【正文】 軟件開發(fā), 可以簡化和減輕微型計算機的負擔，并且在驅(qū)動二相或四相混合式步進電機時運動平穩(wěn)，速度快，噪音低，控制精高,而且可選整步半步驅(qū)動。 該電路為固定斬波頻率的 PWM 恒流斬波驅(qū)動方式，適用四相雙極性步進電機，最高電壓 46V，每相電流可達 2A。此次設(shè)計采用了、L298 芯片驅(qū)動電機。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。而步進電動機的控制驅(qū)動器一般有兩種：一種是使用多個功率放大器件驅(qū)動電機。Error! No text of specified style in document.17 步進電動機的驅(qū)動方式選擇步進電機的驅(qū)動一般有兩種方法，一種是通過 CPU 直接來驅(qū)動，這種方法一般不宜采用，因為 CPU 的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進電機的轉(zhuǎn)動；別一種是通過 CPU 來間接驅(qū)動，就是把從 CPU 輸出的信號進行放大，然后直接驅(qū)動或是再通過控制驅(qū)動器接來驅(qū)動步進電機，這種方法比較安全可靠。定時方法是利用單片機系統(tǒng)中的定時器定時功能產(chǎn)生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出 CP 脈沖的周期，有點是定時時間準確。延時方法是在每個周期完成后調(diào)用一個延時子程序，待延時結(jié)束后再次執(zhí)行脈沖輸出程序，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖。系統(tǒng)可用兩種辦法實現(xiàn)步進電機的速度控制。啟動仿真模型，選擇按鍵 START，模型開始正常運轉(zhuǎn)，通過V+V改變電機轉(zhuǎn)速，最后選擇按鍵 STOP 停止仿真。是以單片機為核心，L298 為驅(qū)動，1602 作為顯示，按鍵作為輸入所搭建的仿真模型。總體設(shè)計方框圖如圖 41 所示 圖 41 總體設(shè)計方框圖 系統(tǒng)仿真圖 系統(tǒng)仿真圖如圖 42。把步進電機的實際轉(zhuǎn)速通過單片機外部中斷反饋到單片機。1602 液晶屏顯示實際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速。 總體設(shè)計方框圖由 41 圖中看以看出以單片機為控制核心。Error! No text of specified style in document.154 硬件設(shè)計啟動系統(tǒng)后，從單片機的 I/O 口輸出控制脈沖，經(jīng)過 L298N 驅(qū)動電路對脈沖進行處理，輸出能直接控制步進電機的脈沖信號。圖 35 L298N 芯片邏輯功能圖圖 36 L298N 引腳圖西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)生（論文）14 光電開關(guān) 本系統(tǒng)中所用傳感器為 FCSPX302 光電開關(guān)，該傳感器為開關(guān)型傳感器，四個接線腳分別為“+，L,OUT,”其輸入電壓范圍廣為直流 524V,L 為控制指示端，當“L”與“+”相連時，傳感器未檢測到物體時 LED 燈發(fā)光，當“L”懸空時則相反，其特點為：1. 動作模式備有遮光時 ON/入光時 ON(可切換型 )2. 應(yīng)答頻率為 1KHZ 的高速響應(yīng)3. 入光顯示燈明顯,容易進行動作確認4. 電源電壓為 DC24V 的廣范圍5. 備有遮光時入光顯示燈燈亮型其連接電路如圖 37 所示： 圖 37 “L”與“+”相連時連接電路圖“L”與“+ ”相連時，傳感器未檢測到物體時 LED 燈發(fā)光。L298 可驅(qū)動 2 個電動機， OUT1，OUT2 和OUT3， OUT4 之間可分別接電動機。輸出電流可達 2．5 A，可驅(qū)動電感性負載。L298N 可接受標準 TTL 邏輯電平信號 VSS，VSS 可接 4．5～7 V 電壓。可以方便的驅(qū)動兩個直流電機，或一個兩Error! No text of specified style in document.13相步進電機。使用 L298N 芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；并可以直接用單片機的 I/O 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便 [24]。該芯片采用15 腳封裝。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止 [21]。在閑置模式下，CPU 停止工作。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。輸入至其內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度 [20]。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。（1）振蕩器特性：　　XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。（10）P2 口（ 2128）：準雙向 I/0 口 [18]。 （7）EA/VPP（31）：內(nèi)/外部 ROM 選擇端（8）P0 口（ 3932）：雙向 I/O 口。（5）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號輸出端/EPROM 編程脈沖輸入端。單片機是一種時序電路，必須有脈沖信號才能工作，在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時，需在 XTL2 上加外部時鐘信號。