【正文】 ................................... 28 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 29 致謝 .............................................................................................................................. 30 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 1 緒 論 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其驅(qū)動(dòng)速度和指令脈沖嚴(yán)格同步，具有較高的重復(fù)定位精度，并能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和平滑速度調(diào)節(jié)。 但是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)往往還是有專(zhuān)門(mén)的模擬芯片控制器或者信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，缺乏靈活性和可靠性。而利用單片機(jī)進(jìn)行脈沖控制，控制精度高，外圍電路相對(duì)也比較簡(jiǎn)單，因此在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制 器應(yīng)用廣泛。 PIC 系列單片機(jī)具有體積小，功能強(qiáng)，功耗低、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)靈活方便和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，可以應(yīng)用在數(shù)字化儀器儀表，自動(dòng)測(cè)試和控制，智能化家用電器等領(lǐng)域 [3]。 該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能 ： 1．通過(guò)鍵盤(pán)可以設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)數(shù)（以整轉(zhuǎn)為單位）， 2．通過(guò)鍵盤(pán)可以設(shè)定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向， 3．鍵盤(pán)所設(shè)置的參數(shù)可以通過(guò) LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。 它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做的很小， 一般為 度， 但 噪聲和振動(dòng)都很大 [4]。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好。需供給正負(fù)脈沖信號(hào) [4]。它又分為兩相 、三相 和五相：兩相步距角一般為 度而五相步距角一般為 度。 （二） 步進(jìn)電機(jī)的 主要性能指標(biāo) 1． 電機(jī)固有步距角 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。/176。整步工作時(shí)為 176。它不一定 是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān) [5]。電機(jī)的相數(shù)不同，其步距角也不同，一般 二相電機(jī)的步距角為 176。、三相的為 176。、五相的為 176。[5]。 通常電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。 4． 啟動(dòng)頻率 啟動(dòng)頻率又稱(chēng)突跳頻率，是指步進(jìn)電機(jī)能夠不失步啟動(dòng)的最高頻率，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。負(fù)載量一定，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，或負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，負(fù)載慣量增加，都會(huì)使啟動(dòng)頻率下降 [5]。通常給出的也是空載情 況下的運(yùn)行頻率 [5]。從圖中可以看出，它分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分。定子上有 6 個(gè)磁極，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極組成一對(duì)，共有三對(duì)。每個(gè)磁極內(nèi)表面都分布著許多小齒，它們大小相同，間距相同。 當(dāng)某一相的磁極處于最大 磁導(dǎo)位置時(shí)，另外兩相必須處于非最大磁導(dǎo)位置，即錯(cuò)齒位置 [6]。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就是基于這一原理轉(zhuǎn)動(dòng)的。當(dāng) A 相控制繞組接通脈沖電流時(shí)，在電磁力作用下使 A 相的定、轉(zhuǎn)子對(duì)齊，相鄰的 B 相和 C 相小齒錯(cuò)開(kāi)。 圖 12 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理 [1] 若按 A→ B→ C→ A 循環(huán)順序通電，則步進(jìn)電機(jī)按一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)。按 AB→ BC→CA→ AB 或 A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→ A 順序通電則稱(chēng)為三相雙三拍或三相單、雙六拍。 （二） 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 由于本設(shè)計(jì)是選用 KP39HM2025 型混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為控制對(duì)象，下面主要介紹混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。 由于定子同一個(gè)極的兩端極性相同，轉(zhuǎn)子兩端極性相反，且錯(cuò)開(kāi)半個(gè)齒距，所以當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離平衡位置時(shí)，兩端作用轉(zhuǎn)矩的方向是一致的。 這種電機(jī)可以像反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)那樣做成小步距角，并有較高的啟動(dòng)頻率，同時(shí)它具有控制功率小的優(yōu)點(diǎn)。 （三） KP39M2025 型混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式 經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，該類(lèi)型混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以 兩相雙 四拍工作方式進(jìn)行工作 。 雙 四拍工作時(shí)各相通電的電壓和電流波形如圖13，圖 14 所示。這是因?yàn)?當(dāng)兩相通電后，兩相繞組中的電流幅值不同，產(chǎn)生電磁力的作用方向也不同，所以，其中一相產(chǎn)生的電磁力起到阻尼作用。 圖 13 正向旋轉(zhuǎn)、雙四拍工作方式時(shí)的相電壓，電流波形 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 6 圖 14 反向旋轉(zhuǎn)，雙四拍工作方式時(shí)的相電壓，電流波形 （四） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速 步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)空載啟動(dòng)頻率 fa， 即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能正常啟動(dòng)的脈 沖頻率 。 而在有負(fù)載的情況下，正常啟動(dòng)頻率應(yīng)該更低。 升降速有 兩 種方法：直線升降法，指數(shù)曲線升降法 。這種控制方法軟件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單 ，適用速度變化較大的快速定位，但是該方法不完全符合步進(jìn)電機(jī)的速度變化規(guī)律 ， 效果不是很理想。指數(shù)曲線 如圖16 所示，在開(kāi)始時(shí)加速度最大，隨著時(shí)間的推移，加速度逐漸減小，在理想情況下應(yīng)該減小為零，這種方法符合步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性，快速響應(yīng)特性好，升降時(shí)間短 。 如果采用指數(shù)曲線升降法，要用離散法將加減速曲線離散化。在程序運(yùn)行中，使用查表的方式 重裝定時(shí)常數(shù)，這樣做比用計(jì)算法節(jié)省時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度 [7]。 三、 液晶顯示模塊 OCMJ48C （一） 帶有中文字庫(kù)圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊的應(yīng)用 隨著儀表的智能化以及人們對(duì)顯示信息和 操作界面要求的不斷提高，液晶顯示器件得到了廣泛的應(yīng)用。 液晶顯示模塊是將液晶顯示器件，連接件，驅(qū)動(dòng)控制器， PCB 線路板，背光源，結(jié)構(gòu)件等裝配在一起的組件 ， 簡(jiǎn)稱(chēng) LCM。 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，段式 LED 顯示應(yīng)用比較廣泛，但由于電極引出線數(shù)量少，一般只能用于顯示數(shù)字和個(gè)別字符，無(wú)法顯示更多復(fù)雜的字符，而點(diǎn)陣型液晶顯示器則可以解決這個(gè)問(wèn)題。 （二） OCMJ48C 液晶顯示模塊的功能 本設(shè)計(jì)采用 OCMJ48C 液晶顯示模塊作為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的顯示部分，下 面 簡(jiǎn)要介紹一下該模塊的功能。 C 系列中文模塊可以顯示字母，數(shù)字符號(hào)，中文字型及圖形 ，具有繪圖及文字畫(huà)面混合顯示功能。所有的功能，包括 顯示 RAM，字型產(chǎn)生器 在內(nèi) 都包含在一個(gè)芯片里面，只要一個(gè)最小的微處理器系統(tǒng)，就可以方便操作模塊。提供多功能指令：畫(huà)面清除（ Display clear）、光標(biāo)歸位（ Return home） 、顯示打開(kāi) /關(guān)閉（ Display on/off）、光標(biāo)顯示 /隱藏（ Cursor on/off）、顯示字符閃爍（ Display character blink）、光標(biāo)移位 （ Cursor shift） 、顯示移位（ Display shift） 、垂直畫(huà)面卷動(dòng) （ Vertical line scroll） 、反白顯示 （ By_line reverse display） 、待命模式 （ Standby mode） [10]。