【正文】 應(yīng)的轉(zhuǎn)速、行進距離、行進中的坐標(biāo)值實時變化狀態(tài)和電機運行狀態(tài)以及電機運行是否到位等信息。在上位機系統(tǒng)界面上通過程序設(shè)計實現(xiàn)了對各個坐標(biāo)方向的步進電機的遠程控制操作以完成對應(yīng)的各個步進電機相應(yīng)的啟動、急停、前進、返回等一系列動作以及相應(yīng)轉(zhuǎn)速值、行進坐標(biāo)值的實時輸入發(fā)送與接收顯示，達到遠程監(jiān)控的效果。s design and software39。s start and stop, positive inversion and revolving speed39。s precise cutting of up and down, front and back. Relevant numerical value typed by the keyboard in real time controls each stepper motor39。s realtime state of change on the move, motor39。步進電機又稱為脈沖電機，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種常用執(zhí)行元件。步進電機的角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速，或線速度與脈沖頻率成正比。此外，其還可以在很寬的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖輸出頻率來調(diào)速，能夠快速啟動、反轉(zhuǎn)和制動。在實際應(yīng)用[1]中，步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的執(zhí)行元件之一，在數(shù)控機床、機器人控制、繪圖儀、物料計量、包裝機械等精密機械中都有應(yīng)用?；谖⑿蛦纹瑱C的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀步進電機最早是在 19 世紀 20 年代由英國人開發(fā)的，并成功地被英國海軍用作定位控制和遠程遙控。目前在國外，在大功率的工業(yè)設(shè)備驅(qū)動上從驅(qū)動電路的成本、加速度絕對速度、系統(tǒng)慣量與最大扭矩比及噪音和效率上來看，現(xiàn)基本上不使用大扭矩步進電動機，而是用直流電動機，這相 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 頁對于步進電機來說比較經(jīng)濟合算。隨著微型計算機與控制技術(shù)的發(fā)展，目前在國外更傾向于用更多現(xiàn)代的手段逐步將步進電機排擠出驅(qū)動應(yīng)用，當(dāng)然除了旋轉(zhuǎn)編碼器、打印機、復(fù)印機還使用光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動機，實現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制 。在對步進電機的細分控制技術(shù)上，國內(nèi)在改革開放初期才基本掌握，這要遠遠晚于國外。往后經(jīng)過不斷的改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要較高定位精度、高響應(yīng)性、穩(wěn)定性等靈活控制性高的機械控制系統(tǒng)中。在組成結(jié)構(gòu)形式上，步進電機存在多種不同的結(jié)構(gòu)形式?；旌鲜讲竭M電機最初是作為一種低速永磁同步電機設(shè)計的，是工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的步進電機品種。[3] 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容在一般的步進電機工作中，其電源均采用單極性直流電，通過對步進電機的各相繞組按恰當(dāng)?shù)臅r序方式通電，就可使其執(zhí)行步進轉(zhuǎn)動。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊，從而使步進電機向前走一步。只要能正確控制輸入的電脈沖數(shù)、頻率以及電機各相繞組通電的相序，即可得到所需要 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 頁的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向，通過單片機輸出一定頻率的脈沖給步進電機驅(qū)動芯片就能夠很容易地實現(xiàn)對步進電機的數(shù)字化控制。由單片機產(chǎn)生的控制脈沖信號送于步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動器接收到脈沖信號并驅(qū)動步進電機完成啟停、正反轉(zhuǎn)等一系列動作以此驅(qū)動與電機相鏈接的由螺旋絲桿構(gòu)成的機械裝置，以實現(xiàn)切割機上下、前后的精確運動。此外在 PC 機上設(shè)計一個基于 VB 語言的人機交互界面，并通過 RS232 與單片機實現(xiàn)串口的雙向?qū)崟r通信，以此在人機界面下控制完成電機相應(yīng)的一系列動作，并能實時顯示與電機相對應(yīng)的運行狀態(tài)等相關(guān)信息，以達到遠程監(jiān)控的效果。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 方案的選擇與論證1．基于電子電路的控制由于步進電機是受電脈沖信號控制的，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的功能來實現(xiàn)。步進電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。在該方案下的系統(tǒng)主要由三部分組成：即脈沖信號的產(chǎn)生電路、脈沖信號的分配電路、功率放大驅(qū)動電路。脈沖控制器功率放大驅(qū)動電路環(huán)形分配器步進電機 圖 基于電子電路控制系統(tǒng)此種方案即可作為開環(huán)控制，也可實現(xiàn)閉環(huán)控制。