【正文】 機電控制中一種常用的執(zhí)行機構，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。 一、步進電機常識 常見的步進電機分三種：永磁式（ PM），反應式（ VR）和混合式（ HB），永北京工商大學畢業(yè)論文（設計） 8 磁式步進 電機 一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 15度；反應式步進 電機 一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 ，但噪聲和振動都很大。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 。 二 、計算 在選用步進電機之前，我必須做一個計算，需要得到一個數(shù)值，以確定選用的步進電機必須提供多大的扭矩才能帶動我選用的液壓閥轉(zhuǎn)動起來！根據(jù)我選用的YG13H型高靈敏度 先導式 減壓閥 ，它的先導閥心的開口直徑為 2mm，本次畢業(yè)設計所要求的液壓閥的最大壓力為 30MPa，這樣我們就能算出，所需要步進電機的扭矩，計算如下： F = P * A =30 * * 1 * 1 = (液壓系統(tǒng)的阻力 ) P扭 = F * S = * =（電動機必須提供的扭矩） 根據(jù) 上面的計算，電動機的扭矩必須大于 ，所以根據(jù)需要我選用 混合式步進 電機 BS86HB6504 三 、混合式步進 電機 BS86HB6504 下面列出了 本次畢業(yè)設計用到的 混合式步進 電機 的一些典型參數(shù)： 產(chǎn)品名稱： BS86HB6504 步距精度 ： 5% 溫升 ： 80℃ Max 環(huán)境溫度 ： 20℃ ~+50℃ （圖 ） 絕緣電阻 ： 100MΩ Min 500VDC 耐壓 ： 500V AC 1minute 徑向跳動 ： 最 大 （ 450g 負載） 軸向跳動 ： 最大 （ 450g 負載） 電氣規(guī)格（ Specifications） ： 北京工商大學畢業(yè)論文（設計） 9 (表 ) 壓力傳感器的選擇 壓力傳感器 ，我選擇了 高溫壓力傳感器 TQ550 系列離子束濺射薄膜壓力傳感器 。由于不用傳統(tǒng)的膠粘工藝 ,顯著改善了應變式傳感器的長期穩(wěn)定性及抗蠕變特性 ，使產(chǎn)品使用的溫度范圍大為擴展。 技術參數(shù) ： 量 程 : 0～ 30 MPa 工作電壓 : 5 DC 精 度 : 177。 177。 絕緣電阻 : ≥1000MΩ 允許過載 : 120%FS 響應時間 : ≤1（ ms） 響應頻率 : 10KHZ 溫度對零點影響 : 177。%FS/℃ 突出 特 點： 高溫、高壓 ； 高精度、高穩(wěn)定性精度優(yōu)于 %/年 ； 抗振動、沖擊、耐腐蝕 ， 全不銹鋼結構 ； 體積小、重量輕 、 直接過程安裝 。） Length L(mm) Holding Torque () Resistance (Ω) Inductance (mH) Rotor inertia () Weight (Kg) BS86HB6504 51 275 北京工商大學畢業(yè)論文（設計） 10 我選擇這款壓力傳感器 的原因是， 高溫壓力 傳感器 TQ550它有很適合的量程 0～30MPa（與本次畢業(yè)設計的要求相符）；其次，它可以使用于液壓環(huán)境，可以耐高溫、高壓；然后，它的 響應時間 很短、 響應頻率 較快，可以說是很精密，很適合數(shù)字控制；最后，它體積較小，尺寸很合適我選定的液壓閥。 改造圖及說明 改造圖： （圖 ） 如圖 所示： 局部圖： 北京工商大學畢業(yè)論文（設計） 11 (圖 ) 如圖 所示 如 圖 ，此圖為 YG13H 型高靈敏度 先導式 減壓閥 改造成數(shù)字液壓閥的機械部分的改造圖。 YG13H 型高靈敏度 先導式 減壓閥 是一個定差減壓閥，它可以使液壓系統(tǒng)中的某一支 路的壓力低于系統(tǒng)壓力且保持壓力恒定。當出口油壓力低于先導閥的調(diào)定壓力時，先導閥關閉，主閥心上下兩腔壓力相等；當出口油壓力高于先導閥的調(diào)定壓力時，先導閥心移動，先導閥打開，主閥心的油液便從外泄口流回油箱。首先，編號 6 部分原是一個旋緊手柄，用于給液壓閥調(diào)定一個固定的壓力值，為了讓其可以進行遠程控制，我把旋緊手柄卸下，換上步進電機，并用 軸套 （圖示編號 6）連接步進電機的伸出軸與的伸出軸，讓其可以聯(lián) 動，即當步進電機旋轉(zhuǎn)時，液壓閥的軸也隨北京工商大學畢業(yè)論文（設計） 12 其一起旋轉(zhuǎn)。 