這些特點(diǎn)使 PIC 系列單片機(jī)越來(lái)越受到中國(guó)用戶的青睞，在工業(yè)控制，智能儀表等不同領(lǐng)域得到廣泛的 應(yīng)用 [11]。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用 PIC16F877 型號(hào)單片機(jī)作為控制芯片 來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，調(diào)速以及 LCD 顯示等功能，下面介紹一下該類(lèi)型單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及用到的各模塊。基本功能區(qū)域的主要功能模塊包括以下 7部 分 ，它們是：程序控制區(qū)域，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域， E2PROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 區(qū)域 ，算數(shù)邏輯運(yùn)算區(qū)域，輸入 /輸出 端口模塊、多功能定時(shí)器模塊，核心模塊 [11]。下面主要介紹 一下用到的輸入 /輸出端口模塊和多功能定時(shí)模塊。大多數(shù)引腳除了具有 I/O 功能外，還配置有其它特殊功能。這些功能由器件上相應(yīng)外設(shè)的特點(diǎn)決定。 圖 17 是一個(gè)典型的 I/O 端口，它沒(méi)有畫(huà)出 I/O 引腳復(fù)用的外設(shè)功能。所有的寫(xiě)操作都是讀 修改 寫(xiě)入操作。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 10 圖 17 典型的 I/O 端口 [12] 3． 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器模塊的正常工作一般表現(xiàn)為計(jì)數(shù)累計(jì)功能，通常是由時(shí)鐘脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng) 的 。 PIC16F877單片機(jī)配置 3 個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器模塊，分別為 TMR0， TMR1 和 TMR2。下面主要介紹 TMR0 的功能特性及與該模塊相關(guān)的寄存器。 TMR0 在 RAM 數(shù)據(jù)寄存器中具有特定的地址001H 和 101H，可通過(guò)軟件指令進(jìn)行讀 /寫(xiě)操作。在 TMR0 計(jì)數(shù)溢出時(shí)，相應(yīng)的溢出中斷標(biāo)志自動(dòng)置位，可通過(guò)設(shè)置 TMR0 中斷使能狀態(tài)而產(chǎn)生溢出中斷 [12]。本控制系統(tǒng)主要是靠改變 TMR0 的計(jì)數(shù)初值以及 OPTION_REG 中的 分頻比 來(lái)調(diào)節(jié)脈沖的寬度，以達(dá)到精確調(diào)速的目的 [12]。系統(tǒng)電路由五部分組成，即輸入、顯示部分； PIC 單片機(jī)；驅(qū)動(dòng)控制電路；直流電壓源及步進(jìn)電機(jī)。 該控制系統(tǒng) 可實(shí)現(xiàn)如下功能： 1． 通過(guò)鍵盤(pán)可以設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)數(shù)（以整轉(zhuǎn)為單位）， 2． 通過(guò)鍵盤(pán)可以設(shè)定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向， 3． 鍵盤(pán)所設(shè)置的參數(shù) 可以通過(guò) LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。 為提高系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力，在單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)之間增加控制驅(qū)動(dòng)電路。 在該系統(tǒng)中輸入由單片機(jī)接口電路構(gòu)成的 1*4 鍵盤(pán)完成，單片機(jī)根據(jù)輸入的鍵值控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配，輸出脈沖控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行以及 LCD 顯示屏實(shí)時(shí)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的顯示。控制系統(tǒng) 電路圖如圖 22 所示。單片機(jī)內(nèi)部的 RAM 和 ROM即可滿足該設(shè)計(jì)的要求。 KP39HM2025 型混合 式 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 是兩相六線 制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，導(dǎo)線顏色分別為紅色、紅色、黃色、橙色、黑色、棕色。 由于單電壓驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 功率驅(qū)動(dòng) 元件少，成本低，適 用于驅(qū)動(dòng)小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或用于性能指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合，基于上述特點(diǎn)與 本設(shè)計(jì) 的要求恰好符合故采用此驅(qū)動(dòng)電路 對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。