但如果采用閉環(huán)控制，就可以實現(xiàn)高精度的細分，進而可以實現(xiàn)無級調(diào)速。該方案大多是通過一些大規(guī)模集成電路來控制實現(xiàn)實際需要的脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，但功能相對較為單一，如需改變控制方案，那么設(shè)計 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 頁電路就得需要重新設(shè)計，并且還要消耗大量的元器件，使得設(shè)計成本過高。2．基于 PLC 的控制PLC 也可稱為可編程控制器，是一種專門在工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)上廣泛使用的計算機?；?PLC 的步進電機控制系統(tǒng)有 PLC 控制器、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成。環(huán)形脈沖分配器將PLC 輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應(yīng)的電磁繞組。采用軟件環(huán)形分配器占用 PLC 的 CPU 資源較多，特別是步進電機繞組相數(shù)大于4 時，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該不予以考慮。步進電機功率驅(qū)動電路將 PLC 輸出的控制脈沖經(jīng)過功率運放將其放大，以力求達到比較大的驅(qū)動能力，使得能夠驅(qū)動步進電機運行。但由于 PLC 的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制。3．基于單片機的控制采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。系統(tǒng)采用單片機 I/O 口接口線直接接步進電機驅(qū)動芯片的輸入端，進而輸出控制脈沖去控制步進電機各相繞組的通電。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)軟件編程實現(xiàn)，通過采用軟件編程的辦法實現(xiàn)對控制脈沖的分配?；谝陨蟽?yōu)點，本論文的設(shè)計采用基于單片機的步進電機的控制方案。系統(tǒng)各部分組成框圖如圖 所示。步進電機轉(zhuǎn)動的角度大小與單片機輸出的脈沖數(shù)成正比，而步進電機轉(zhuǎn)動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進電機轉(zhuǎn)動的的方向與電機各相繞組通電的順序有關(guān)，也就是說與輸出的脈沖順序間接有關(guān)。而步進電機模塊也就是被控對象，主要是驅(qū)動與之鏈接的由螺旋絲桿構(gòu)成的機械裝置，以此完成系統(tǒng)的上下前后左右的直線位移運動。LGM12641BS1R 液晶顯示模塊主要是顯示輸入和正在運行的各個電機的轉(zhuǎn)速、電機步進量及電機的運行狀態(tài)等系統(tǒng)的實時信息。鍵盤輸入模塊，為了節(jié)省 I/O 口并得到滿足系統(tǒng)要求的鍵值，采用矩陣鍵盤掃描方式獲取相應(yīng)鍵值，通過設(shè)定的相應(yīng)鍵值處理子程序，并通過子程序?qū)崿F(xiàn)完成了各個電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、電機速度及步進量的設(shè)定等功能。圖 系統(tǒng)總體框圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 單片機最小系統(tǒng) AT89S52 簡介AT89S52 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S 系列中的增強型產(chǎn)品，采用了該公司的技術(shù)領(lǐng)先的 Flash 存儲器，是低功耗、高性能、采用 CMOS 工藝制造的 8 位單片機。它的 Flash 程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中，功能強大。 圖 PDIP 封裝的 AT89S52 引腳排列圖該芯片各引腳的名稱、序列號及簡要功能說明如表 所示。作為輸出口用時，可以能驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，該口內(nèi)無上拉電阻，由兩個 MOS 管串接，既可以斷開漏極輸出又可以處于高阻態(tài)，因此稱為雙向、漏極開路 I/O 口。在對片內(nèi) F1ash 存儲器編程時，該口作為接收指令的字節(jié)代碼，而在程序校驗時需，要求外接 10kΩ的上拉電阻。作為輸入口使用時，需對每個引腳寫入 1 成為高阻抗輸入口，這時該口為準雙向 I/O 口。將每個引腳置成高電平 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。P2 口 21~28 引腳：P2 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位、準雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯門電路。在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVXDPTR 指令）時，P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。Flash 編程或校驗時，P2 亦接收高字節(jié)地址和一些控制信號。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯門電路。作輸入端時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL） 。此外 P3 口還能接收一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。當(dāng)振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機系統(tǒng)復(fù)位。