（2）VSS（20）：接地，也就是 GND。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89S51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 [17]。AT89S51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable And erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。（6）步進電機自身的噪聲和震動比較大，帶慣性負載的能力強 [16]。西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)生（論文）10（4）速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速情況下仍能保證獲得很大的轉(zhuǎn)矩，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。同事，它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 步進電動機的特點步進電動機有如下特點：（1）步進電機的角位移與輸出脈沖數(shù)成正比，因此當它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。（2）恒速過程的總步數(shù)電動機在恒速過程中每走一步，恒速總步數(shù)就減 1，直到減為 0，恒速過程結(jié)束，進入減速過程。圖 23 加速曲線離散化本程序的參數(shù)除了有速度級數(shù) N 和級步數(shù) NC 以外，還有以下參數(shù) 。因此，速度每升一級，步進電動機都要在該速度級上走 NC 步（其中 N 為該速度級數(shù)）。如果速度是等間距分布，那么在該速度級上保持的時間不一樣長。Error! No text of specified style in document.9圖 23 是近似指數(shù)加速曲線。因此，用步數(shù)等于 0 來判斷是否移動到目標位，作為步進電動機停止運行的信號 [14]。 步進電動機的位置控制步進電動機的位置控制，指的是控制步進電動機帶動執(zhí)行機構(gòu)從一個位置精確地運行到另一個位置。兩個脈沖的間隔時間越短，步進電動機就轉(zhuǎn)的越快。 步進電動機的轉(zhuǎn)向控制通過前面介紹的步進電動機原理我們已經(jīng)知道，如果按給定的工作方式正序通電換相，步進電動機就正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，則電動機就反轉(zhuǎn)。通常我們把通電換相這一過程稱為脈沖分配。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅(qū)動步進電機的目的 [11]。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進電機驅(qū)動電源的各項輸入端，以驅(qū)動步進電動機的轉(zhuǎn)動。并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件 [10]。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3 て變?yōu)?1/12 て，1/24 て，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 圖 22 電機的相與轉(zhuǎn)子不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。如按 A，C，B，A…… 通電，電機就反轉(zhuǎn) [9]。 如 C 相通電，A，B 相不通電，齒 3 應(yīng)與 C 對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3て，此時齒 4 與 A 偏移為 1/3 て對齊。就是 A，齒 5 就是齒 1）下面是定子和轉(zhuǎn)子的展開圖： 圖 21 定子和轉(zhuǎn)子的展開圖Error! No text of specified style in document.7 步進電機的旋轉(zhuǎn) 如 A 相通電，B，C 相不通電時，由于磁場作用，齒 1 與 A 對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 步進電機結(jié)構(gòu) 電機轉(zhuǎn)子均勻分布著 40 個小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開 0、1/3 て、2/3 て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即 A 與齒 1 相對齊，B 與齒 2 向右錯開 1/3 て，C 與齒 3 向右錯開 2/3 て，A39。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。、五相的為 176。、三相的為 176。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為 176。），這個步距角可以稱之為‘電機固有步距角’，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān) [7]。（表示半步工作時為 176。電機出廠時給出了一個步距角的值，如 86BYG250A 型電機給出的值為 176。 