來(lái)自單片機(jī)的信號(hào)電壓經(jīng)過(guò)電流放大后加到三極管 VT 的基極，控制 VT 的導(dǎo)通和截止，從而控制相繞組的通電和斷電。 由于電感的存在，繞組的通電和斷電不能瞬時(shí)完成， 電流上升緩慢會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下降，因此應(yīng)縮短電流上升的時(shí)間常數(shù)，使電流前沿變陡。 圖 23 單電壓驅(qū)動(dòng)電路（其中一相） [13] （三）單片機(jī)與 LCD 顯示屏接口電路（ 8 位并行模式） 8 位并行模式下，模塊與單片機(jī)的接口電路如圖 24 所示。 OCMJ48C 液晶模塊的讀寫(xiě)控制信號(hào) R/W 由 PIC16F877 單片機(jī)的基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 15 RB4 來(lái)控制， RB3 連接液晶模塊的片選信號(hào) E， RB5 連接指令和數(shù)據(jù)通道選擇信號(hào) RS（ CS）， RB2 連接液晶模塊的并行模式和串行模式的數(shù)據(jù)選擇信號(hào) PSB， RB1 連接液晶模塊的復(fù)位信號(hào) /RST，因此液晶模塊的復(fù)位有 PIC16F877 單片機(jī)的程序控制。 圖 24 單片機(jī)與 LCD 顯示屏接口電路 （四）單片機(jī)與鍵盤(pán)接口電路 由于本控 制系統(tǒng)只用到四個(gè)按鍵，所以使用最簡(jiǎn)單的方法即將按鍵直接與單片機(jī) 引腳相連，一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)引 腳。單片機(jī)的 RC1與鍵盤(pán)的確認(rèn)鍵 S1 相連， RC2 連接鍵盤(pán)的電機(jī)方向設(shè)置鍵、速度設(shè)置鍵、轉(zhuǎn)數(shù)增 按 鍵S2， RC3 連接電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)減 按 鍵 S3， RC4 連接啟動(dòng)鍵 S4。具體參數(shù)為：相電壓 12V； 相電流 ； 阻抗 63Ω；精度。MPLABICD 既是一個(gè)在線調(diào)試器，又是一個(gè)編程器。將其仿真頭直接連接到應(yīng)用系統(tǒng)的 MCU 插座中，就如同一片 PIC16F87X 一樣運(yùn)行用戶的應(yīng)用程序。在線調(diào)試功能 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 17 實(shí)時(shí)、單步或斷 點(diǎn)運(yùn)行程序 對(duì)目標(biāo)應(yīng)用控制器進(jìn)行編程。MCLR/VPP 腳（系統(tǒng)復(fù)位 /編程電壓腳） RB6 和 RB7 保留為編程和在線調(diào)試用 程序存儲(chǔ)器第一條指令（地址 0X0000）必須是空操作指令 NOP[14] 表 21 不 同芯片被占用的資源 處理器類(lèi)型 被占用的通用寄存器 被占用的程序存儲(chǔ)器 PIC16F870/871/872 0x70,0x0BB0x0BF 0x06E00x07FF PIC16F873/874 0x70, 0x0EB0x0F0 0x0EE00x0FFF PIC16F876/877 0x70,0x1EB0x1EF 0x1F000x1FFF 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 18 第三章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 一、控制系統(tǒng)總流程圖 在本控制系統(tǒng)中， 相應(yīng)的控制信號(hào)由單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生，根據(jù)需要通過(guò)鍵盤(pán)輸入電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，轉(zhuǎn)動(dòng)速率及運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù) ，并通過(guò) LCD 顯示屏將電動(dòng)機(jī)各種設(shè)置信息及運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示 ，當(dāng)各參數(shù)設(shè)置完畢時(shí)按下啟動(dòng)鍵，使步進(jìn)電機(jī)按要求進(jìn)行工作 。本控制系統(tǒng)完全采用軟件的方式，按照給定的通電換向順序，通過(guò)單片機(jī)的 I/O 口向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖。 寄 存 器 初 始 化 設(shè) 置開(kāi) 始電 機(jī) 參 數(shù) 初 始 設(shè) 置結(jié) 束控 制 電 機(jī) 運(yùn) 行 圖 31 控制系統(tǒng)總流程圖 二、系統(tǒng)監(jiān)控模塊 （一）系統(tǒng)監(jiān)控模塊流程圖 在系統(tǒng)監(jiān)控中，應(yīng)完成系統(tǒng)的啟動(dòng)，進(jìn)行鍵盤(pán)掃描， 得到相應(yīng)鍵值，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速，運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)的設(shè)置，使設(shè)置參數(shù)在 LCD 顯示屏 動(dòng)態(tài) 顯示出來(lái)，并使步進(jìn)電機(jī)按照要求進(jìn)行工作。 基于 PIC 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 19 開(kāi) 始設(shè) 置 電機(jī) 轉(zhuǎn) 向按 下 確 認(rèn) 鍵3 S 內(nèi) 按 下啟 動(dòng)