【正文】 光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)直線(xiàn)位移控制。 在衛(wèi)星、雷達(dá)等應(yīng)用場(chǎng)合，中國(guó)在文化大革命后期，就生產(chǎn)了力矩電機(jī)，就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機(jī)，在高品質(zhì)的控制場(chǎng)合，有時(shí)還不能使用步進(jìn)電機(jī)。 2 課步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)簡(jiǎn)介 步進(jìn)電機(jī)介紹 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。臨沂大學(xué) 2 您可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的 。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。 正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的是步距角為 度的四相八拍 永磁式步進(jìn)電機(jī)。常用 m表示。 θ=360 度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) *運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50齒電機(jī)為例。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。 臨沂大學(xué) 3 失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。 最大空載起動(dòng)頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制： 當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)?AABBBCCCDDDA 時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈ADCDCBCBABA 時(shí)為反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率 (f)成正比，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。 臨沂大學(xué) 4 圖 1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖 開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān) SB 接通電源， SA、 SC、 SD 斷開(kāi)， B相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3 號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的 4 號(hào)齒就和 C、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5號(hào)齒就和 D、 A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒 。而 0、 3 號(hào)齒和 A、 B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5號(hào)齒就和 A、 D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖 22 所示： 圖 2 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 步進(jìn) 電機(jī)的分類(lèi)與選擇 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（ PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（ HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 ， 但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn) 生轉(zhuǎn)動(dòng)，它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好 ， 但步距角一般比較大。 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛， 它 是PM 和 VR 的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。 步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜 轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。 步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 度 / 度（五相電機(jī)）、 度 / 度（二、四相電機(jī)）、 度 /3 度 （三相電機(jī)）等。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和 摩擦負(fù)載二種。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。 電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線(xiàn)圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓） 。M Ω=2π 米 P=2πfM/400( 半步工作） 臨沂大學(xué) 6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專(zhuān)用設(shè)備 —— 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 .步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，除與電機(jī)本身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出步進(jìn)脈沖和方 向信號(hào)，每發(fā)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，即步進(jìn)一步?？刂破鞯姆较蛐盘?hào)決定步進(jìn)電機(jī)的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一旦接收到來(lái)自控制器的方向信號(hào)和步進(jìn)脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機(jī)通電方式產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組導(dǎo)通或截止信號(hào)。功率驅(qū)動(dòng)電路向步進(jìn)電機(jī)控制繞組輸入電流，使其勵(lì)磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)繞組的電氣特性 步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是在鐵心上的銅線(xiàn)圈，電阻和電感是電機(jī)相繞組的兩個(gè)固有屬性，電機(jī)的性能和這兩個(gè)因素密切相關(guān)。繞組線(xiàn)圈的電阻是電機(jī)溫升和電能損耗的主要因素。圖 23 表明了一個(gè)電感一電阻電路的電氣特性。在 t=t:時(shí)刻，電路斷開(kāi)與直流電壓源 V 的連接，并且短路，電路中的電流以初始速率一 V/L開(kāi)始下降，電流變化規(guī)律為 : I(t)=VeR(tt1)/L/R 不同頻率的矩形波電壓施加到該電路上，電流波形如圖 32 所示。當(dāng)矩形波頻率上升達(dá)到某一臨界頻率，電流剛達(dá)到最大值就開(kāi)始下降 (b)；矩形波頻率超過(guò)此臨界值后，繞組中的電流不能達(dá)到最大值 (c)。 圖 4 不同頻率脈沖作用下電感 電阻電路的電流波形 臨沂大學(xué) 8 要改善電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的性能，有兩種辦法 :提高電流上升速度 VA 和減小時(shí)間常數(shù) L/R?；蛘咴陔娐分写?lián)電阻，使 L/R 減少。圖 25中表示單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)圖。 