【正文】 控制電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。步進電機在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。基于單片機的步進電機控制器設(shè)計方案第1章　緒論　引言步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其應(yīng)用發(fā)展已有約80年的歷史。步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，稱為一步。步進電機每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點，所以成了機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。雖然與發(fā)達國家相比，我們我國的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已經(jīng)在我國占有非常重要的地位，并起了很大的作用。優(yōu)點明顯的步進電機被廣泛應(yīng)用在電子計算機的許多外圍設(shè)備中，例如打印機，紙帶輸送機構(gòu)，卡片閱讀機，主動輪驅(qū)動機構(gòu)和存儲器存取機構(gòu)等，步進電機也在軍用儀器，通信和雷達設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用[3]。為了得到良好的控制性能，對步進電機的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術(shù)得以實現(xiàn)。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級。因此，用微型單片機控制步進電機己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。但是在有些應(yīng)用場合，并不需要高精度的控制，而是需要在滿足一般工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低；功能較為齊全；適應(yīng)性強；電機各種運行狀態(tài)指示一目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾能力強，可靠性高等要求。一般步進電機控制器都用硬件實現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價格較貴，功能相對較單一，并且設(shè)計要求有所改變，就得改變整個硬件電路，比較麻煩。　步進電機常見的控制方案與驅(qū)動技術(shù)簡介　常見的步進電機控制方案 基于電子電路的控制步進電機受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。步進電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。這個系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。開環(huán)時，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計簡單，但未能實現(xiàn)高精度細分。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚恚詣咏o出脈沖鏈，使步進電機每一步響應(yīng)控制信號的命令，從而只要控制策略正確電機不可能輕易失步[4]。基于PLC的控制PLC也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。步進電機控制系統(tǒng)有PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成。通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，進而控制伺服機構(gòu)的進給速度。PLC控制的步進電機可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。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資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用PLC中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器，降低硬件成本。并且在速度較高時，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進電機正轉(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，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。本方案有以下優(yōu)點：(1)單片機軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響；(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設(shè)定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；(3)單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性[5]?！〔竭M電機驅(qū)動技術(shù)步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了，它的組成、工作原理和今天的反應(yīng)式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。步進電機驅(qū)動技術(shù)指的是用步進電機驅(qū)動器的驅(qū)動級來實現(xiàn)對步進電機各相繞組的通電和斷電，同時也是對繞組承受的電壓和電流進行控制的技術(shù)。單電壓驅(qū)動是通過改變電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。單電壓串電阻驅(qū)動是在單電壓驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。這種驅(qū)動方式目前主要用于小功率或啟動、運行頻率要求不高的場合。但是使用這種驅(qū)動方式的電機，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機的輸出力矩有所下降。為了彌補高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由于采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應(yīng)用，本文正是應(yīng)用恒流斬波技術(shù)實現(xiàn)了驅(qū)動控制。在低速運行時，電子控制器調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的導(dǎo)通角，使線路輸出的平均電壓較低，電動機不會像在恒流斬波驅(qū)動下那樣在低速容易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象，從而避免產(chǎn)生明顯的振蕩。調(diào)頻調(diào)壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路，但實際運行中需要針對不同參數(shù)的電機，相應(yīng)調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。細分驅(qū)動時，繞組電流不是一個方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除?？梢哉f細分驅(qū)動技術(shù)是步進電動機驅(qū)動與控制技術(shù)的一個飛躍[6]。當(dāng)某一相繞組通電時相應(yīng)的兩個磁極就分別形成NS極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。轉(zhuǎn)子的角位移大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入的脈沖同步。本設(shè)計采用AT89S51單片機實現(xiàn)對兩相步進電機的轉(zhuǎn)速控制。本課題的研究目的之一就是設(shè)計一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應(yīng)性強，操作方便，交互性強，可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。按結(jié)構(gòu)特點電磁式步進電機可分為反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。