【正文】 十角分至 180O 大范圍內(nèi)選擇。電機(jī)的運(yùn)行角度只和每次所給予的脈沖信號(hào)強(qiáng)度有關(guān)，而電機(jī)的運(yùn)行速度也只和脈沖信號(hào)的頻率有直接關(guān)系。 第五章為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 13 第 2 章 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)指的是以數(shù)字脈沖信號(hào)作為電機(jī)線或教位移的控制信號(hào)，并以數(shù)字脈沖頻率對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的動(dòng)力控制系統(tǒng)。接著介紹了本論文要設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，及要實(shí)現(xiàn)的操作方式。 第二章步進(jìn)電機(jī)的概述，闡述步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)、分類和工作原理，為后面的硬件、軟件設(shè)計(jì)提供必須的理論基礎(chǔ)。接著用較大的篇幅介紹了步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)、分類和工作原理，然后分別闡述了所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功能和操作、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。 11 本課題研究的意義是了解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成，學(xué)習(xí)單片工作原理及其內(nèi)部工作狀態(tài)，并熟悉不同時(shí)刻，單片機(jī)輸入輸出情況；了解步進(jìn)電機(jī)的分類和用途，掌握步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理，并學(xué)習(xí)使用單片機(jī)簡(jiǎn)單控制步進(jìn)電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及簡(jiǎn)單了解國(guó)內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。 以上這些優(yōu)點(diǎn)，尤其是在性能上的優(yōu)點(diǎn)，并不是一個(gè)量的變化，而是質(zhì)的飛躍。 提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 尤其是對(duì)三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時(shí)提高約 3040% 。 [10] 細(xì)分功能完全是由驅(qū)動(dòng)器靠精確控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生的，與電機(jī)無關(guān)。；而用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在 10 細(xì)分狀態(tài)時(shí)，電機(jī)只轉(zhuǎn)動(dòng)了 176。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在 20 細(xì)分狀態(tài) 176。 176。 /176。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在 5 細(xì)分狀態(tài) 176。 176。 /176。、整步工作時(shí)為 176。 /176。 細(xì)分驅(qū)動(dòng) 要了解步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 “ 細(xì)分 ” ，先要弄清步進(jìn)電機(jī) “ 步距角 ” 這個(gè)概念：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)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(huì)使繞組激起很高的浪涌電壓，因而對(duì)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(dòng) 圖 16 自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)框圖 把步進(jìn)電機(jī)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(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，控制功率管的開關(guān)，從而達(dá)到控制繞組相電流的目的。高低壓驅(qū)動(dòng)可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導(dǎo)通時(shí)間不變，在低頻時(shí)，繞組獲得了過多的能量，容易引起振蕩。 圖 15 高低壓驅(qū)動(dòng)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(hào)。但是由于串入電阻后，功耗加大，整個(gè)功率驅(qū)動(dòng)電路的效率較低，僅適合于驅(qū)動(dòng)小功率步進(jìn)電機(jī)。 7 為使通電時(shí)繞組電流迅速達(dá)到預(yù)設(shè)電流，串入電阻 Rc；為防止關(guān)斷 T 時(shí)繞組電流變化率太大，而產(chǎn)生很大的反電勢(shì)將 T 擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個(gè)二極管 D 和電阻 Rd，為繞組電流提供一個(gè)泄放回路，也稱“續(xù)流回路”。當(dāng)輸入信號(hào)In 為高電平時(shí)，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(jī)繞組上。 單電壓驅(qū)動(dòng) 圖 14 單電壓驅(qū)動(dòng)原理圖 單電壓驅(qū)動(dòng)是指在電機(jī)繞組工作過程中，只用一個(gè)方向電壓對(duì)繞組供電。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式分類及比較 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法的分類主要有恒電壓驅(qū)動(dòng)方式（單電壓驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)）、恒電流斬波驅(qū)動(dòng)方式（自激式恒電斬波驅(qū)動(dòng)、它激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)）和細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式。 70 年代末形成了以定子6 個(gè)極、轉(zhuǎn)子 40 齒的三相磁阻式電動(dòng)機(jī)為主，另外還有定子 10 個(gè)極、轉(zhuǎn)子 100 齒的五相磁阻式電動(dòng)機(jī)等共存的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用局面。 70 年代我國(guó)研制快走絲數(shù)控線切割機(jī)、數(shù)控機(jī)床等數(shù)控設(shè)備的需求對(duì)步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展起了很大的促進(jìn)作用。 [4] 在我國(guó)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究始于 1958 年，當(dāng)時(shí)只有清華大學(xué)，華中理工大學(xué)等少數(shù)高等院校在從事這項(xiàng)工作?；旌鲜?步進(jìn)電機(jī)則具備了反 應(yīng)式步進(jìn)電 機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)自動(dòng)化等性能要求較高應(yīng)用場(chǎng)合的主流，它剛開始和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一同發(fā)展起來，后來逐步用于替代反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。在日本和西方等發(fā)達(dá)國(guó)家早期都是研制和應(yīng)用磁阻式步進(jìn)電機(jī)，但是由于固有的能量利用率低、振動(dòng)和噪音大等缺點(diǎn)逐步被淘汰掉，目前在 5 國(guó)外幾乎沒有了僅僅在某些場(chǎng)合例如在溫度很高的核反應(yīng)堆中或者需要電動(dòng)機(jī)的不通電的情況下定位力矩為零的時(shí)候才使用 。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 步進(jìn)電機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域，在工業(yè)上的應(yīng)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(jī)外的第三大類電機(jī)。 單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。 本方案有以下優(yōu)點(diǎn) 單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響 。