【正文】 時，就可以上一次的位置作為起點(diǎn)反向運(yùn)動，避免了電機(jī)換向時產(chǎn)生錯步。在正轉(zhuǎn)時，不僅給正轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值，也同時給反轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值 。其中 20H 單元的各位為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)標(biāo)志位 。 在程序的編制中，要特別注意步進(jìn)電機(jī)在換向時的處理。 當(dāng)上電或按下復(fù)位鍵 KR 后， AT89C2051 先檢測撥碼開關(guān) KX、 KY 的狀態(tài)，根據(jù) KX、KY 的不同組合，進(jìn)入不同的工作方式。 方式 2 串行通訊方式：上位機(jī) (PC 機(jī)或單片機(jī) )將控制命令發(fā)送給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)控制命令自行完成有關(guān)控制過程。 該驅(qū)動器根據(jù)撥碼開關(guān) KX、 KY 的不同組合有三種工作方式供選擇： 9 方式 1 中斷方式： (INT1)為步進(jìn)脈沖輸入端， 為正反轉(zhuǎn)脈沖輸 入端。 在 50Ω外接電阻上并聯(lián)一個 200μF電容，可以改善注入步進(jìn)電機(jī)繞組的電流脈沖前沿，提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻性能。 圖 3 中的 RL1～ RL4 為繞組內(nèi)阻， 50Ω電阻是一外接電阻，起限流作用，也是一個改善回路時間常數(shù)的元件。圖中 L1 為步進(jìn)電機(jī)的一相繞組。 8 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖 、 b、 c 所示： 圖 圖 3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器系統(tǒng)電路原理圖 AT89C2051 將控制脈沖從 P1 口的 ～ 輸出，經(jīng) 74LS14 反相后進(jìn)入 9014，經(jīng)9014 放大后控制光電開關(guān)，光電隔離后，由功率管 TIP122 將脈沖信號進(jìn)行電壓和電流放大，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的各相繞組。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。依次類推， A、 B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著 A、 B、 C、 D 方向轉(zhuǎn)動。 當(dāng)開關(guān) SC 接通電 源， SB、 SA、 SD 斷開時，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動， 4 號齒和 C 相繞組的磁極對齊。圖 1 是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。 1. 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。 此 介紹為從一日本產(chǎn)舊式打印機(jī)上拆下的步進(jìn)電機(jī)而設(shè)計的驅(qū)動器。它可以把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等。該電路驅(qū)動 X/Y 軸步進(jìn)電機(jī)通過滾珠絲桿帶動二維工作臺作聯(lián)動，并由一只鉛筆模擬加工刀具將所要加工的二維軌跡描繪出來。顯然該種方法可以顯著提高系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的成功率，從而有效降低系統(tǒng)的開發(fā)周期和開發(fā)成本。再測試一次次迭代開發(fā)，在制作控制系統(tǒng)硬件電路之前即可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)整機(jī)功能的測試。測試224。相關(guān)的參數(shù)值、 X/Y軸坐標(biāo)值可以通過 LCD以文本方式顯示。 4 x 4 鍵盤陣列接 AT89C55 的P1 端口，通過程序設(shè)計定義每個按鍵的具體功能。 圖 4 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路仿真 如圖 4 所示，單片機(jī) AT89C55 司職步進(jìn)電機(jī)控制器，通過運(yùn)行在 Keil uVision2 環(huán)境下所開發(fā)的程序來控制兩個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片 L298，從而實(shí)現(xiàn)對 AXIS_X / AXIS_Y 兩軸步進(jìn)電機(jī)的聯(lián)動控制。同時硬件電路的軟件化仿真為硬件電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)提供了有力的保障。這種方法只有硬件電路完成之后才能進(jìn)行系統(tǒng)功能測 5 試，若此時發(fā)現(xiàn)硬件電路存在設(shè)計問題且必須進(jìn)行修改時就會顯著影響系統(tǒng)開發(fā)的成本和周期。只有當(dāng)實(shí)際運(yùn)行速度達(dá)到預(yù)設(shè)值后才能急速加速，實(shí)際上也是局部速度誤差的自動糾正。如圖 3 所示，采用離散方法將加減速曲線離散化。這種方法占用 CPU時間較少，是一種效率比較高的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速方法。軟件方法依靠延時程序來改變脈沖輸出的頻率，其中延時的長短是動態(tài)的，該方法因?yàn)橐煌５禺a(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的 CPU時間 。其中電機(jī)從靜止加速至最高運(yùn)行頻率和從最高運(yùn)行頻率至停止至是步進(jìn)電機(jī)控制的關(guān)鍵，通常采用勻加速和勻減速方式。橫坐標(biāo)時間 t，單位為秒。為此本文提出了一種基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)加減速離散控制方法。 (3) 步進(jìn)電機(jī)的變頻調(diào)速 雖然步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停能力強(qiáng)、精度高、轉(zhuǎn)速容易控制的特點(diǎn)，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中由于啟動和停止控制不當(dāng)，步進(jìn)電機(jī)仍會出現(xiàn)啟動時抖動和停止時過沖的現(xiàn)象，從面影響系統(tǒng)的控制精度。