【正文】 提高可以通過增加繞組電壓來實(shí)現(xiàn)。初始時(shí)刻，當(dāng)給電路施加電壓V時(shí)：此時(shí)電流的變化規(guī)律為[29]: I(t)=V(1eRt/L)/R 通電瞬間繞組電流上升速率為:di(0)/dt=V/t 經(jīng)過一段時(shí)間，電流達(dá)到最大值: Imax=V/R L/R定義為該電路的時(shí)間常數(shù)，是電路中的電流達(dá)到最大電流Imax的63%所需要的時(shí)間。 圖25等效電路電流波形圖根據(jù)電路原理，步進(jìn)電機(jī)的相繞組在一般情況下相當(dāng)于Circuit Resistance串聯(lián)電路。[18]作為磁性導(dǎo)體材料的步進(jìn)電機(jī)繞組，電阻與電感是其固有特性。由上所述，最高工作頻率是研究步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。作連續(xù)運(yùn)行的步進(jìn)電機(jī)，電磁力矩的下降同時(shí)影響著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，在相同負(fù)載慣量的情況下，電機(jī)隨著運(yùn)行頻率的增加，所帶負(fù)載的能力會(huì)不斷衰減。 圖24運(yùn)行矩頻特性圖由此可見，步進(jìn)電機(jī)都會(huì)有一個(gè)不丟步的極限頻率，被稱為最高工作頻率。繞相電流減小的直接作用就是讓電磁力矩也隨之減弱。運(yùn)行頻率越快，反向電動(dòng)勢就會(huì)越大。（5）運(yùn)行矩頻特性反映的是電機(jī)的運(yùn)行扭矩與頻率[15]的關(guān)系。當(dāng)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的時(shí)候，會(huì)時(shí)時(shí)發(fā)出嘯叫聲。（4）響應(yīng)頻率 指在無負(fù)載時(shí)，突然給電機(jī)加上某一個(gè)頻率的脈沖使轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)，保證轉(zhuǎn)子不失步且正常運(yùn)行的最高脈沖頻率，也被稱為啟動(dòng)頻率[16]。而就反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)而言，因?yàn)檗D(zhuǎn)子不帶磁性，所以沒有定位轉(zhuǎn)矩。（3）定位轉(zhuǎn)矩[14]定位轉(zhuǎn)距是指電機(jī)繞組各相在不通電的情況下，同時(shí)作為開路狀態(tài)，所產(chǎn)生的磁場所形成的轉(zhuǎn)距。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，所以保持轉(zhuǎn)矩是作為步進(jìn)電機(jī)非常重要的衡量參數(shù)之一。（2）保持轉(zhuǎn)矩[13]保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）是指步進(jìn)電機(jī)的繞組已經(jīng)開始通電流，但轉(zhuǎn)子還沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。四相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖與工作時(shí)序波形圖如下：圖22 結(jié)構(gòu)示意圖圖23 四相電機(jī)工作時(shí)序波形圖工作時(shí)序脈沖分配如下表所示：表21四相單四拍脈沖分配表 ABCDN1000N+10100N+20010N+30001 表22四相雙四拍脈沖分配表ABCDN1100N+10110N+20011N+31001（1）步距角指每給一個(gè)電脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。當(dāng)電機(jī)如需要反轉(zhuǎn)時(shí)，則可以將通電順序逆反。單四拍的通電順序?yàn)椋篈BCDA；雙四拍的通電順序?yàn)椋篈BBCCDDAAB。當(dāng)一系列的脈沖信號(hào)產(chǎn)生，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)開始連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成，它們均由磁性材料構(gòu)成，如圖21所示： 圖21 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖步進(jìn)電機(jī)是一種受脈沖驅(qū)動(dòng)的電機(jī)。銅制繞組構(gòu)成它的定子，永磁體組成它的轉(zhuǎn)子。(3)混合式：混合式步進(jìn)電機(jī)[4]整合了前面兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。它的優(yōu)點(diǎn)是有著良好的動(dòng)態(tài)性能和較大的輸出轉(zhuǎn)矩；缺點(diǎn)是電機(jī)精度相對(duì)差，同時(shí)步進(jìn)角較大。 (2)永磁式:此步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的材料是永磁體。根據(jù)他們內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，可以分為下面三大類： (1)反應(yīng)式:它的定子由銅制繞組構(gòu)成，組成轉(zhuǎn)子的材料是軟磁結(jié)構(gòu)。第二章 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)屬于是無電刷電機(jī)[3]，因此需要較少的維護(hù)。這是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。本課題系統(tǒng)測試是使用protues軟件作為仿真平臺(tái)。4. 設(shè)計(jì)本課題的控制系統(tǒng)硬件電路圖，以及軟件程序設(shè)計(jì)，要求系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作方便，滿足各項(xiàng)系統(tǒng)要求。2. 確定合適的系統(tǒng)控制器，即單片機(jī)型號(hào)，分析其各個(gè)引腳功能。此外，電機(jī)的運(yùn)行速度和旋轉(zhuǎn)方向可以通過控制脈沖頻率與相序來改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)速度、控制方向的目的。