【正文】 方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖24的a，b，c所示：a)單四拍 b)雙四拍 c)八拍圖24 步進(jìn)電機(jī)工作方式（四相）1. 單四拍：通電順序?yàn)椋? A→B→C→D；2. 雙四拍：通電順序?yàn)椋? AB→BC→CD→DA；3. 四相八拍：通電順序?yàn)椋? A→AB→B→BC→C→CD→D→DA；這三種工作方式的區(qū)別，如下表所示：表21 步進(jìn)電機(jī)三種工作方式的性能比較工作方式單四拍雙四拍八拍步進(jìn)周期TTT每相通電時(shí)間T2T3T走齒周期4T4T8T相電流小較大最大高頻性能差較好較好轉(zhuǎn)矩小中大電磁阻尼小較大較大振蕩容易較容易不容易功耗小大中由表21可以看出這三種工作方式中，八拍的性能最好，單四拍的性能最差，因此，在步進(jìn)電機(jī)的控制應(yīng)用中，選擇合適的工作方式非常重要，本文主要研究的是四相八拍工作方式。θz =2π/Z (Z 是轉(zhuǎn)子的齒數(shù))步距角：指每給一個(gè)電脈沖信號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度的理論值。用百分比表示：誤差/步距角*100%。失調(diào)角：指轉(zhuǎn)子偏離零位的角度。最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 響應(yīng)頻率：在某一頻率范圍內(nèi)步進(jìn)電機(jī)可以任意運(yùn)行而不會(huì)丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。 步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步是一種普遍存在的現(xiàn)象，它影響應(yīng)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此要盡力去避免。這種能量越大，振蕩的趨勢(shì)越利害，當(dāng)控制脈沖的頻率等于自由振蕩的頻率時(shí)，就發(fā)生低頻振蕩，或稱之為低頻共振。在振蕩區(qū)，主要表現(xiàn)是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，振蕩加劇，噪音增大，力矩下降，嚴(yán)重的甚至失步。消除振蕩是通過(guò)增加阻尼的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要有機(jī)械阻尼法和電子阻尼法兩大類。1. 多相勵(lì)磁法：采用多相勵(lì)磁會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼，會(huì)削弱或消除振蕩現(xiàn)象。所以，可以設(shè)計(jì)一種電路，使電壓隨頻率的降低而減少，可以有效地消除振蕩。同時(shí)，也相對(duì)地提高步進(jìn)頻率，使步進(jìn)過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行。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)，稱之為失步。例如，步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，如果脈沖的頻率較高，由于電動(dòng)機(jī)來(lái)不及獲得足夠的能量，使其無(wú)法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，所以引起失步。注意，啟動(dòng)頻率不是一個(gè)固定值，提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、減少負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減少步距角都可以提高步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率。這主要發(fā)生在制動(dòng)和突然換向時(shí)，轉(zhuǎn)子獲得過(guò)多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過(guò)沖，引起失步。典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)本體三部分組成。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動(dòng)或停止都完全取決于脈沖的有無(wú)或頻率的高低。通常，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和電源組成?？刂齐娐份敵龅男盘?hào)功率很低，不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率，必須進(jìn)行功率放大，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)部分[8]。SST89E516RD單片機(jī)組成結(jié)構(gòu)中包含運(yùn)算器、控制器、片內(nèi)存儲(chǔ)器、4個(gè)I/O口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。40管腳雙列直插式封裝管腳圖如32圖所示。信號(hào)分配實(shí)際上就是按照某一種控制方式（根據(jù)需要進(jìn)行選定）所規(guī)定的順序發(fā)送脈沖序列，達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)方向的目的[9]。步進(jìn)電機(jī)的方向控制方法是：用單片機(jī)輸出接口的每一位控制一根相繞組。 驅(qū)動(dòng)模塊ULN2003 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅NPN 達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯片，如圖33所示。 圖33 ULN2003A芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖驅(qū)動(dòng)模塊直接采用ULN2003芯片，如圖35所示。 顯示模塊顯示模塊采用六位LED六段共陰數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，如圖33所示。