【正文】 ...................................................... 23 數(shù)碼線線路選用 .................................................................. 23 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) IV 數(shù)碼管現(xiàn)實(shí)電路設(shè)計(jì) .......................................................... 23 按鍵電路設(shè)計(jì) ................................................................... 24 5 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................................................. 25 設(shè)計(jì)框圖 ................................................................................. 25 程序流程圖 ............................................................................. 26 程序代碼 ................................................................................. 26 總結(jié) ......................................................................................................... 31 致謝 ......................................................................................................... 33 參考文獻(xiàn) ................................................................................................. 34 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 前言 步進(jìn)電機(jī)最早是在 20世紀(jì) 20年代由英國人開發(fā)的， 50年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。采用 MCSC51 單片機(jī)指令系統(tǒng)進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)軟件部分測(cè)試，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)上述功能。在我國，單片機(jī)已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制，自動(dòng)檢測(cè)，智能儀器儀表，家用電器，電力電子，機(jī)電一體化設(shè)備等 各個(gè)方面。成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者姓名： 付有超 專業(yè)名稱： 自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 楊明 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) I 摘要 步進(jìn)電機(jī)在近 20 年來，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，例如數(shù)控機(jī)床，繪圖機(jī)，計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備，自動(dòng)記錄儀表，鐘表和數(shù) — 模轉(zhuǎn)換裝置等，相應(yīng)其研制工作進(jìn)展迅速發(fā)展，電機(jī)的性能也有較大的提高。 單片機(jī)自 20 世紀(jì) 70 年代問世以來，以其極高的性能價(jià)格比，收到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。 本文通過 MCSC51 單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，主要介紹了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電路和 LED 顯示電路的設(shè)計(jì)，包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制，系統(tǒng)為一自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過按鍵向單片機(jī)輸送控制信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)，在 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)闡述了脈沖產(chǎn)生電路以及對(duì)速度的控制，該系統(tǒng)具有成本低，控制方便的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞： MCSC51 步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng) 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) II Abstract Stepper motor in the past 20 years, has been widely used in digital control systems, such as CNC machine tools, plotters, puter peripherals, automatic recording instruments, watches and digital analog conversion devices, corresponding progress in the development of rapid development motor performance has greatly improved. SCM 70 since the advent of the 20th century, with its high performance and low cost, receive people39。往后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛應(yīng)用在需要高精度，高分辨能力，高響應(yīng)性，信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。 步進(jìn)電機(jī)是一種通過電脈沖信號(hào)控制相繞組電流實(shí)現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)電元件 ,與其他類型電機(jī)相比具有易于開環(huán)精確控制、無 積累誤差等優(yōu)點(diǎn) ,在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。很多這種控制系統(tǒng)在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)上已經(jīng)做的非常好，比如細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。這是課題研究的基礎(chǔ)性內(nèi)容。 通過教師的悉心指導(dǎo)和自己的努力，完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)任務(wù)，成功完成單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 1950 年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。在生產(chǎn)過程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。經(jīng)過近七十年的發(fā)展，逐漸形成以混合式與磁阻式為主的 產(chǎn)品格局。 步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化裝備，辦公自動(dòng)化設(shè)備中有這廣泛的應(yīng)用，近年來，控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，有力地推動(dòng)了步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，提高了步進(jìn)電機(jī)的高性能伺服控制的設(shè)計(jì)方法與具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)，反映了步進(jìn)電機(jī)伺服控制技術(shù)的最新發(fā)展。