如圖 1 所示，（ X0， Y0）為圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)，（ Xe，Ye）為圓弧的終點(diǎn)坐標(biāo)， θ為圓弧的角度。較之起其他方法，最多可節(jié)省 14 個存儲單元。如果一個軸坐標(biāo)用 4 個字節(jié)存儲（如 ），而角度用 2 個字節(jié)存儲（如 45176。本文提出了一種改進(jìn)算法：在圓弧插補(bǔ)中，無論圓弧在任何位置，是順圓或是逆圓，都以此圓弧的圓心作為原點(diǎn)來確定其他坐標(biāo)。在算法實(shí)現(xiàn)時這些參數(shù)若要存放在單片機(jī)內(nèi)部資源有限的數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）中，如果要經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算才能確定一段圓弧，不但給微處理器帶來負(fù)擔(dān)，而且要經(jīng)過多步運(yùn)算，往往會影響到算法的精確度。給出半徑、起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo) 。 (2) 圓弧插補(bǔ)改進(jìn)算法 逐點(diǎn)比較插補(bǔ)算法因其算法簡單、易實(shí)現(xiàn)且最大誤差不超過一個脈沖當(dāng)量，在步進(jìn)電機(jī)的位置控制中應(yīng)用的相當(dāng)廣泛 [1。 課程 設(shè)計 說明 (1) 作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動化儀表等領(lǐng)域。 通過實(shí)際程序設(shè)計和調(diào)試，逐步掌握模塊化程序設(shè)計方法和調(diào)試技術(shù)。 掌握單片機(jī)的接口 技術(shù)和相關(guān)外圍芯片的特性及控制方法。最后給出了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。文中討論了一種以最少參數(shù)確定一條圓弧軌跡的插補(bǔ)方法和步進(jìn)電機(jī)變頻調(diào)速的方法。目 錄 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計任務(wù)書 ?????????????? ? ? ??? 2 課題介紹 、 主要內(nèi)容 、 主要器件、主要資料及參考文獻(xiàn)、預(yù)期設(shè)計（論文）成果? ? ? 2 一 .基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng)設(shè)計 ?? ??? ? ??? ? ? ??? ? ??? ? 6 摘要 ?????????????????????? ???????? ???? 6 課程 設(shè)計 目的 ??????????????????????? ??? ?? 6 課程 設(shè)計 說明 ?? ????????????? ??????? ????? 6 步進(jìn)電機(jī)的變頻調(diào)速 ? ???????????? ??????? ???? 7 系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計 ??????? ??????? ??? ??????? 8 應(yīng)用實(shí)例 ?? ???? ??? ????????? ????? 10 二 .單片機(jī)的 電機(jī)驅(qū)動接口電路設(shè)計 ????? ???? ? ? ?????????? 18 .軟件設(shè)計 ?? ???? ? ???? ? ???? ????? ????? ? ?? 18 三 .單片機(jī) 對電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速的控制 ??? ?????? ? ? ?? ?? ? ? ??? ?? ? 18 四 .單片機(jī) 對 步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制 ? ?? ???? ?? ? ?? ??? ?????? 18 五 .利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制 ?? ?? ?? ? ?? ? ????? ? ? ? ? 21 1 引言 ????? ? ???????????? ? ????????????? ? ?? 21 2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 ??????? ? ??????????????? ? ????? 21 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 ???? ? ?????????????????? ? ????? 22 六 .結(jié)束語 ????????? ????? ?? ?? ?????? ???????? 30 2 1． 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計 摘要 ： 本文應(yīng)用單片機(jī)、步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片、字符型 LCD和鍵盤陣列，構(gòu)建了集步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動器為一體的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。二維工作臺作為被控對象通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿在 X/Y 軸方向聯(lián)動。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)采用了軟硬件協(xié)同仿真的方法，可以有效地減少系統(tǒng)開發(fā)的周期和成本。 關(guān)鍵詞 : 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，插補(bǔ)算法，變頻調(diào)速，軟硬件協(xié)同仿真 課程 設(shè)計目的 熟悉和掌握單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。 掌握以單片機(jī)為核心的電路設(shè)計的基本方法和技術(shù)，了解有關(guān)電路參數(shù)的計算方法。 