采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式，硬件電路簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)便、顯示信息清晰[5]?？偣苍O(shè)置了4個(gè)按鍵，如圖34所示，其中四個(gè)控制按鍵組合執(zhí)行對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、加速減速四種控制功能，～。圖34按鍵部分電路 步進(jìn)電機(jī)部分該設(shè)計(jì)中所用到的步進(jìn)電機(jī)為四相六線步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)是種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(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)可以通過(guò)控制脈沖頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速[10]。圖36 本設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的接線本設(shè)計(jì)采用的步進(jìn)電機(jī)是四相六線步進(jìn)電機(jī)，因生產(chǎn)廠家不同，其接線也有所不同。表31 步進(jìn)電機(jī)控制線紅色紅色橙色棕色黃色黑色公共端公共端ABCD其中，A與C是電機(jī)內(nèi)部一組線圈的兩個(gè)抽頭，D與B是另一組線圈的兩個(gè)抽頭。35步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下表32所示。圖41 系統(tǒng)程序流程圖通過(guò)流程圖分析可以看出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于隨時(shí)有可能輸入加速、加速信號(hào)和方向信號(hào)，因而采用中斷方式效率最高，這樣總共要完成4個(gè)部分的工作才能滿足課題要求，即主程序部分、定時(shí)器中斷部分、外部中斷0和外部中斷1部分，其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置及啟動(dòng)開關(guān)的檢測(cè)，若啟動(dòng)開關(guān)合上則系統(tǒng)開始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時(shí)器部分控制脈沖頻率，它決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢；兩個(gè)外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能。其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設(shè)置內(nèi)容較多，該系統(tǒng)中，需要初始化定時(shí)器、外部中斷；對(duì)P1口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)速度，對(duì)方向值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向等內(nèi)容。圖42 主程序流程圖進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是給電機(jī)各繞組按一定的時(shí)間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通入電流，步進(jìn)電機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn)，時(shí)間間隔越短，速度就越快。程序流程圖如圖43所示[7]。速度增加按鈕K3為INT0中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當(dāng)值等于9時(shí)，不改變?cè)瓟?shù)值返回，小于9時(shí)，數(shù)據(jù)加1后返回；速度減少按鈕K4，當(dāng)原數(shù)據(jù)不為1，減1保存數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)為1則保持不變。圖44 外部中斷設(shè)計(jì)第5章 PCB板設(shè)計(jì)及硬件調(diào)試 Altium Designer簡(jiǎn)介Protel系列軟件是當(dāng)前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的EDA設(shè)計(jì)工具之一。在原理圖繪制、PCB版圖設(shè)計(jì)，編輯和制造,可編程邏輯器件(PLD)設(shè)計(jì)、仿真、板卡設(shè)計(jì)和自動(dòng)布線有著諸多的優(yōu)點(diǎn)：1. 支持不依賴于FPGA廠商即各個(gè)廠商通用的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)。3. 在工程的設(shè)計(jì)和調(diào)試階段都支持原理圖導(dǎo)向設(shè)計(jì)方法。5. 交互式布線，系統(tǒng)將動(dòng)態(tài)顯示最優(yōu)布線路徑，只需要敲擊鍵盤就可以完成單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的布線。在原理圖繪制過(guò)程中，可選擇庫(kù)中已存在的元件，對(duì)于沒(méi)有的元件，應(yīng)參照相關(guān)元件的資料，在原理圖庫(kù)中新建元件，原理圖庫(kù)里面可新建多個(gè)元件。 元件封裝對(duì)于已經(jīng)繪制好的原理圖，下一步就是對(duì)元件進(jìn)行封裝，雙擊元件—添加—Footprint，“PCB庫(kù)”選擇任意。如果庫(kù)里面沒(méi)有相應(yīng)的元件的封裝，則必須在集成庫(kù)下的PCB元件庫(kù)里面，根據(jù)芯片（元件）的資料，新建封裝。在右方就會(huì)生成自己新建的庫(kù)。比如是采用單面板、雙面板還是多層電路板，電路板需要多大的尺寸，采用什么樣的連接器，元件采用什么樣的封裝形式，是雙列直插（DIP）還是其他形式，元件的安裝位置等等。如果在這里出現(xiàn)問(wèn)題，很可能會(huì)對(duì)后面的工作造成很大的麻煩，甚至使設(shè)計(jì)工作無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。 