根據(jù)這個(gè)工作原理，就可以通過產(chǎn)生脈沖的個(gè)數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)的角偏移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的過程中，通過對(duì)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置保護(hù)線路[9]，反饋輸出電流以達(dá)到過電流保護(hù)。這時(shí)步進(jìn)電機(jī)的繞組開始具有電流，產(chǎn)生電磁力，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子開始運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制主要是通過外部的電脈沖的輸入。用微型單片機(jī)[7]控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求，因此，設(shè)計(jì)出一套穩(wěn)健的基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)于各行業(yè)使用需求具有十分重要的意義。之前的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路或者集成電路，它不僅增加了安裝調(diào)試的復(fù)雜度，還會(huì)消耗大量的組件，而且一旦改變了控制方案，就必須重新去設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包括電路的設(shè)計(jì)與測試、元器件的更換與調(diào)試，從而不利于系統(tǒng)的升級(jí)。隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展[5]，以及數(shù)字化、智能化技術(shù)的日益發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更加深入廣泛的領(lǐng)域中得以應(yīng)用。對(duì)于[4]像日本的ppmc101b這樣的開環(huán)步進(jìn)電機(jī)，能夠具有一個(gè)適合實(shí)際情況的加減速過程，并且還可以使它的運(yùn)行速度達(dá)到很高的水平，而不會(huì)導(dǎo)致過沖或失步。當(dāng)前，國外對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)研究的一個(gè)重要的發(fā)展方向，是大量的研發(fā)專用芯片，結(jié)果就是讓驅(qū)動(dòng)器的體積變得相當(dāng)小，與此同時(shí)還可以明顯提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體性能。中國在文化大革命中就已經(jīng)開始應(yīng)用和生產(chǎn)，例如北京、浙江、江蘇、四川都可以生產(chǎn)，而且在各行業(yè)開始逐步使用，目前驅(qū)動(dòng)電路的半導(dǎo)體器件大多能做到完全國產(chǎn)。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展[2]，各行業(yè)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的需求日益增加，它已被普遍應(yīng)用于各個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。 南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文目錄第一章 緒論 1 1 1 2第二章 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 3 3 3 5 6 8第三章 設(shè)計(jì)原理分析 9 9 9 9 10 10 12 14第四章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 15 15 控制電路 17 驅(qū)動(dòng)電路 18 顯示電路 19 位移越界報(bào)警電路 20 狀態(tài)指示燈顯示電路 21第五章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 22 22 LCD顯示程序設(shè)計(jì) 24 26 27 27 29第六章 仿真結(jié)果與分析 33 33 33 37第七章 總結(jié) 39參考文獻(xiàn) 40致 謝 42第一章 緒論步進(jìn)電機(jī)作為控制執(zhí)行器，廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域[1]。當(dāng)需要精確控制角度方位時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的使用將會(huì)很好解決實(shí)際問題。步進(jìn)電機(jī)是在國外發(fā)明的。當(dāng)時(shí)是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運(yùn)算電路[3]，還有電容耦合輸入的計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。對(duì)于一類相對(duì)典型的芯片，其核心是采用硬件和微程序，用來保證步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)合理的加速和減速過程。采用像這類專用集成電路可以驅(qū)動(dòng)3～5相電路，其設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍、加減速的過渡時(shí)間及上升下降的陡度可根據(jù)負(fù)載選定，此外還有單步運(yùn)轉(zhuǎn)和不同的停止方式。相應(yīng)地，其控制系統(tǒng)也必定需要升級(jí)發(fā)展，特別是智能化技術(shù)應(yīng)用方向的發(fā)展將會(huì)成為步進(jìn)電機(jī)的下一步發(fā)展趨勢?；趩纹瑱C(jī)的控制系統(tǒng)[6]，通過軟件對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，可以更好的發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力，能夠用最低成本去優(yōu)化系統(tǒng)，大大節(jié)約了系統(tǒng)升級(jí)的難度與成本。本論文所選的是四相步進(jìn)電機(jī)，所用控制方法是由單片機(jī)CPU控制產(chǎn)生相序脈沖，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路形成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)候，它會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的電流信號(hào)分配以及功率放大，直到可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電流和電壓[8]。