【正文】 目前，生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，連最基本的設(shè)備都沒有。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。望能對(duì)廣大用戶在選型使用時(shí)有所幫助。使用單片機(jī)以軟件方式配合有關(guān)芯片和電路元件驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過C語言編程方法，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使其在一定范圍下運(yùn)行。最后，根據(jù)電路圖焊接出實(shí)物?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 電機(jī)固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。/176。 176。 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。/176。/176。/176。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。比如。 2．步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角?。坏珓?dòng)態(tài)性能差。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角大?；旌鲜讲竭M(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)。 綜合步進(jìn)電機(jī)的以上參數(shù)特點(diǎn)以及各種步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，本課題選用四相混合式（感應(yīng)子式）步進(jìn)電機(jī) 如圖21。當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時(shí)，由于C相繞組的磁力線和4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖22a、b、c所示： a. 單四拍 b. 雙四拍 圖22 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 考慮到實(shí)驗(yàn)室材料和驅(qū)動(dòng)功率大小等實(shí)際條件，以及連線的方便與否。該步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)為： 1．額定電壓：5VDC 2．直流電阻：200?177。） 3．減速比：1/64 4．步距角：176。圖中點(diǎn)劃線所包圍的二個(gè)單元可以用微機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)。 圖31 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) 在電機(jī)繞組回路中串有電阻Rs，使電機(jī)回路時(shí)間常數(shù)減小，高頻時(shí)電機(jī)能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。Rs對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單步響應(yīng)的改善如圖32。雙電壓驅(qū)動(dòng)的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅(qū)動(dòng)，而在高速（高頻段）時(shí)用較高的電壓UH驅(qū)動(dòng)。圖中，功率管TH和二極管DL構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。反之Uh高電平，TH導(dǎo)通，DL反偏，高電壓UH對(duì)繞組供電。 圖33 雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 圖34 高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口 高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口如圖34所示。這一作用同樣改善了驅(qū)動(dòng)器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻Rs，消除了附加損耗。圖中，高壓管VTH的導(dǎo)通時(shí)間tl不能太大，也不能太小，太大時(shí)，電機(jī)電流過載；太小時(shí)，動(dòng)態(tài)性能改善不明顯。 恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時(shí)均保持固定數(shù)值。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。圖中R是一個(gè)用于電流采樣的小阻值電阻，稱為采樣電阻。由于電機(jī)繞組具有較大電感，此時(shí)靠二極管VD續(xù)流，維持繞組電流，電機(jī)靠消耗電感中的磁場(chǎng)能量產(chǎn)生出力。當(dāng)電流小于恒流給定的數(shù)值，VT2導(dǎo)通，電源再次接通。 圖35 斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口 斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào)，其中u1是數(shù)字脈沖，u2是模擬信號(hào)。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用。例如集成H橋式驅(qū)動(dòng)器L298芯片，集成達(dá)林頓管ULN2003A極電極開路驅(qū)動(dòng)芯片等。本課題選擇ULN2003A驅(qū)動(dòng)芯片 圖36 ULN2003邏輯圖 圖37 ULN2003內(nèi)部電路圖 由圖3圖37可知，ULN2003A其本質(zhì)是一個(gè)基于三極管的非門電路芯片。進(jìn)而穩(wěn)定地將步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)平穩(wěn)有效地送給步進(jìn)電機(jī)，確保步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。即使非電子計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，通過學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)以后也能依靠自己的技術(shù)力量，來開發(fā)所希望的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 該系列單片機(jī)是采用高性能的靜態(tài)80C52設(shè)計(jì)，由先進(jìn)CMOS工藝制造，并帶有非易失性Flash程序存儲(chǔ)器，全部支持12時(shí)鐘和6時(shí)鐘操作，P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2 分別包含128 字節(jié)和256 字節(jié)RAM、32 條I/O 口線、3 個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、6 輸入4 優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1 個(gè)串行I/O 口、可用于多機(jī)通信 I/O 擴(kuò)展或全雙工UART以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。 其主要結(jié)構(gòu)組成如下： 1．中央處理器（CPU） 2．內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（內(nèi)部RAM） 3．內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（內(nèi)部ROM） 4．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 5．并行I/O口 6．串行口 7．時(shí)鐘電路 8．中斷系統(tǒng) 9．外接晶體引腳 圖41 80C52單片機(jī)管腳圖 圖42 80C52單片機(jī)工作系統(tǒng)圖 單片機(jī)管腳如圖41所示，下面對(duì)其各個(gè)管腳進(jìn)行必要的說明。 P0口的每一位口線可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。 PPP3口的每一位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。 當(dāng)CPU不對(duì)P3口進(jìn)行字節(jié)或位尋址時(shí)，內(nèi)部硬件自動(dòng)將口鎖存器的Q端置1。 ：RXD（串行口輸入）； ：TXD（串行口輸出）； ：外部中斷0輸入； ：外部中斷1輸入； ：T0（定時(shí)器0的外部輸入）； ：T1（定時(shí)器1的外部輸出）； ：（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器“寫”選通控制輸出）； ：（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器“讀”選通控制輸出）。 ALE/PROG：編程脈沖 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，在讀外部ROM時(shí)PSEN是低電平有效，以實(shí)現(xiàn)對(duì)ROM 的讀操作。 XTAL : 時(shí)鐘晶振輸入端。按鈕和單片機(jī)的控制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路，輸入至步進(jìn)電機(jī)，控制步進(jìn)電機(jī)的速度。 為了方便闡述，本節(jié)按照步進(jìn)電機(jī)輸入信號(hào)要求，控制信號(hào)功率的放大，單片機(jī)控制信號(hào)的輸出和編程的順序分析其工作過程。四相線圈的控制信號(hào)輸入端按順序依次為藍(lán)、粉、黃、橙。其輸入信號(hào)分布如表41所示。 單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，這是由于單片機(jī)I/O接口輸出功率很小，輸出信號(hào)不穩(wěn)定。按照前文所述，本文選擇具有信號(hào)放大，信號(hào)反相功能的ULN2003A驅(qū)動(dòng)芯片。因此，當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，這時(shí)負(fù)載左端，即芯片的信號(hào)輸出端為低電平，因此ULN2003A為反相輸出。在本文中，負(fù)載即為步進(jìn)電機(jī)的某一相線圈，所以當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，與之相連的步進(jìn)電機(jī)線圈中有電流產(chǎn)生；當(dāng)輸入信號(hào)為低平時(shí)，負(fù)載左端即信號(hào)輸出端為高電平，負(fù)載中無電流產(chǎn)生，即與之相連的步進(jìn)電機(jī)線圈不工作。綜上，將單片機(jī)四個(gè)I/O接口連接至ULN2003A輸入接口，就將控制步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)放大反相。 考慮到步進(jìn)電機(jī)正常工作所需要的時(shí)序分布以及ULN2003A的反相所用，單片機(jī)的輸出信號(hào)以及相應(yīng)的輸出端口如表42所示。