通過完成一個包括電路設(shè)計和程序開發(fā)的完整過程，為今后從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ) 。為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的簡易運(yùn)動控制，一般以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理器，通過步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度和位置定位控制。圓弧插補(bǔ)中，為了確定一條圓弧的軌跡，可采用：給出圓心坐標(biāo)、起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo) 。給出圓弧的三點(diǎn)坐標(biāo)等。因此選取一種簡單且精確度 高的插補(bǔ)算法是非常必要的。因 3 此只須給出圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)和圓弧角度就可以確定該圓弧。），則只需要 10 個字節(jié)即可確定一段二維的圓弧。現(xiàn)以第 I 象限逆圓弧為例，計算其終點(diǎn)坐標(biāo)。 圓弧半徑： 終點(diǎn)坐標(biāo)： 終點(diǎn)坐標(biāo)相對 X軸的角度： 本系統(tǒng)要求輸入的角度精確到 1 度，輸入坐標(biāo)的分辨率是 ，單片機(jī) C 語言的浮點(diǎn)運(yùn)算能精確到 ，按照上面的公式算出的終點(diǎn)坐標(biāo) 1%，能夠滿足所要求的精確 ，雖存在誤差，但這個誤差小于度。尤其是步進(jìn)電機(jī)工作在頻繁啟動和停止時，這種現(xiàn)象就更為明顯 [2。加減速曲線如圖 2 所示，縱坐標(biāo)是頻率 f，單位為脈沖 /秒或步 /秒。步進(jìn)電機(jī)以 f0 啟動后加速至 t1 時刻達(dá)到最高運(yùn)行頻率 f，然后勻速運(yùn)行，至 t2 時刻開始減速，在 t5 時刻電機(jī)停轉(zhuǎn)，總的步數(shù)為 N。 4 圖 2 時間與頻率的函數(shù)圖 圖 3 離散化的時間變頻圖 采用單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出脈沖的時間間隔，可采用軟件和硬件兩種方法。硬件方法是依 靠單片機(jī)內(nèi)部的定時器來實(shí)現(xiàn)的，在每次進(jìn)入定時中斷后，改變定時常數(shù)（定時器裝載值），從而升速時使脈沖頻率逐漸增大，減速時使脈沖頻率逐漸減小?？紤]到單片機(jī)資源（字長）和編程的方便，不需要每步都計算定時器裝載值。離散化后速度是分臺階上升的，而且每上升一個臺階都要在該臺階保持一段時間，以克服由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量所引起的速度滯后。 (4) 系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計 對于 51 系列單片機(jī)的軟件開發(fā)，傳統(tǒng)的方法是在 PC 機(jī)上采用 Keil 等開發(fā)工具進(jìn)行程序設(shè)計、編譯、調(diào)試，待程序調(diào)試通過之后生成目標(biāo)文件下載至單片機(jī)硬件電路再進(jìn)行硬件調(diào)試 [3。為此，本文采用了系統(tǒng)軟硬件協(xié)同仿真的開發(fā)方法，使得硬件電路實(shí)現(xiàn)前的功能測試成為可能。其中在Keil uVision2 集成開發(fā)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計、編譯、調(diào)試，并最終生成目標(biāo)文件 ＊ .hex，而由英國 Proteus Labcenter electronics 公司所提供的 EDA工具Proteus 則利用該目標(biāo)文件 ＊ .hex 實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路功能的測試。 L298 驅(qū)動芯片的步進(jìn)脈沖輸入信號來自 AT89C55 P0 端口，使能信號 6 ENABLE A與 ENABLE B 并聯(lián)接到 AT89C55 的 、 ，由程序控制實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的 使能，從而避免電機(jī)線圈處于短路狀態(tài)而燒壞驅(qū)動芯片。 LCD的數(shù)據(jù)端口 DB0～ DB7 接 AT89C55的 P2 端口，控制端口 RS, RW, E分別接單片機(jī)的 , , 口。本文采用軟硬件協(xié)同仿真的方法經(jīng)過設(shè)計 224。修正 224。待系統(tǒng)程序和硬件電路設(shè)計方案最終完善之后便可以實(shí)際制作如圖 5 所示的硬件電路。 (5) 應(yīng)用實(shí)例 圖 5 即是根據(jù)圖 4 進(jìn)行硬件電路仿真的最終結(jié)果所制作的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電路板。 圖 5 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路 圖 6 二維模擬工作平臺運(yùn)動軌跡 7 步進(jìn)電機(jī)在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。 有時從一些舊設(shè)備上拆下的步進(jìn)電機(jī) (這種電機(jī)一般沒有損壞 )要改作它用，一般需自己設(shè)計驅(qū)動器。 該 先介紹該步進(jìn)電機(jī)的工作原理，然后介紹了其驅(qū)動器的軟、硬件設(shè)計。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動。 圖 1 四相步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)示意圖 開始時，開關(guān) SB 接通電源， SA、 SC、 SD 斷開， B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3 號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的 4 號齒就和 C、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒， 5 號齒就和 D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。而 0、 3 號齒和 A、 B 相繞組產(chǎn)生錯齒， 5 號齒就和 A、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。 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、