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子會(huì)根據(jù)一個(gè)固定的旋轉(zhuǎn)角度來轉(zhuǎn)動(dòng)（稱為“步距角”）。由此可見，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度增量驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可設(shè)計(jì)出角度定位控制與位移定位控制等功能仿真系統(tǒng)來模擬步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用[10]。本課題的主要研究內(nèi)容如下：1. 分析步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)與工作原理，選擇合理的驅(qū)動(dòng)方式。3. 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，提出設(shè)計(jì)方案，論證每個(gè)方案，達(dá)成最終方案。5. 測試各項(xiàng)系統(tǒng)功能，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。Protues軟件[11]是由英國Labcenter electronics公司研發(fā)的EDA工具軟件，它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能有效仿真單片機(jī)及外圍器件。依靠這個(gè)強(qiáng)大的仿真平臺(tái)，可以很大程度上提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)度。由于它是通過脈沖輸入進(jìn)行增量步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，這使得步進(jìn)電機(jī)在許多角度與位移控制中非常受歡迎。其特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小，但動(dòng)態(tài)性能差、效率低，適合精度要求不太高的場合。這種步進(jìn)電機(jī)[12]的轉(zhuǎn)子和定子的兩極數(shù)量是一樣的。在這三種步進(jìn)電機(jī)中，用途相對(duì)較少。定子和轉(zhuǎn)子上分布著多個(gè)小齒，能夠顯著提高步矩的精度。它的優(yōu)點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，控制精度相對(duì)高，缺點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、設(shè)計(jì)成本較高，總的來說，適用于高精度的場合，具有突出的性能應(yīng)用。它的工作原理[4]是給電機(jī)的繞組按一定的相序分時(shí)輸入直流電流。下面就以四相步進(jìn)電機(jī)為例：首先需要進(jìn)行脈沖分配，脈沖分配作用就是產(chǎn)生不一樣的通電順序。正常情況下，步進(jìn)電機(jī)若要正常運(yùn)行，就必須嚴(yán)格按照此通電順序。在反轉(zhuǎn)狀態(tài)下，單四拍通電順序?yàn)椋篈DCBA；雙四拍通電順序?yàn)椋築AADDCCBBA。θb=θz/NZ =2π/NZ（N是工作拍數(shù)，Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)）。一般來說，在低速時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)近似保持轉(zhuǎn)矩。比如。對(duì)于混合式步進(jìn)電機(jī)，它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，其定位轉(zhuǎn)距一般遠(yuǎn)小于保持轉(zhuǎn)距。這是混合式與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)重要區(qū)別的參數(shù)。當(dāng)脈沖頻率比這個(gè)值大的時(shí)候，電機(jī)會(huì)啟動(dòng)不正常，從而可能出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)或者丟步。在有負(fù)載的情況下，響應(yīng)頻率應(yīng)更低，它反映了步進(jìn)電機(jī)跟蹤的快速性。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，各相繞組在電磁感應(yīng)的作用下，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)反向電動(dòng)勢。反向電動(dòng)勢會(huì)使繞相電流減小，而且運(yùn)行速度越快，這樣的作用越明顯。圖24表示它們之間的關(guān)系曲線。當(dāng)此時(shí)運(yùn)行頻率超過極限頻率，就會(huì)出現(xiàn)脈沖轉(zhuǎn)換的時(shí)間間隔比電磁與機(jī)械過渡過程的時(shí)間間隔小，這樣是導(dǎo)致失步的重要原因。當(dāng)運(yùn)行頻率增加到一定值時(shí)，轉(zhuǎn)矩會(huì)變得特別小，電機(jī)控制系統(tǒng)也就失去實(shí)際意義。電機(jī)繞組進(jìn)行通電時(shí)，繞組的電流由于受到電感所形成的反電動(dòng)勢的影響，使得繞組電流變化速度的上升過程變得緩慢，從而減少繞組電流的額定值，電機(jī)的電磁力矩也會(huì)因此下降。此外，影響電流的還有繞組線圈的電阻，根據(jù)電阻溫度的關(guān)系，電阻值隨著電機(jī)運(yùn)行溫度上升而變化，在電壓沒有做相應(yīng)的變化情況下，繞組電流也會(huì)出現(xiàn)與理論情況的偏差值。圖25是其等效電路的電氣特性。在 t時(shí)刻，電流開始以初始速率V/L減小，電路中電流的變化規(guī)律為:I(t)=VeR(tt1)/L/R為了提高電機(jī)的高速狀態(tài)時(shí)的運(yùn)行性能，這里會(huì)得出兩種方法。為了減少時(shí)間常數(shù)L/R，可以用電阻，構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)電路，這樣就可以有效減少時(shí)間常數(shù)。