其次，本設計中附加了隔板一個，為了可以讓步進電機可以擺放在液壓閥附近一個合適的位置上而設計，它的作用是支撐步進電機的重量，限制步進電機的位移，以防止其振動。編號 7 部分原是一個螺栓，卸下螺栓，便可以擰上尺寸相同的壓力傳感器 TQ550，它可以測定液壓閥系統(tǒng)內(nèi)部壓力油的壓力，并以電信號的形式反饋給控制系統(tǒng)，即反饋作用。 首先對 89C51單片機 進行程序編輯（在軟件部分進行講述）， 使其根據(jù)需要， 產(chǎn)生 一定頻率的 A、 B、 C、 D四相信號 (根據(jù)實際需 要 ,可擴充更多相信號 )， 這樣就可以控制步進電機按照需要一需要的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向進行動作 。 這樣步進電機就可以驅(qū)動負載（數(shù)字液壓閥），當絲杠開始動作（相當于旋緊手柄），系統(tǒng)的內(nèi)部壓力開始逐漸加大，此時壓力傳感器將不斷測量負載（數(shù)字液壓閥）的內(nèi)部壓力，并不斷反饋給 ADC0809 這個 A/D轉(zhuǎn)換芯片，而 ADC0809 芯片也會將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，再次反饋 給 89C51單片機 ，這樣周而復始，直到壓力到達需要值，系統(tǒng)將停止工作。系 統(tǒng) 的總體框圖如圖 。片內(nèi)是一個振蕩電路反相放大器的輸出端。片內(nèi)是一個振蕩電路反相放大器的輸入端。高電平有效，寬度在 24 個時鐘周期寬度以上， （圖 ） 使單片機復位。 ALE/（ /PROG）（ 30 腳）：地址鎖存信號端。平時不訪問片外存貯器時，該端以六分之一的時鐘振蕩頻率固定輸出脈沖。該引腳有復用功能， 為片內(nèi)程序存貯 器編程（固化）的編程脈沖輸入。負載能力為 8LSTTL 門。 /EA 端接低電平時， CPU 僅從片外程序存貯器取指令。 輸入 /輸出引腳 P0、 P P2 和 P3 口 ～ （ 39～ 32 腳）：訪問 片外存貯器時作為低八位地址線和八位數(shù)據(jù)線（復用）。 ～ （ 1～ 8 腳）： 8 位準雙向 I/O 口。 ～ （ 21～ 28 腳）：訪問片外存貯器時作為高八位地址線。負載能力為 3 個 LSTTL 門。 P3 口的第二功能 （ 10 腳）： RXD（串行口輸入端） （ 11 腳）： TXD（串行口輸出端） （ 12 腳）： /INT0（外部中斷 0 輸入端） （ 13 腳）： /INT1（外部中斷 1 輸入端） （ 14 腳）： T0（定時器 /計數(shù)器 0 外部輸入端） （ 15 腳）： T1（定時器 /計數(shù)器 1 外部輸入端） （ 16 腳）： /WR（片外數(shù)據(jù)存貯器寫選通信號輸出端） （ 17 腳）： /RD（片外數(shù)據(jù)存貯器讀選通信號輸出端） 步進電機工作原理的介紹 步進電機 工作原理 ： 以三相反應式步進電機為例 ,其典型結構如圖 所示。若換成 B相通電 ,則磁拉力使 B 相定、轉(zhuǎn)子小齒對齊 (轉(zhuǎn)過 ),而與 B相相鄰的 C相和 A相的定、轉(zhuǎn)子小齒又錯 開 ,即步進電機轉(zhuǎn)過一個步距角。若改變通電順序為 :A→ C→ B→ A,則電機反向轉(zhuǎn)動。若按 AB→ BC→ CA→ AB 或 A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→ A順序通電則稱為三相雙拍或三相單、雙六拍。所以 ,可以通過改變步進電機通電循環(huán)次序來改變轉(zhuǎn)動方向 ,可以通過改變通電頻率來改變其角頻率。 本次采用的是四相八拍步進電機，所以，通電方式為 A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA→ A，反轉(zhuǎn)則為 A→ DA→ D→ CD→ C→ BC→ B→ AB→ A。單片機內(nèi)部的 RAM 和 ROM 即可滿足該項目的要求 ,在以后的實際運用中 ,如需擴展較多的外部 RAM 和 ROM 時 ,可加上數(shù)據(jù)緩沖器。ULN2803AP 芯片 在整個電路中，起到一個驅(qū)動步進電機的作用， 由于步進電機工作需要較大的功率 ， 所以通常需要使用功率放大器來提供步進電機的工作電流 ,將 89C51單片機送來的弱電信號變?yōu)閺婋娦盘?,可以采用集成功放 ,也可以采用分立元件。通過上面的主要技術參數(shù)可以看出 ,直流固態(tài)繼電器 ULN2803AP 芯片完全可以滿足該設計對于放大的需要。它的工作電壓為5DC，輸出電壓為 5～ 15DC， 測量范圍為 0～ 30MPa。