【正文】 已經(jīng)占據(jù)了非常重要的地位，在我國，發(fā)揮了巨大的作用。優(yōu)勢(shì)明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛用于許多電子計(jì)算機(jī)外部設(shè)備，如打印機(jī)，紙膠帶運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、卡片閱讀器、驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)、卡片閱讀器和內(nèi)存訪問機(jī)制等等，步進(jìn)電機(jī)是在軍事裝備、閥門控制、通信和雷達(dá)設(shè)備攝像系統(tǒng)、電子時(shí)鐘、光電組合裝置、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療設(shè)備和自動(dòng)繪圖機(jī)、數(shù)字控制系統(tǒng)、機(jī)床控制、程序控制系統(tǒng)，和許多航天工業(yè)已應(yīng)用于該系統(tǒng)。為了提高步進(jìn)電機(jī)的控制性能，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的研究處于炙手可熱的狀態(tài)。原步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)使用分立元件控制電路，或者集成電路，安裝調(diào)試復(fù)雜，不僅消耗大量的組件，而且一旦定型后，改變控制程序必須重新設(shè)計(jì)電路，并不利于升級(jí)系統(tǒng)改進(jìn)。因此微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，已成為一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代要求的發(fā)展。在某些應(yīng)用程序中，不需要高精度的控制，但需要滿足一般的工作要求，要盡量使控制系統(tǒng)滿足：該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，功能相對(duì)完整，適應(yīng)能力強(qiáng)；電動(dòng)機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)指示器一目了然，操作方便，系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的要求。一般步進(jìn)電機(jī)控制器的硬件實(shí)現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，但價(jià)格較貴，功能較為單一，并且設(shè)計(jì)要求的改變，必須改變硬件電路，比較麻煩。在這種設(shè)計(jì)中，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示電路，鍵盤電路有機(jī)結(jié)合，就能達(dá)到一定的人機(jī)交換，抗干擾，為了提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值 [1]。并且其組成的開環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、廉價(jià)、易于控制，因此隨著微電子和計(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，研究步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4 課題研究的內(nèi)容在步進(jìn)電機(jī)的正常工作中，采用單極性直流電源，通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的每相繞組按適當(dāng)?shù)臅r(shí)間序列方法的通電，它能使其執(zhí)行步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。在磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子就會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，因此步進(jìn)電機(jī)又向前進(jìn)了一步。只要能正確控制輸入的電脈沖的數(shù)量，頻率和電機(jī)各相繞組通電的順序，即可得到想要的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，通過單片機(jī)容易實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字控制。由單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過脈沖分配器后分解出相應(yīng)的六相脈沖,分解后的六相脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路功率放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。2 步進(jìn)電機(jī)的概述 步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電機(jī)有許多不同種類，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)類型可分為機(jī)械型、電磁型、結(jié)合型這三種類型。目前最受青睞的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) [3]。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、步進(jìn)角非常小，但是動(dòng)態(tài)性能比較差。(2) 永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PM)永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁材料，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。其輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好、能耗小，但開始運(yùn)行的頻率比較低，且正負(fù)脈沖為必要的供電電源?