【正文】 ration of the principle of stepping motor on .......15 Chapte r 3 ste ppe r motor control syste m ove rvie w ........................17 stepper motor control system.................................................17 The characteristics and function of the system ......................20 C haracteristics of the system .......................................20 system functions..........................................................21 Chapter 4 hardware system design ..................................................22 VI system ..................................................................................22 system AT89C51MC U core ...................................................22 The main characteristics of ..........................................23 The pin ........................................................................23 Oscillator characteristics .............................................25 chip erase ....................................................................25 minimum system..........................................................26 The peripheral circuit design .................................................27 display circuit LC D1602 ...........................................27 keyboard circuit ..........................................................34 watchdog reset circuit..................................................36 The drive circuit of L298N .........................................38 power supply circuit ....................................................41 Chapte r5 syste m software design ....................................................43 system software flowchart of.................................................43 system initialization process in F igure ..................................44 The step motor running module flowchart .............................45 system shows the process in F igure .......................................46 standby keyboard operation process .............................47 continuous operation mode the keyboard operation process.................................................................................49 Chapte r6 s ummarizes ......................................................................52 conclusions ...........................................................................52 Reference .........................................................................................54 Thanks .............................................................................................56 Appe ndix 1:syste m program in listing .............................................57 Appe ndix 2:syste m diagram.............................................................59 1 第 1 章 緒論 前言 步進電機在工業(yè)自動化裝備、辦公自動化設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。 步進電機的控制系統(tǒng)多種多樣，但究其控制手段而言，主要可以分為以下幾種 : 基于電子電路控制手段 在一些控制應(yīng)用不高的場合，采用簡單數(shù)字定時集成芯片為步進電機提供脈沖控制信號，步進電機受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(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)。這個系統(tǒng)由三部分組成 :脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。開環(huán)時，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計簡單，但未能實現(xiàn)高精度細分。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚?，自動給出脈沖鏈，使步進電機每一步響應(yīng)控制信號的命令，從而只要控制策 2 略正確電機不可能輕易失步。 