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10頁 表 P3 口的引腳的第二功能端口引腳 第二功能 說 明 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 INT0外部中斷 0 請求 1外部中斷 1 請求 T0 定時器 0 外部事件計數(shù)輸入 T1 定時器 1 外部事件計數(shù)輸入 WR外部 RAM 寫選通 D外部 RAM 讀選通 ALE/PROG 端口 30 引腳：低字節(jié)地址鎖存允許信號 /編程脈沖輸入端。在非訪問外圍器件期間，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘信號或用于定時目的。如果有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的 8EH 單元的PROGD0 位置位，可禁止 ALE 操作。此外，該引腳會被微弱信號拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ALE 無效。每個機器周期兩次 有效，即輸出兩個脈沖。/VPP 端口 31 引腳： 為訪問芯片內(nèi)部和芯片外部程序存儲器的選擇信號。 端為高電平（接電源電壓 VCC）時，CPU 首先從芯片內(nèi)部程序存儲器（地址為 0000H~FFFFH）的 0000H 單元開始讀取存儲的指令代碼，如果芯片外部有擴展的程序存儲器，則 CPU 在執(zhí)行完芯片內(nèi)部程序存儲器種的程序后，自動轉(zhuǎn)向去執(zhí)行外部程序存儲器中的程序。對片內(nèi) Flash 存 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11頁儲器進行編程時，該引腳接編程電壓 VPP（5V 或 12V） ，對編程程序進行校驗時，該引腳接電源電壓 VCC。XTAL2 端口 18 引腳：芯片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。程序存儲器：如果 引腳接地（GND） ，全部程序均執(zhí)行外部存儲器。數(shù)據(jù)存儲器：AT89S51 的具 128 字節(jié)的內(nèi)部 RAM，這 128 字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問，堆棧操作可利用間接尋址方式進行，128 字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。對外接電容 Cl、C2 雖然沒十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。10pF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇 40pF177。當(dāng)然，用戶也可以采用外部時鐘。由于外部時鐘信號是通過一個 2 分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。編程方法可通過傳統(tǒng)的 EPROM 編程器使用高電壓（+12V ）和協(xié)調(diào)的控制信號進行編程。編程前，須設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號，AT89S52 編程方法如下：首先在地址線上加上要編程單元的地址信號， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12頁其次在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)，進而激活相應(yīng)的控制信號，再者將 EA/Vpp端加上+12V 編程電壓，此外在每對 Flash 存儲陣列寫入一個字節(jié)或每寫入一個程序加密位，加上 ALE/PROG 編程脈沖。改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù)，重復(fù)以上步驟，直到全部文件編程結(jié)束。在本設(shè)計當(dāng)中，單片機的 P0 口、 P1 口、P2 口、P3 口全部參與系統(tǒng)工作，單片機最小系統(tǒng)的接線如圖 所示。? P1 口的全部端口主要用于外接矩陣鍵盤電路并由此通過程序的設(shè)定進行鍵盤的掃描。? P3 口的部分端口用于 LGM12641BS1R 液晶顯示器的控制使能端以控制實現(xiàn)液晶顯示器的讀寫操作功能，既與 LGM12641BS1R 液晶顯示器的的使能位端口相接。 步進電機簡介步進電機作為執(zhí)行元件，是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中?？傮w上說，步進電機有如下優(yōu)點：可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，控制簡單；在需要更高控制精度時可進行閉環(huán)控制；位移與脈沖信號數(shù)對應(yīng)，沒有角累積誤差，能精確定位；具有優(yōu)秀的啟停響應(yīng)，可以瞬間啟動和急速停止；具有優(yōu)秀的反轉(zhuǎn)響應(yīng)；改變脈沖的順序，可以方便地改變轉(zhuǎn)動的方向；停止時也可以保持轉(zhuǎn)矩，無刷、造價較低、可靠性高。 步進電機的分類步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。目前使用最為 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14頁廣泛的是反應(yīng)式和混合式步進電機，而工業(yè)上廣泛使用的是三相步進電機。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，一般為 176。反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，且用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引力和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動；由于