圖 5 典型單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要與外界交換信息。單片機(jī)芯片與其它 CPU 比較，功能雖然要強(qiáng)得多，但由于芯片結(jié)構(gòu)、引腳數(shù)目的限制，片內(nèi) ROM、 RAM、 I/O 口等不能很多，在構(gòu) 成實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)需要加以擴(kuò)展，以適應(yīng)不同的工作情況。 圖 6 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置的狀況，可以分為最小應(yīng)用系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)、典型應(yīng)用系統(tǒng)。這種系統(tǒng)成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常用來(lái)構(gòu)成簡(jiǎn)單的控制臨沂大學(xué) 9 系統(tǒng)，如開(kāi)關(guān)量的輸入 /輸出控制、時(shí)序控制等。 AT89C51 簡(jiǎn)介 AT89C51 的主要參數(shù) 如表 1所示： 表 1 AT89C51 的主要參數(shù) 型號(hào) 存儲(chǔ)器 定時(shí)器 I/0 串行口 中斷 速度 （ MH） 其它特點(diǎn) E178。PROM 電可編閃速存儲(chǔ)器。PROM 中的程序被非法復(fù)制。程序存儲(chǔ)器 E178。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 主要特性： 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) 圖 7 單片機(jī)的引腳排列 臨沂大學(xué) 10 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 32 可編程 I/O 線(xiàn) 5 個(gè)中斷源 低功耗的閑置和掉電模式 GND：接地。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1時(shí)，被定義為高阻輸入。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0外部必須被拉高。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是 由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口： P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2口緩沖器可接收，輸出 4個(gè) TTL門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě) “1” 時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址 “1” 時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P3 口： P3口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個(gè) TTL 門(mén)電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 RST：復(fù)位輸入。 ALE/PROG：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時(shí)， ALE 端以不 變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。臨沂大學(xué) 12 有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě) “1” 且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。在閑置模式下， CPU 停止工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 圖 8 系統(tǒng)整圖 電源部分 利用 LM7812和 LM7805芯片得到 12V和 5V的電壓，它們的應(yīng)用要注意以下幾點(diǎn)：（ 1）輸入輸出壓差不能太大 ,太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低，而且容易擊穿損壞； （ 2） 輸出電流不能太大， 是其極限值。 其中 12V 電壓給步進(jìn)臨沂大學(xué) 13 電機(jī)供電， 5V 電壓則給單片機(jī)供電。 （ 1）、產(chǎn)生 12V的電壓給步 進(jìn)電機(jī)供電 圖 9 12V 電路部分 （ 2）產(chǎn)生 5V 的電壓給單片機(jī)供電 圖 10 5V 電路部分 最小系統(tǒng) 基本電路的最后一個(gè)部分是存儲(chǔ)器的設(shè)置，如果 31 腳接電源，則采用內(nèi)部存儲(chǔ)器，如果 31 腳接地，則采用外部存儲(chǔ)器。這是做任何單片機(jī)設(shè)計(jì)都必須有的部分。 臨沂大學(xué) 14 圖 11 最小系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)部分 此電路是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分，我選用的是 ULN2021 芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)的 ， ULN2021 系列是一款高耐壓，大電流達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)器，包含 7個(gè) NPN 達(dá)林頓管。 圖 12 驅(qū)動(dòng)部分 狀態(tài)指示部分 狀態(tài)指示用 P0 口控制 LCD 的顯示， STA顯示的是轉(zhuǎn)動(dòng)的方向， SPD 顯示的是轉(zhuǎn)動(dòng)的速度， RUN 顯示的是機(jī)器是否運(yùn)轉(zhuǎn)，用它來(lái)表示步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài)。 圖 13 狀態(tài)指示部分 按鍵部分 本次設(shè)計(jì)選用的是單片機(jī)的 P2 口來(lái)控制信號(hào)的輸入，所以把按鍵開(kāi)關(guān)和 P2口連接起來(lái)，當(dāng)按下開(kāi)關(guān) KEY1 時(shí)，相當(dāng)于給 口一個(gè)低電平，開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)按下開(kāi)關(guān) KEY2時(shí)，相當(dāng)于給 口一個(gè)低電平，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，相反則正轉(zhuǎn)；當(dāng)按下開(kāi)關(guān) KEY3 時(shí)，相當(dāng)于給 口一個(gè)低電平，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 臨沂大學(xué) 15 圖 14 按鍵部分 時(shí)鐘部分 時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏，可以通過(guò)提高時(shí)鐘頻率來(lái)提高 CPU 的速度，本次設(shè)計(jì)采用的晶振為 12MHz。 圖 15 時(shí)鐘部分 復(fù)位部分 根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開(kāi)關(guān)復(fù)位。如圖 16。 Keil 提供了包括 C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部分組合在一起。如果你使用 C語(yǔ)言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選，即使不使用 C 語(yǔ)言而僅用匯編語(yǔ)言編程，其方便易用的集成環(huán)境 、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)令你事半功倍。新的用戶(hù)界面可以更好地利用屏幕空間和更有效地組織多個(gè)窗口，提供一個(gè)整潔，高效的環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。 2021年 3月 ARM公司發(fā)布最新集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 RealView MDK 開(kāi)發(fā)工具中集成了最新版本的