圖 11 基于電子電路控制步進電機系統(tǒng) 基于 PLC/變頻器控制手段 在一些要求實現(xiàn)精確控制的場合，采用 PLC 或者變頻器對步進電機進行控制是一個很好的選擇。 PLC 作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。控制系統(tǒng)采用 PLC 來產(chǎn)生控制脈沖。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)的繞組。采用軟件環(huán)形分配器占用 PLC 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)該予以考慮。 步進電機功率驅(qū)動電路將 PLC 輸出的控制脈沖放大，達到比較大的驅(qū)動能力。但由于 PLC 的掃描周期一般為但由于 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] 圖 13 基于單片機控制步進電機系統(tǒng)圖 單片機系統(tǒng) 驅(qū)動電路 步進電機 機械裝置 外圍電路 控制版面 輸入\輸出 驅(qū)動電路 步進電機 負載 4 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)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。環(huán)形分配器其功 能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配。用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設(shè)定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性 。 本課題的研究思路即為 :采用單片機作為控制核心，實現(xiàn)對步進電機的控制。在其發(fā)展歷程中，出現(xiàn)了多種類型步進電機，按照基本的構(gòu)造和工作原理可分為三大類型即磁阻式、永磁式和混合式。永磁 式步進電機則由于轉(zhuǎn)子永磁體加工方面的限制步距角一般較大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動分辨率比較受限，但是由于采用了低成本的爪極式結(jié)構(gòu)使得其制造工藝簡單、價格較低，容易快速批量生產(chǎn)，因而廣泛應(yīng)用于對性能要求不高的場合 。在步進電機幾十年的發(fā)展過程中，按照相數(shù)、步距角以及機座等劃分，可以說出現(xiàn)過的步進電機的規(guī)格品種極其繁多，然而這種狀態(tài)不利于步進電機產(chǎn)業(yè)的 發(fā)展，隨著時間的推移目前逐步形成了相應(yīng)的主流產(chǎn)品，在西方可以明顯看出最大量應(yīng)用的是定子 8 極轉(zhuǎn)子 50 齒的二相混合式步進電動機，其次是定子10 極轉(zhuǎn)子 50 齒的五相混合式步進電動機。 60 年代受蘇聯(lián)的影響，主要以三相磁阻式步進電機為主。當(dāng)時受到蘇聯(lián)、日本等工業(yè)較發(fā)達國家的影響，國內(nèi)開始自行研制磁阻式步進電機的系列產(chǎn)品 。但是由于我國工業(yè)起步較晚且發(fā)展之初廣泛采用了磁阻式步進電機，產(chǎn)品更新?lián)Q代沒那么快，同時磁阻式步進電機雖然效率低、振動和噪音大但是由于堅固耐用、驅(qū)動控制技術(shù)成熟、價格較低，仍然很受國內(nèi)中小企業(yè)的歡迎，因此我國步進電機的生產(chǎn)與國外不同仍然以 6 反應(yīng)式步進電機為主。以下是這幾種驅(qū)動方式的比較。如圖 14 所示， L 為電機繞組， VCC 為電源。當(dāng) In 為低電平時，三極管截止，繞組無電流通過。 單電壓功率驅(qū)動電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單、元件少、成本低、可靠性高。 高低壓驅(qū)動 為了使通電時繞組能迅速到達設(shè)定電流，關(guān)斷時繞組電流迅速衰減為零，同時又具有較高的效率，出現(xiàn)了高低壓驅(qū)動方式。在導(dǎo)通前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。 8 可通過改變其高壓管導(dǎo)通時間來解決低頻振蕩問題，然而其控制電路較單電壓復(fù)雜，可靠性降低，一旦高壓管失控，將會因電流太大損壞電機。從理論上講，自激式恒電流斬波驅(qū)動可以將電機繞組的電流控制在某一恒定值。 [8] 它激式恒電流斬波驅(qū)動 為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓問題，可在 D 觸發(fā)器加一個固定頻率的時鐘。比如：當(dāng)比較器輸出的導(dǎo)通脈沖剛好介于 D 觸發(fā)器D/A輸出預(yù)設(shè)值 比較器 D觸發(fā)器 功率放大器 步進電機 電流檢測 9 的 2 個時鐘上升沿之間時，該控制信號將丟失，一般可通過加大 D觸發(fā)器時鐘頻率解決。電機出廠時給出了一個步距角的值，如 86BYG250A 型電機給出的值為 176。（表示半步工作時為 176。），這個步距角可以稱之為 ‘ 電機固有步距角 ’ ，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)，參見下表（還以型 86BYG250A 電機為例）： 表 細分驅(qū)動步距角 電機固有步距角 所用驅(qū)動器類型及工作狀態(tài) 電機運行時的真正步距角 176。 驅(qū)動器工作在半步狀態(tài) 176。 /176。 176。 細分驅(qū)動器工作在 10 細分狀態(tài) 176。 /176。 10 從上表可以看出：步進電機通過細分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了，如驅(qū)動器工作在 10 細分狀態(tài)時，其步距角只為 ‘ 電機固有步距角 ’ 的十分之一，也就是說： ‘ 當(dāng)驅(qū)動器工作在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機轉(zhuǎn)動 176。這就是細分的基本概念’。驅(qū)動器細分后的主要優(yōu)點為： 完全消除了電機的低頻振蕩 低頻振蕩是步進電機（尤其是反應(yīng)式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑，如果步進電機有時要在共振區(qū)工作（如走圓?。?，選擇細分驅(qū)動器是唯一的選擇。 提高了電機的分辨率 由于減小了步距角、提高了步距的均勻度， ‘ 提高電機的分辨率 ’ 是不言而喻的。 研究的目的和意義 本課題研究的目的是綜合運用所學(xué)的《單片機原理及其接口技術(shù)》理論知識，加強對所學(xué)知識的理解，鍛煉設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)能力，以單片機為核心設(shè)計一個簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全、適應(yīng)性強，操作方便、交互性強，可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。 論文安排 本論文首