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，轉(zhuǎn)子是永磁結(jié)構(gòu)，提供一個(gè)軟磁性材料的工作點(diǎn)，而只提供給定子磁場(chǎng)變化的磁場(chǎng)不用提供磁性材料工作點(diǎn)的能量耗散，因此電動(dòng)機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。這個(gè)電動(dòng)機(jī)最初是一種低速傳動(dòng)與設(shè)計(jì)交流同步機(jī)，后來發(fā)現(xiàn)如果每相繞組連接脈沖電流，電機(jī)可以做步進(jìn)增量運(yùn)動(dòng)。由于本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)更加注重整個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，所以只使用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。由于脈沖控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力通常是非常微弱的，所以必須有一個(gè)功率放大器驅(qū)動(dòng)電路?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)一般的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分任務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示：脈沖控制器功率放大驅(qū)動(dòng)電路環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)圖 1　基于電子電路控制系統(tǒng)這個(gè)解決方案可以作為開環(huán)控制、閉環(huán)控制。采用閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。該方案通過大規(guī)模集成電路來控制脈沖輸出數(shù)和脈沖頻率，功能較為單一，如果你需要更改控制方案，必須需要重新設(shè)計(jì)，所以靈活性不高 [4]。PLC作為新一代的工業(yè)控制器，它具有良好的通用性、硬件配套齊全、實(shí)用性強(qiáng)、容易編程和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用PLC來生成控制脈沖。環(huán)形脈沖分配器將控制PLC輸出脈沖根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配給相應(yīng)的繞組。使用軟件環(huán)形分配器需要PLC資源更多，特別是當(dāng)步進(jìn)電機(jī)相繞組數(shù)大于4，就該考慮大型的生成線了。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路將PLC輸出控制脈沖放大，從而提高驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。但一般的 PLC 掃描周期為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率可以達(dá)到幾百赫茲，因此，受到 PLC 的工作方式和掃描周期的影響，步進(jìn)電機(jī)不能工作在高頻率的場(chǎng)合，不能實(shí)現(xiàn)高速度控制。基于單片機(jī)的控制采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件和硬件相結(jié)合的控制方法。系統(tǒng)通過單片機(jī)接口線直接連接驅(qū)動(dòng)電路來控制步進(jìn)電機(jī)各相。環(huán)形分配器的功能通過單片機(jī)系統(tǒng)和軟件編程結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)脈沖的分配?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)將使用單片機(jī)控制方案 [6]。1980 年代以后，由于廉價(jià)的微機(jī)具有多功能的特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)控制變得更加靈活。到目前為止,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常分為單電壓、單電壓串聯(lián)電阻，高和低電壓驅(qū)動(dòng)，斬波頻率恒流驅(qū)動(dòng)，升壓驅(qū)動(dòng)器和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。驅(qū)動(dòng)模式已經(jīng)廣泛應(yīng)用六十年代初的國外，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，缺點(diǎn)是串接電阻會(huì)產(chǎn)生大量的能量損失，尤其是在高頻率的工作室是更嚴(yán)重，所以它只適合小功率或性能指標(biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。它可以提高步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)，降低電動(dòng)機(jī)的共振，同時(shí)也帶來了巨大的損失，工作效率低的缺點(diǎn)。高、低電壓驅(qū)動(dòng)是指無論電機(jī)的工作頻率是多少，最先的導(dǎo)通相使用高壓電源提高電流上升沿斜率，并使用低電壓維持在前沿過后，即采用增加繞組電流繞組電流注入為了提高輸出，而不是通過改善電路的時(shí)間常數(shù)，使轉(zhuǎn)矩頻率性能提高。這種方式在實(shí)際應(yīng)用相對(duì)常見。為了提高恒流驅(qū)動(dòng)模式的低頻率特性，設(shè)計(jì)一個(gè)低速低電壓驅(qū)動(dòng)、高速高壓驅(qū)動(dòng)電路，使其成為一個(gè)有脈沖頻率控制的輸出電壓可變的開關(guān)穩(wěn)壓器的驅(qū)動(dòng)電源。當(dāng)運(yùn)行速度變得更快，平均電壓逐漸增加，以提供足夠的電流對(duì)繞組。細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指在每個(gè)脈沖切換時(shí)，并不是將繞組中所有的電流切除或通入，只有改變對(duì)應(yīng)繞組中的部分電流、電機(jī)的合成磁勢(shì)是只有部分的間隔轉(zhuǎn)動(dòng)角。它是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)的一個(gè)飛躍 [7]。