步進電機的一些基本參數(shù) 電機的拍數(shù)完成一個磁場周期性變化所需脈沖用 n 表示或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)以四相電機為例，四相四拍運行方式即 ABBCCDDAAB，四相八拍運西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)生（論文）6行方式即 AABBBCCCDDDAA。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 度而五相步進角一般為 度。反應(yīng)式步進電機的轉(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。 步進電動機分類步進電機的品種規(guī)格很多，現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM ）、混合式步進電機（HB ）和單相式步進電機等?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以直接用數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便。在該設(shè)計中我選用了 MSC51 作為步進電機的控制器, 用它來實現(xiàn)步進電機的空載時的一些控制功能。在電機控制中要用到鍵盤和顯示器作為人機界面來實現(xiàn)對步進電機的控制。控制精度高。微處理器的控制方式是有軟件完成時，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只需修改程序即可。單片機是一種微型計算機，它在一個集成芯片中，集成有微處理器（CPU ）、存儲器（RAM 和 ROM）、基本的 I/O 接口以及定時/計數(shù)部件，即在一個芯片上實現(xiàn)了一臺微型計算機的基本功能 [3]。因此它已經(jīng)被廣泛地用于自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。因此非常適合于單片機控制 [2]。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。步進電機可以直接用數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便?，F(xiàn)代控制技術(shù)中普遍采用的方式為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單成本低但其精度不是太高；閉環(huán)控制可以實現(xiàn)高精度的控制，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜投入成本高。對這個問題的解決辦法，除了改善負載特性及附加機械阻尼外，還可以在驅(qū)動電源方面加以改善，如引入電磁阻尼、采用細分驅(qū)動等辦法來解決。需配合機械減速機構(gòu)以達到所需要的脈沖當量精度，但是，機械系統(tǒng)的增加也同時帶來了一個誤差源。以應(yīng)用最廣的 8 極 50 齒兩相混合式步進電動機為例，其步距角為176。由于旋轉(zhuǎn)電勢基本上與電動機轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電機輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。繞組導(dǎo)通和截止都會產(chǎn)生較大的反電勢，而截止時反電勢將對驅(qū)動級器件的安全產(chǎn)生有害的影響。電動機各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有較大的電感。步進電動機系統(tǒng)的性能，Error! No text of specified style in document.3除與電動機自身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動器的性能。國外雖然有通用的各種類型的步進電動機驅(qū)動器，但大都存在價格昂貴，與我國的系統(tǒng)連接不匹配等問題。這就要求不斷研制出高性能高可靠性高集成化低價位的驅(qū)動器和低成本的單片機控制滿足需求。其次，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，高性能永磁材料的應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計技術(shù)起到明顯的作用自不待說，驅(qū)動技術(shù)改進的作用也不容忽視，特別是微步驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用和成熟，使步進電動機的分辨率和特性與相數(shù)的關(guān)系不大，對步進電動機的設(shè)計，今后的發(fā)展會產(chǎn)生很大的影響，也提出了一系列新的研究課題和方向。步進電動機今后的發(fā)展，依賴于新材料的應(yīng)用，設(shè)計手段的完善，以及與驅(qū)動技術(shù)的最佳配合。使步進電動機的控制系統(tǒng)達到了一個新的水平。驅(qū)動器控制電路發(fā)展的一個重要方面是集成電路專用芯片的采用。用這種器件做成步進電動機驅(qū)動器，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定及運行可靠等優(yōu)點。目前，功率開關(guān)管多采用功率場控晶體管(MOSFET)和全控型器件(IGBT)?？煽毓桦m然觸發(fā)簡單，但關(guān)斷困難，總的來說線路較復(fù)雜、易形成誤觸發(fā)、可靠性也差；且不便于調(diào)試和維護、抗干擾能力不好。步進電動機的使用性能與它的驅(qū)動電路有密切的關(guān)系，隨著電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)生（論文）2及微電子技術(shù)及其器件的發(fā)展