【正文】 專業(yè)：　　電氣工程及其自動化　　　　　　 　　　作者：　　 謝吉湖　　　　　　　 　　指導(dǎo)教師(職稱)： 劉生建 (講師) 二0　0 九　年　三　月　 日龍巖學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告　　　　　　　　　　　　　　　　 2009 年　3 月　　日論文（設(shè)計）題目：基于單片機的步進電動機控制系統(tǒng)的設(shè)計姓名 謝吉湖年級 2006級所在院系物理與機電工程學(xué)院專業(yè) 電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師 劉生建開展本課題的意義及工作內(nèi)容：數(shù)字化電動機控制技術(shù)的發(fā)展使電機這個古老的機電能量轉(zhuǎn)換裝置得到新的發(fā)展和廣泛運用，極大的改善了工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率，改善了人民的生活水平。步進電動機是純粹的數(shù)字控制電動機，它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電動機就轉(zhuǎn)一個角度，因此非常適合于單片機控制。指導(dǎo)教師意見：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　簽名：基于單片機的步進電動機控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)院：物理與機電工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動化 學(xué)號：2006040632 姓名：謝吉湖 指導(dǎo)老師：劉生建 【摘要】數(shù)字化電機控制技術(shù)的發(fā)展使得電機這一古老的機電能量轉(zhuǎn)換裝置得到新的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，并極大地提高了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，改善了人民的生活水平。為了提高步進電機控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和控制精度提出基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計方法，包括系統(tǒng)硬件、軟件及加減速控制算法的設(shè)計。為了提高步進電機的控制性能和精度，本文以單片機AT89C51為控制核心，實現(xiàn)了三相反應(yīng)式步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。在定子繞組上有三對磁極，磁極上裝有勵磁繞組。步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成，在轉(zhuǎn)子上均勻分布四個凸極，極上不裝繞組，轉(zhuǎn)子的凸極也稱為轉(zhuǎn)子的齒[1]。當A相斷電，改為B相通電時，同A相通電情況一樣，磁通也要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合回路，這樣轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過一定角度，使轉(zhuǎn)子齒4與B相對齊，轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過的角度為，如圖B相通電所示。若按照ABCA的通電順序往復(fù)下去，則步進電機的轉(zhuǎn)子將按一定速度沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，步進電機轉(zhuǎn)速取決于三相控制繞組的通、斷電源的頻率。在步進電機控制過程中，定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。在三相雙三拍控制方式中，控制繞組通電順序為ABBCCAAB或ACCBBAAC。步進電機的步距角可通過下式計算 （11） 式中的m為步進電機的相數(shù)，對于三相步進電機；C為通電狀態(tài)系數(shù)，對于單拍或雙拍方式工作時；單雙拍混合方式時；為步進電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。二 、步進電動機控制步進電動機是數(shù)字控制系統(tǒng)中一種十分重要的自動化執(zhí)行元件，在工業(yè)自動化裝備，辦公自動化設(shè)備中有著廣泛的運用，近年來，控制技術(shù)、計算機技術(shù)以及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，有力地推動了步進電動機控制技術(shù)的進步，提高了步進電動機運動控制裝置的應(yīng)用水平。模擬控制已經(jīng)逐漸被使用單片機為主的混合控制和全數(shù)字控制所取代。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖21所示。給三相繞組輪流供電被稱為脈沖分配，實現(xiàn)脈沖分配的方法有硬件法和軟件法兩種。 由于軟件法在電動機運行過程中，要不停產(chǎn)生控制脈沖，占用大量CPU時間，可能使單片機無法同時進行其他工作（如監(jiān)測等），所以本系統(tǒng)采用硬件法。8713屬于單極性控制，用于控制三相和四相步進電機，可以選擇以下不同的工作方式：216。 