（1）電機(jī)控制精度根據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)的控制精度要求，來確定步進(jìn)電機(jī)的步距角的范圍，從而去選擇相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)，以及驅(qū)動(dòng)器的選擇，可由設(shè)計(jì)要求，計(jì)算出步距角需要的細(xì)分等級(jí)，以得到更小的步距角來滿足需求。（2）電機(jī)負(fù)載力矩選擇適合步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)要求的負(fù)載力矩，是非常重要的一環(huán)，它直接影響接下來的工作效率和系統(tǒng)可靠性。保持轉(zhuǎn)矩一般在電機(jī)參數(shù)里很容易看到，當(dāng)它確定好了，負(fù)載力矩的大致范圍也就有了。因此設(shè)計(jì)出合理的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)于改善運(yùn)行特征，提高控制精度具有重要的意義。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)停止、旋轉(zhuǎn)方向及運(yùn)行速度等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與顯示，同時(shí)利用它的工作原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)固定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)鎖定，對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行位移控制。（1）步進(jìn)電機(jī)工作方式為四相八拍，初始轉(zhuǎn)速60r/min；（2）能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的啟/停功能；（3）能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)、加/減速功能；（4）對(duì)步進(jìn)電機(jī)能夠進(jìn)行角度定位控制；（5）實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的位移定位控制，能夠讓它轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的方位及位移；（6）實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)，包括步進(jìn)電機(jī)的速度、方向、設(shè)定的角度以及位置坐標(biāo)，LED發(fā)光二極管可以正確顯示系統(tǒng)目前的工作狀態(tài)。對(duì)相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定是通過系統(tǒng)輸入按鍵，通過對(duì)輸入信號(hào)的處理，執(zhí)行相應(yīng)的功能函數(shù)，并且將在LCD顯示系統(tǒng)狀態(tài)。（1）步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)停止當(dāng)系統(tǒng)需要啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的時(shí)候，這里會(huì)需要一個(gè)等待操作，所以在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)程序會(huì)一直循環(huán)在啟動(dòng)函數(shù)內(nèi)。由于停止功能具有隨時(shí)性，所以在系統(tǒng)中采用中斷的方法，可隨時(shí)終止運(yùn)行。（2）步進(jìn)電機(jī)速度控制由步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特征[19]可知，脈沖頻率決定電機(jī)轉(zhuǎn)速。（3）步進(jìn)電機(jī)方向控制方向控制主要是操縱相位序列的變化，若給定的是正序通電換相的工作方式，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)正向旋轉(zhuǎn)；如果給定的是反序通電換相的工作方式，則電機(jī)就會(huì)反向旋轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)電路通過“方向調(diào)整”按鍵實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能，默認(rèn)是正轉(zhuǎn)，按下成反轉(zhuǎn)，再按又變成正轉(zhuǎn)的狀態(tài)，以此轉(zhuǎn)換步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。它的角位移量是與輸入脈沖數(shù)量成同步比例，且運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會(huì)產(chǎn)生誤差的累計(jì)，所以步進(jìn)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的跟隨性。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的角度定位控制是必不可少的要求，由于它良好的性能，所以應(yīng)用極為廣泛。步進(jìn)電機(jī)及其功率驅(qū)動(dòng)裝置可以構(gòu)成一個(gè)開環(huán)的定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，因此它可以在開環(huán)模式下跟蹤任何步階位置，同時(shí)執(zhí)行位置控制是不需要任何反饋的。這里的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是建立在一個(gè)極坐標(biāo)的平面參考系上，即在一定范圍內(nèi)，任何一點(diǎn)都可以用極坐標(biāo)來表示。因此，用步進(jìn)電機(jī)是否等于0來判斷是否移動(dòng)到目標(biāo)位，從而作為電機(jī)停止運(yùn)行的信號(hào)。圖32 步進(jìn)電機(jī)位移軌跡A點(diǎn)是極坐標(biāo)的原點(diǎn)，B、C、D分別是步進(jìn)電機(jī)接下來需要走的3個(gè)點(diǎn)，θ1，θ2，θ3分別是三個(gè)點(diǎn)極坐標(biāo)的極角，θ4是步進(jìn)電機(jī)從B點(diǎn)到C點(diǎn)需要偏移的角，那么θ就是C點(diǎn)到D點(diǎn)需要偏移的角，線段BC、CD就是需要偏移的距離。在這里需要說明一下執(zhí)行機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)