這樣，當輸出電壓為 5DC 時，測量出來的系統(tǒng)內(nèi)部壓力就是 0MPa；當輸出電壓為 15DC 時，測量出來的系統(tǒng)內(nèi)部壓力就是 30MPa。之后把壓力傳感器的輸出數(shù)據(jù)線接在芯片ADC0809的 IN0接口上，這樣芯片 ADC0809就可以讀取壓力傳感器輸出的電信號了。 芯片 ADC0809 的 IN0 引腳用于接收外部來的電信號，而 D0～ D7 引腳則用來輸出轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號，所以 D0～ D7 引腳與 89C51 單片機 P00～ P07 引腳相連。負載能力為 8 個 LSTTL 門 ，同時可以做A/D 轉(zhuǎn)換的接收端用，這一作用也正是本次設計中所需要的。最后芯片 ADC0809 的 CLK 引腳需要于系統(tǒng)的 CLK 引腳相連，使其與單片機 89C51的 CLOCK 保持一致。 其中 89C51 單片機 3 40引腳接電源（ +5V）， P10～ P13 引腳與放大芯片 8 引腳相連輸出控制信號； P00～ P07 與 D0～ D7 相連， CS～ P2 WR～ WR、 RD～RD、 INT0～ EOC 相連用于接受反饋信號。 芯片 ULN2803AP 的引腳 1接電源（ 5V）、 12 接地。 步進電機 6 引線接電源（ 12V），步進電機伸出軸與負載（數(shù)字液壓閥）的軸相連。 北京工商大學畢業(yè)論文（設計） 18 ADC0809 芯片，引腳 A、 B、 C 接地，而 CLK 引腳與系統(tǒng)的 CLK 相連以獲得相同的系統(tǒng)時鐘。 （圖 ） 第四章 控制系統(tǒng) 軟件部分設計 北京工商大學畢業(yè)論文（設計） 19 本次畢業(yè)設計中，采用的步進電機是四相步進電機，所以軟件的控制將采用四相八拍的控制方式，這樣可以很有效的提高精度，以適應數(shù)字液壓閥的高精度的控制。 所以，本次畢業(yè)設計的軟件編程，我也將采用 C語言進行編程，這樣既簡化了操作，也使我的程序的有了很大的可讀性。 如圖 ： （圖 ） 根據(jù) 控制流程圖 圖 ， 首先要編輯程序，然后要編譯程序，看程序是 否有錯誤。之后進行下一步通過放大電路，把脈沖傳給步進電機，使步進電機轉(zhuǎn)動，北京工商大學畢業(yè)論文（設計） 20 當步進電機轉(zhuǎn)動起來以后，會帶動數(shù)字液壓閥的伸出軸一起轉(zhuǎn)動，這樣數(shù)字液壓閥的系統(tǒng)壓力就會升高。此時 89C51單片機會判斷，數(shù)字液壓閥的系統(tǒng)內(nèi)部壓力是否已經(jīng)超過預設壓力值，如果沒有，則控制步進電機繼續(xù) 轉(zhuǎn)動，循環(huán)進行上一循環(huán)；如果已經(jīng)達到預設壓力值，則退出循環(huán)，系統(tǒng)不再動作。 環(huán)形脈沖分配 在單片機控制步進電機系統(tǒng)中 ,相應的控制信號由單片機來產(chǎn)生 ,根據(jù)需要 調(diào)整步進電機的頻率來控制轉(zhuǎn)動速率， 為了提高定位精度 ,四相步進電機采用八拍方式。 四相步進電機的四相分別為 ,構成的八拍為。步進電機各相為低電平有效。 unsigned char L_value[8] = {Ox0E,Ox0C,Ox0D,Ox09,Ox0B,Ox03,Ox07,Ox06}。 步進電機轉(zhuǎn)速 n = 頻率 Hz * 60 /(( 360 / T) * x) 其中：步進電機的轉(zhuǎn)速單位是：轉(zhuǎn) /分 、 頻率 H 單位是：赫茲 、 x：是 指細分倍數(shù) 、 T:固有步進角 。把數(shù)據(jù)帶入公式： 30 = H * 60/（（ 360 / ） * 2） H = 200Hz 所以設定步進電機的頻率為 200Hz。 所以步進電機要走 942步，根據(jù)每 200 步一圈，步進電機要轉(zhuǎn)至少 圈，才能達到需要的壓力，這大約需要 。 89C51單片機源程序 include REG51. H /* 宏包含 8051 頭文件 */ include /* 宏 A/D頭文件 */ define STARTED xbyte[Ox7F00] /* 定義 STARTED 數(shù)值存儲位置 */ define ADRESULT xbyte[Ox7f08] /* 定義 ADRESULT 數(shù)值存儲位置 */ unsigned char p1； unsigned char p0； unsigned char p3 北京工商大學畢業(yè)論文（設計） 22 sbit ADB