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)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(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)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(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。 圖 12 基于 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)圖 基于單片機(jī)控制手段 單片機(jī)在工業(yè)控制中以其高速、精準(zhǔn)、成本低廉的特性得到了廣大工程設(shè)計(jì)者的青睞，近幾年，以單片機(jī)作為控制核心的工業(yè)控制系統(tǒng)不斷被開發(fā)和應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域中，而以單片機(jī)作為核心的步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)也成為了時(shí)下比較熱門的研究課題。 [2] 采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號(hào)，并用 PLC 中的定時(shí)器來產(chǎn)生速度脈沖信號(hào)，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(fù)雜些，但可以節(jié)省 PLC脈沖控制器 環(huán)形分配器 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī) 3 資源，目前市場(chǎng)有多種專用芯片可以選用。 PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)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(xué)碩士學(xué)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量，同時(shí)通過編程控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有 PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路組成。 PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計(jì)算機(jī)。 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(duì)較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計(jì)，因此靈活性不高。采用閉環(huán)控制，即能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分，實(shí)現(xiàn)無級(jí)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(jì)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)。由于脈沖控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動(dòng)電路。近年來，控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，有力地推動(dòng)了步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，提高了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制裝置的應(yīng)用水平。 關(guān)鍵詞 :步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 看 門狗 驅(qū)動(dòng)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 with easytoopen loop precision, no accumulation of error of the advantages, has been widely used in many fields. In order to obtain good control performance results, there has been a lot of stepping motor control system, which adopts singlechip as the control of the control system has been wide ly 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 economy。 因此本文的研究?jī)?nèi)容就是設(shè)計(jì)一套硬件系統(tǒng)較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但功能較為齊全，適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便，可靠性高的，能夠有機(jī)地把電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、電機(jī)的控制技術(shù)結(jié)合起來步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。很多這種控制系統(tǒng)在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)上已經(jīng)做的非常好，比如細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，但是有的系統(tǒng)比較復(fù)雜，和一些相對(duì)比較簡(jiǎn)單的控制過程不相吻合，投入上也不經(jīng)濟(jì) 。 I 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要 步進(jìn)電機(jī)是一種通過電脈沖信號(hào)控制相繞組電流實(shí)現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)電元件，與其他類型電機(jī)相比具有易于開環(huán)精確控制、無積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。為了得到性能優(yōu)良的控制結(jié)果，出現(xiàn)了很多步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，其中采用單片機(jī)作為控制核心的控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。有的系統(tǒng)在操作上不是很方便，交互性不強(qiáng)。本文首先簡(jiǎn)要描述了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展、應(yīng)用情況、以及常見的控制系統(tǒng)采用的方案，常見的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，而且還分析了步進(jìn)電機(jī)的工作原理，然后以單片機(jī)為主控制器提出了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)模塊的電路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，接著闡述了步進(jìn)電機(jī)軟件控制開發(fā)的流程。 some 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 o peration, high reliability, can anically integrate electronic technology, single chip technology, motor control technology of stepping motor control system. This paper briefly describes the development of the scheme, the stepper motor applications, as well as the mon control system, driving technology III 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, t hen expounds the stepping motor control software development process. Keywords: stepper motor microcontroller watchdog driver technology 目錄 摘 要 ................................................................................................I ABS TRAC ........................................................................................ II 第 1 章 緒論 ...................................................................................... 1 前言 ..................................................