(1)反應(yīng)式步進電機(Variable Reluctance，簡稱VR)反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。反應(yīng)式步進電機有單段式和多段式兩種類型；(2)永磁式步進電機(Permanent Magnet，簡稱PM)永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式)，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電；(3)混合式步進電機(Hybrid，簡稱HB)混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永 磁式兩者的優(yōu)點。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。由于能夠開環(huán)運行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用?！〔竭M電機的工作原理 　結(jié)構(gòu)及基本原理步進電機在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。因此，控制電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機旋轉(zhuǎn)。每個脈沖所產(chǎn)生的運動是精確的，并可重復(fù)，這就是步進電機為什么在定位應(yīng)用中如此有效的原因。定子產(chǎn)生的磁場使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到與定子磁場對直?！?激勵線圈產(chǎn)生電磁場　兩相電機的步進順序兩相電機的單相通電步進順序。當(dāng)A相關(guān)閉、B相通電時，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)90176。在第4步中，A相關(guān)閉、B相通電，極性與第2步相反。的步距角順時針旋轉(zhuǎn)[8] [9]。更常用的步進方法是“雙相激勵”，其中電機的兩相一直通電。在第1步中，兩相定子的A相和B相同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step1位置。在第3步中，兩相定子的a相和b相同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step3位置。按照這樣的通電方式電機就轉(zhuǎn)過了一周[8] [9]。由于兩相一直通電，本方法比“單相通電”%的力矩，但輸入功率卻為2倍。這將步進電機的整個步距角一分為二。的步進電機將每半步移動45176。在每交換半步的過程中，由于其中一個繞組沒有通電，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。兩相步進電機的工作模式有兩相四拍和兩相八拍等兩種，[8] [9]。系統(tǒng)的具體功能和要求如下： ； 。 ，最低轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分，最高轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)/分； ； 　 系統(tǒng)的組成及其對應(yīng)功能簡述整個系統(tǒng)的組成包括單片機最小系統(tǒng)，電機驅(qū)動模塊，串口下載模塊，數(shù)碼管顯示模塊，電機驅(qū)動電流檢測模塊，獨立按鍵等模塊組成。同時單片機系統(tǒng)還負責(zé)處理來自電機驅(qū)動電流檢測模塊檢測到的電流值。電機驅(qū)動模塊負責(zé)將單片機發(fā)給步進電機的信號功率放大，從而驅(qū)動電機工作。數(shù)碼管顯示模塊就主要是顯示電機轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)向，和通過電機的電流等系統(tǒng)的實時信息。獨立按鍵作為一個外部中斷源，和單片機端口連接，通過它設(shè)置了電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，顯示電機電流等功能。本節(jié)主要是在第一章和第二章的基礎(chǔ)上引出了本論文將要采用的設(shè)計方案，并詳細的清楚的一條條列出了設(shè)計要實現(xiàn)的基本設(shè)計要求。通過這一章的內(nèi)容，我們能對本設(shè)計有一個簡單的總體的把握，既是能清楚的知道本題目的設(shè)計內(nèi)容，設(shè)計方法，以及最終的預(yù)期目標。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，功能強大。與MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz 1288 字節(jié)內(nèi)部RAM 2 個16 位定時／計數(shù)器 全雙工串行UART 通道 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 掉電標識和快速編程特性 同時，AT89S51 可降至0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。掉電方式保存RAM的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。GND：地作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8 個TTL邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在F1ash 編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。對端口寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 （IIL ）。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVXRi 指令）時，P2 口線上的內(nèi)容 （也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū) P2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流 （IIL ）。　P3口的引腳及功能端口引腳第二功能RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）INT0（外部中斷0）INT1（外部中斷1）T0（定時/計數(shù)器0外部輸入）T1（定時/計數(shù)器1外部輸入）WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）當(dāng)振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。DISRT0 位缺 為RESET 輸出高電平打開狀態(tài)。ALE ／PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。如 必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE 無效。PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89S51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H－FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。如EA 端為高電平（接Vcc 端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 在AT89S51，假如EA 接至Vcc（電源+），程序首先執(zhí)行地址從0000H－0FFFH （4KB）內(nèi)部程序存儲器，再執(zhí)行地址為1000H－FFFFH （60KB）的外部程序存儲器。數(shù)據(jù)存儲器：AT89S51的具128字節(jié)的內(nèi)部RAM，這128字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問，堆棧操作可利用間接尋址方式進行，128字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。對外接電容Cl、C2 雖然沒 十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。10pF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pF 177。用戶也可以采用外部時鐘。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。編程方法可通過傳統(tǒng)的EPROM編程器使用高電壓（+12V）和協(xié)調(diào)的控制信號進行編程。 編程方法：編程前，須設(shè)