系統(tǒng)的具體功能和要求如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)兼有三項(xiàng)六拍的脈沖分配器；實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速控制；液晶顯示器顯示出步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)速度，且顯示出步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至少要有 5 個(gè)檔位；設(shè)計(jì)一個(gè)鍵盤掃描電路； 系統(tǒng)的組成及其對(duì)應(yīng)功能簡(jiǎn)述整個(gè)系統(tǒng)的組成包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，串口下載模塊，數(shù)碼管顯示模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊，獨(dú)立按鍵等模塊組成。同時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)還負(fù)責(zé)處理來自電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電流值。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊將單片機(jī)發(fā)給步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)功率放大，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。數(shù)碼管顯示模塊就主要是顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)向，和通過電機(jī)的電流等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息。然后是基于我的設(shè)計(jì)方案，比較簡(jiǎn)單的但有條理的描述了系統(tǒng)的各個(gè)部分的組成以及其對(duì)應(yīng)的基本功能。 AT89C51 簡(jiǎn)介 AT89C51 是一種擁有 4 k 字節(jié)閃存(FLASH FPEROM——可編程和只讀存儲(chǔ)器)的高性能，低電壓的 8 位微處理器，一般稱為單片機(jī)。單片機(jī)可以擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。由于多功能 8 位 CPU 和閃存有機(jī)的組合在單個(gè)芯片中，單片機(jī) AT89C51 的是一種高效的微控制器，它是一個(gè)精簡(jiǎn)版本的AT89C2051。引腳功能說明電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)10圖 3 AT89C51該設(shè)計(jì)使用到的單片機(jī)芯片對(duì)應(yīng)管腳名稱位置等如圖 3 的引腳功能圖詳細(xì)說明。GND：接地。當(dāng) P0口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須接上拉電阻。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口：P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P3 口：P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。RST：復(fù)位輸入。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在平時(shí)，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE脈沖。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN 有效。/EA/VPP：當(dāng)/EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH） ，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（VPP） 。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 芯 片 內(nèi) 的 PWM 斬 波 器 電 路 可 開 關(guān) 模 式 下 調(diào) 節(jié) 步 進(jìn) 電 機(jī) 繞 組 中 的 電 機(jī) 繞 組 中的 電 流 。L297 各 引 腳 功 能 說 明 ：1 腳 (SYNC)——斬 波 器 輸 出 端 。 如 果 使 用 外 部 時(shí) 鐘 源 ， 則 時(shí) 鐘 信 號(hào) 接 到 此 引 腳 上 。 3 腳 (HOME)——集 電 極 開 路 輸 出 端 。 當(dāng) 此 引 腳 有 效 時(shí) ， 晶 體 管 開 路 。 5 腳 (INH1)——控 制 A 相 和 B 相 的 驅(qū) 動(dòng) 極 。若 CONTROL 端 輸 入 是 低 電 平 時(shí) ， 用 斬 波 器 調(diào) 節(jié) 負(fù) 載 電 流 。 7 腳 (C)——C 相 驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào) 。 9 腳 (D)——D 相 驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào) 。 當(dāng) 它 為 低 電 平 時(shí) ，INH1， INH2， A， B， C， D 都 為 低 電 平 。 11 腳 (CONTROL)——斬 波 器 功 能 控 制 端 。 12 腳 (Vcc)——+5V 電 源 輸 入 端 。 14 腳 (SENS1)——A 相 、 B 相 繞 組 電 流 檢 測(cè) 電 壓 反 饋 輸 入 端 。 加 到 此 引 腳 的 電 壓 決 定 繞 組 電 流 的 峰值 。 一 個(gè) RC 網(wǎng) 絡(luò) 接 至 此 引 角 以 決 定 斬 波 器 頻率 ， 在 多 個(gè) L297 同 步 工 作 時(shí) 其 中 一 個(gè) 接 到 RC 網(wǎng) 絡(luò) ， 其 余 的 此 引 角 接 地 ， 各 個(gè) 器件 的 腳 I (SYNC)應(yīng) 連 接 到 一 起 這 樣 可 雜 波 的 引 入 問 題 。 步 進(jìn) 電 機(jī) 實(shí) 際 旋 轉(zhuǎn) 方 向 由 繞 組 的 連 接 方 法 決 定 。18 腳 (