分析和 設(shè)計(jì)。 環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計(jì) 研究環(huán) 形脈沖分配器的作用和構(gòu)成， 并 設(shè)計(jì)出可靠、靈活的環(huán)形脈沖分配器 電路 。 研究步進(jìn)電機(jī)的加減速控制， 可以提高 步進(jìn)電機(jī)的 響應(yīng)速度、 平穩(wěn)性 和 定位精度 等 性能 ， 從而 決內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 2 定 了步進(jìn)電機(jī)控制 系統(tǒng)的綜合性能。 由于步進(jìn)電 機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響小， 方向和轉(zhuǎn)角控制簡(jiǎn)單， 并且步進(jìn)電機(jī)能直接接 收 數(shù)字量的控制，非常適合采用微機(jī)進(jìn)行控制 。為此本文以單片機(jī)作為控制核心 ， 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)加減速控制，使系統(tǒng) 以最短的時(shí)間到達(dá) 控制終點(diǎn)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象 。由此可見(jiàn)，一個(gè)靜止的步進(jìn)電機(jī)不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)加速的過(guò)程 。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性可知，啟動(dòng)頻 率越高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，帶負(fù)載的能力越差。此外，一般步進(jìn)電機(jī)對(duì)空載最高啟動(dòng)頻率都 是 有所限制 的 。 對(duì) 于 一個(gè)步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng)而言，總希望 它 能 以最短的時(shí)間 到達(dá)控制終點(diǎn)。 speed control。軟件部分采用 C 語(yǔ)言編程，主要包括鍵盤(pán)顯示程序、步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速程序、停止判斷程序等。 本文以單片機(jī)和環(huán) 形脈沖分配器為核心設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng)， 通過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)調(diào)試 ， 實(shí)現(xiàn) 步進(jìn)電 機(jī) 能根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行 自動(dòng) 加減速控制 ， 使控制系統(tǒng) 以最短的時(shí)間 到 達(dá) 控制終點(diǎn)， 而又不 發(fā)生 失步 的現(xiàn)象 ； 同時(shí)它 能準(zhǔn)確 地 控制步進(jìn)電 機(jī)的正 反轉(zhuǎn) ， 啟動(dòng)和停止。 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 題 目 ： 基于 AT89C51 單片機(jī) 的 步進(jìn) 電 機(jī)控制系統(tǒng) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)：自動(dòng)化 班 級(jí)：自動(dòng)化 063 班 指導(dǎo)教師： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） I 基于 AT89C51 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 摘 要 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，它能按照控制脈沖的要求，迅速起動(dòng)，制動(dòng)，正 反轉(zhuǎn)和調(diào)速 。具有 步距角精度高，停止時(shí)能自鎖 等特點(diǎn) ，因 此 步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，特別是在開(kāi)環(huán)的控制系統(tǒng)中得 到了 日益廣泛的應(yīng)用。硬件 是 以 AT89C51 單片機(jī)為核心的控制電路，主要包括：環(huán)形脈沖分配器、鍵盤(pán)顯示電路、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路等。 關(guān)鍵詞 ：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)；調(diào)速；單片機(jī) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） II Based on AT89C51 Singlechip Computer Stepping Motor Control System 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 when it keeps still. As these characteristics, stepping motor in automatic control system, especially in the open loop control system has been widely applied. This article mainly focuses on taking Singlechip Computer and cycle