四相步進電動機，單四拍，雙四拍，八拍8713可以選擇單時鐘輸入或雙時鐘輸入；具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)位、工作方式、和輸入脈沖狀態(tài)監(jiān)視等功能；所有輸入端內(nèi)部都設(shè)有斯密特整形電路，提高抗干擾能力；使用4~18V直流電源，輸出電流為20mA。低電平有效10，1112，13輸出端。0為單三（四）拍；1為雙三（四）拍；脈沖為六（八）拍15輸出脈沖狀態(tài)監(jiān)視，與時鐘同步16電源8713脈沖分配器與單片機接口如圖22 圖22 8713脈沖分配器與單片機接口圖 本系統(tǒng)選用單時鐘輸入方式，8713的3引腳為步進脈沖端，4引腳為轉(zhuǎn)向控制端，這兩個引腳的輸入均由單片機提供和控制，所以7腳均接高電平。因此CPU的負擔減少很多。為滿足驅(qū)動要求，系統(tǒng)設(shè)計了步進電機功率驅(qū)動電路，如圖23所示（以A相為例） 圖2—3 步進電機功率驅(qū)動電路 電路采用三級晶體管放大，第一級用3DG6小功率管，第二級用3DK4中功率管，第三級用3DD15大功率管。R15為限流電阻，保證電流穩(wěn)態(tài)值；D2為續(xù)流二極管，防止3DD15關(guān)斷時繞組反電勢擊穿管子。第二章 系統(tǒng)軟件設(shè)計步進電機存在啟動時失步，停止時振蕩現(xiàn)象，這是影響步進電機控制精度的主要原因。 位置控制（一）位置控制設(shè)計步進電動機每走一步，步數(shù)減1，如果沒有失步的存在，當執(zhí)行機構(gòu)到達目標位置時，步數(shù)正好為0。絕對位置參數(shù)可作為人機對話的顯示參數(shù)，或作為其他控制目的的重要參數(shù)，它與步進電動機的轉(zhuǎn)向有關(guān)，當步進電動機正轉(zhuǎn)時，步進電動機每走一步，絕對位置加1，當步進電動機反轉(zhuǎn)，絕對位置隨每次步進減1。（二）位置控制設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)中斷服務(wù)子程序框圖，如圖31所示，每兩次中斷步進電動機才走一步。 步進電動機的正反轉(zhuǎn)控制在主程序中實現(xiàn)，如果正轉(zhuǎn)，=1；如果反轉(zhuǎn)，=0。 圖32 指數(shù)加減速曲線圖 系統(tǒng)按指數(shù)曲線加減速時，驅(qū)動脈沖頻率f與升數(shù)時間t的關(guān)系為： （31）式中fm為步進電機最高運行頻率；是決定時間快慢的時間常數(shù)，實際工作中可由實驗來確定。為了編程的方便，可由階梯曲線來擬合加速曲線，將升速段按照速度等間距均勻的離散為n檔，如圖33所示 。各分檔速度的內(nèi)運行速度Nk為： （36）則加速過程總步數(shù)Nr為： （37）執(zhí)行加速控制時，對每檔的速度讀要計算在此臺階上應(yīng)走步數(shù)，然后以遞減方式查詢。同時，遞減加速過程總步數(shù)，直到加速過程走完。（二）加減數(shù)控制程序?qū)崿F(xiàn) 本程序的資源分配如下： R0——中間寄存器； R1——存儲速度級數(shù)；R2——存儲級步數(shù)； R3——加減速狀態(tài)指針，加速時指向35H，恒速時指向37H，減速時指向3AH； 32H~34H——存放絕對位置參數(shù)（假設(shè)用3字節(jié)），低位在前； 35H~36H——存放加速總步數(shù)（假設(shè)用2字節(jié)），低位在前； 37H~39H——存放恒速總步數(shù)（假設(shè)用3字節(jié)），低位在前； 3AH~3BH——存放減速總步數(shù)（假設(shè)用2字節(jié)），低位在前定時常數(shù)系列存放在以ABC為起始地址的ROM中。加減速程序框圖如圖34所示 圖34 加減速程序框圖 致謝詞：在本設(shè)計完成之際，我要向所有給予我指導(dǎo)、關(guān)心、支持和幫助的人表示最衷心的感謝!在設(shè)計本系統(tǒng)的過程中，我的指導(dǎo)老師劉生建老師給了我悉心的指導(dǎo)和幫助，他為本設(shè)計的研究和撰寫提供了各種技術(shù)資料和技術(shù)咨詢，特別是劉老師在許多關(guān)鍵問題上的正確指導(dǎo)才能使得我的設(shè)計得以順利完成。電機及拖動。高等教育出版社，2007[2]劉亞東，李從心，王小新。[J]。電氣控制技術(shù)?；瘜W(xué)工業(yè)出版社，2007[4]王曉明。[M]?；贏T89C52單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。測控技術(shù)，2006，25（11）：4547。[J]。指向絕對位置低位32H INC R0 ；絕對位置加1 CJNE R0，00H，POS2 ；無進位則轉(zhuǎn)向 POS2 INC R0 ；指向33H INC R0 ；（33H）+1 CJNE R0，00H，POS2 ；無進位則轉(zhuǎn)向 POS2 INC R0 ；指向34H INC R0 ；（34H）+1 CJNE R0，00H，POS2 ；無越界，則轉(zhuǎn)POS2 CLR TR0 ；發(fā)生越界，停定時器（停電動機） LCALL BAOJING ；調(diào)報警子程序POS1： MOV R0，32H ；反轉(zhuǎn)。停定時器 SJMP POS5 ；退出POS4：CLR C CLR TRO ；停定時器 MOV A，TL0 ；取TL0當前值 ADD A，08H ；加8個機械周期 ADD A，30H ；加定時常數(shù)（低8位） MOV TL0，A