電路板（PCB）編輯器首先根據(jù)已經(jīng)封裝好的原理圖，生成PCB板，步驟是：設(shè)計(jì)—Update PCB Docment—執(zhí)行更改—進(jìn)入印刷電路板（PCB）編輯器的編輯環(huán)境。其中有些參數(shù)可以直接采用系統(tǒng)的缺省值，有些參數(shù)必須根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行修改，而有些參數(shù)可以根據(jù)自己的習(xí)慣進(jìn)行設(shè)置。作圖環(huán)境設(shè)置：設(shè)計(jì)—規(guī)則，線寬約束為1530mil，大小在10*10cm以內(nèi)。盡管程序可以自動(dòng)根據(jù)電路板的外形尺寸布置各個(gè)元件的位置，但是畢竟不可能完全滿足設(shè)計(jì)的要求，因此用戶還要對(duì)元件的位置進(jìn)行手工調(diào)整，以便順利地進(jìn)行下面的布線工作。但是，由于算法的限制以及用戶的特殊要求或習(xí)慣，自動(dòng)布線往往也有許多不盡人意的地方，我們還必須靠手工進(jìn)行調(diào)整。 PCB文件的保存完成印刷電路板的布線工作后，我們應(yīng)該及時(shí)地將文件進(jìn)行存盤及打印輸出，以備以后雕刻電路板使用。 本設(shè)計(jì)的PCB本設(shè)計(jì)電路板采用單層。PCB板上的元器件放置的順序?yàn)椋?. 放置與結(jié)構(gòu)有緊密配合的固定位置的元器件，如電源插座、開關(guān)、連接件等，這些器件放置好后用軟件的LOCK功能將其鎖定，使之以后不會(huì)被誤移動(dòng)；2. 放置器件；3. 在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，元件的放置要考慮電路中的抗干擾能力。最終完成的PCB如圖51所示。為了驗(yàn)證作品的可行性，我還做了硬件電路，來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)作品中設(shè)計(jì)方案的主要功能及其理論進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，如圖44所示。當(dāng)硬件設(shè)計(jì)從布線到安裝完成之后，就開始進(jìn)入硬件調(diào)試階段，調(diào)試大體分為以下幾步。3. 排除元器件失效；設(shè)計(jì)采用SST89E516RD單片機(jī)作為控制模塊的核心，利用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)：1. 預(yù)設(shè)步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)圈數(shù)；2. 啟動(dòng)停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、加速減速等功能的基本控制；3. 同步顯示圈數(shù)；4. 電機(jī)轉(zhuǎn)至預(yù)置圈數(shù)內(nèi)循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)；5. 對(duì)預(yù)置數(shù)進(jìn)行清零操作。通過(guò)實(shí)際測(cè)試表明本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)、人機(jī)接口簡(jiǎn)單方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)。本論文，從硬件設(shè)計(jì)到軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)硬件的工作原理及設(shè)計(jì)原理，對(duì)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案做了仔細(xì)的分析和比較，最后確定下來(lái)完整可行的解決方案。硬件電路是為了驗(yàn)證方案原理而設(shè)計(jì)的，在調(diào)試過(guò)程中，也得到了令人滿意的效果，很好的驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。歲月如梭，四年中，雖然自己的專業(yè)技能不夠好，但是自己的學(xué)習(xí)能力得到了提高。本次設(shè)計(jì)的完成除了因?yàn)槲易约翰殚喠舜罅康馁Y料，總結(jié)并鞏固了專業(yè)知識(shí)，用心做好設(shè)計(jì)外，還因?yàn)榈玫搅死蠋熀屯瑢W(xué)的極力幫助，讓我明白了團(tuán)結(jié)合作的力量是無(wú)窮的。我還要感謝很有經(jīng)驗(yàn)的杜海洋同學(xué)的大力支持和幫助。同時(shí)，我還要衷心感謝大學(xué)中所有教過(guò)我的老師，感謝他們將知識(shí)毫無(wú)保留的傳授，感謝他們大學(xué)四年對(duì)我的敦敦教誨和關(guān)心及對(duì)我各方面的幫助，感謝陪伴我走過(guò)這難舍難忘四年時(shí)光的所有同窗，感謝你們的關(guān)心與幫助！最后，我要感謝我的父母，感謝你們這么多年對(duì)我含辛茹苦地養(yǎng)育和培養(yǎng)。uchar setFigure=0。bit flashState=1。uchar setedClockwiseRound=50。uchar countAnticlockwiseRound。uchar setedAnticlockwiseRoundDouble=50。//6 equal one roundsbit MotorRotationLed=P1^7。sbit longPressedLed=P1^6。bit motorSwitch=1。bit singleRotation=1。//minSpeed =1uint countDelayTime=0。//sfr StepMotorPort=0x90。bit nextStep=1。// 電機(jī)正反轉(zhuǎn)指令I(lǐng)O口的高低電平對(duì)應(yīng)表 //// 為串口sbit key1 =P3^2。sbit key3 =P3^4。define keyDelayTime 5define keyDown 0uchar keyCode=0。bit keyPressed=0。 //P2口 腳 分開控制 ，使buzz不受影響 sbit P20 =P2^0。sbit P22 =P2^2。sbit P24 =P2^4。unsigned cha