尤其是美國 INTEL 公司生產(chǎn)的 MCS51 單片機(jī)基本內(nèi)核為核心的各種擴(kuò) 展型，增強(qiáng)型的新型單片機(jī)不斷推出，所以在今后若干年內(nèi)， MCS51 系列以及世界其他各大公司生產(chǎn)的與其兼容的各種增強(qiáng)型，擴(kuò)展型的單片機(jī)。目前在工業(yè)控制，智能儀器儀表，辦公室自動(dòng)化，家用電器等諸多領(lǐng)域，到處都可見單片機(jī)的蹤影，單片機(jī)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用水平已成為一個(gè)國家工業(yè)化發(fā)展水平的標(biāo)志之一。因此，設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)具有現(xiàn)實(shí)意 義和實(shí)用價(jià)值。利用單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率，安全，以及降低勞動(dòng)強(qiáng)度。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。根據(jù)不同的分類方式，可將步進(jìn)電機(jī)分為多種類型。 表 步進(jìn)電 機(jī)的分類 分類型式 具體類型 按力矩產(chǎn)生的原理 反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無繞組，由被勵(lì)磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行。 按輸出力矩的大小 伺服式：輸出力矩在幾百～幾 ，只能驅(qū)動(dòng)較小的負(fù)載，要與液壓扭矩放大器配用，才能驅(qū)動(dòng)大負(fù)載。 按定轉(zhuǎn)子數(shù) (1)單定子式； (2)雙定子式； 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 (3)三定子式； (4)多定子式。如圖 所示，這是一臺(tái)典型的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。定子上共有六個(gè)磁極，每個(gè)磁極上都有許多小齒。根據(jù)工作要求，定子磁極上的小齒的齒距與轉(zhuǎn)子磁極上的小齒必須相等，而且轉(zhuǎn)子上齒數(shù)有一定的限制。 1. 永磁式步進(jìn)電機(jī) 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度 或 15 度； 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩大，動(dòng)態(tài)性能好，但步距角大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 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。 3. 混合式步進(jìn)電機(jī) 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁 場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 有了上述關(guān)系我們就不難推出定時(shí)時(shí)間與速度之間的關(guān)系： 1/ 1/ 4T N V?? 若定時(shí)器控制位 TMOD=01H，那么定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為： 2 1 6 1 / 4 * / 1 2X V fo c?? 式中 foc 為晶振頻率。 步進(jìn)電機(jī)加減速控制 速度控制的加、減控制是最基本的控制。 Δ SΔ SΔ SΔ STF 圖 線性加減速控制曲線 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 加速度有兩種方案：線性加 / 減速度控制和等步距加 /減速度控制。等步距加 /減速度控制的優(yōu)點(diǎn)，在于加 /減過程中電機(jī)走的步數(shù)可以非常精確的計(jì)算，這一點(diǎn)對(duì)于加 /減的位置控制非常重要，但從 電機(jī)要克服慣性力來看，線性加速度方案好些，調(diào)試也方便。 步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率（突跳頻率）一般為 到 3~4KHZ，而醉倒運(yùn)行頻率則可以達(dá)到 N 直接啟動(dòng)，將出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象。但實(shí)際應(yīng)用對(duì)啟動(dòng)段的處理可采用直線擬合的方法?？砂磧煞N 情況處理： 1. 已知突跳頻率則按突跳頻率分段啟動(dòng)，分段數(shù)為 n=f/fq。 在運(yùn)行控制過程中，將起始的速度（頻率）分為 n 分座位階梯頻率，采用“階梯升速法”將速度連續(xù)升到所需要的速度，然后鎖定，按預(yù)置的曲線運(yùn)行，如圖 所示； tf放 大 器 的 啟 動(dòng) 過 程啟動(dòng)頻率 f2f1 Δ f 圖 階梯升速法 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加 /減速控制，實(shí)際上是控制發(fā)脈沖 的頻基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 率，升速時(shí)，使脈沖頻率增高，減速時(shí)相反。速度從 V1V2，如果是線性加速度，則按給定的斜率升 /降速；如果是突變，則按“階梯升速法”處理。 1. 速度轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)盡量短：為了縮短速度轉(zhuǎn)換的時(shí)間，可以采用建立數(shù)據(jù)表的方法。 2. 保證控制速度的精確性：要 從一個(gè)速度準(zhǔn)確達(dá)到另外一個(gè)速度，就要建立一個(gè)校驗(yàn)機(jī)制，以防超過或未達(dá)到所需速度。在這三路輸入信號(hào)的共同的控制下，驅(qū)動(dòng)器一般有一個(gè)接入端 0PT0，該端口為三路信號(hào)的公共端，三路輸入信號(hào)在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部竭誠共陽方式，所以 OPTO 端須接外部系統(tǒng)的 VCC，并在需要的情況下加限流電阻 R，保證驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部光耦提供 合適的 電流。 2. 方向電平 DIR 方向電平信號(hào) DIR 用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，此端為高電平時(shí)，電機(jī)一個(gè)轉(zhuǎn)向，此端為低電平時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向，電機(jī)轉(zhuǎn)向必須在電機(jī)停機(jī)或者降到某一值后進(jìn)行，并且換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè) CP 脈沖結(jié)束以及下一個(gè)方向的第一個(gè)脈沖前發(fā)出。電機(jī)處于自由無力矩狀態(tài)，當(dāng)此信號(hào)為高電平時(shí)或懸空不接時(shí)，取消脫機(jī)狀態(tài)，此信號(hào)用戶可選用，如果不需要此功能，此端不接即可。如圖 所示。 脈 沖 C P方 向 D I R前 D I R 的 最 后 一 個(gè)C P 脈 沖下 D I R 的 第 一 個(gè) C P 脈 沖此 時(shí) D I R 的 轉(zhuǎn) 向圖 升降速 換向三個(gè)過程 步進(jìn)電機(jī)的位置控制 步進(jìn)電機(jī)不需要位置傳感器，就可依照輸入的脈沖數(shù)決定移動(dòng)量，并將負(fù)載順利、正確地送達(dá)指定位置點(diǎn)上。將發(fā)給電機(jī)的脈沖，用計(jì)數(shù)器通道計(jì)數(shù)，到最后通過 CPU 停發(fā)脈沖就是了，但是這種不帶加 /減速控制的位置控制，除非速度特別低，否則會(huì)在起停時(shí)造成器械沖擊、失步。 TFs abaf 2s aF = 0 圖 加減速控制速度曲線 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 步 進(jìn)電機(jī)在僅給予電壓時(shí)，電機(jī)是不會(huì)動(dòng)作的，必須透過脈沖產(chǎn)生器提供位置（脈波數(shù)）、速度的脈沖信號(hào)指令，以及驅(qū)動(dòng)器電流流過電機(jī)內(nèi)線圈，依順序切換激勵(lì)磁相序的方式才能讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 2. 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器：依控制器所投入的脈沖信號(hào)指令提供電流，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 3 單片機(jī)概述 單片