【正文】 電機(jī)的高精度轉(zhuǎn)角就可以轉(zhuǎn)換為高精度直線位移，這在以精度為要求的現(xiàn)代機(jī)械控制中是極其重要的一點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)作為一種控制用的特種電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、控制方便。它廣泛用于消費(fèi)類產(chǎn)品（打印機(jī)、照相機(jī)）、工業(yè)控制（數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人）、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中。為此，本文設(shè) 計(jì)了一段步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，轉(zhuǎn)動(dòng)方向。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 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，大部分的廠家只一、二十人，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、及整機(jī)改進(jìn)時(shí)有所幫助。最后 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、 轉(zhuǎn)動(dòng)方向 等進(jìn)行控制使其在一定范圍下運(yùn)行 ， 方便靈活地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以 簡單的對(duì)步進(jìn)電機(jī)的工作方式進(jìn)行個(gè)性化 制作 ，以 滿足不同用戶的要求。最后 對(duì) 所完成的電路圖進(jìn)行分析。可以通過控制脈沖個(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)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差 精度為 100%的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開 環(huán)控制。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值 ,如 86BYG250A 型電機(jī)給出的值為 176。 (表示半步工作時(shí)為 176。 )這個(gè)步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為 176。、三相的為 176。、五相的為 176。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。 保持轉(zhuǎn)矩： 是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。 由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 1． 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3%5%，且不累積。 3． 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)； 一般來講， 3 磁性材料的退磁點(diǎn)都在 130℃以上，有的甚至高達(dá) 200℃以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在 80℃ 90℃完全正常。 5． 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的 電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。 6． 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。 綜合各種步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)以及實(shí)際情況，本課題選用某混合式四相步進(jìn)電機(jī)。反應(yīng)式 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 結(jié)構(gòu)簡單，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?步進(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 課題將選用四相混合式（感應(yīng)子式）步進(jìn)電機(jī) 四相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理及工作方式 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 c八拍 圖 22 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 步進(jìn)電機(jī)具體型號(hào)的選擇 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： 60 歐 加減 7%（ 25攝氏度） 3． 減速比： 1/64 4． 步距叫： 度 /64 5． 驅(qū)動(dòng)方式：四項(xiàng)八拍 5 6． 牽入轉(zhuǎn)矩：大于 (工作頻率： 100PPS) 7． 打滑扭力： 8001300 8． 溫升：小于 55K（ 5VDC 工作頻率： 100PPS) 9． 噪音：小于 35DB（空載， 100PPS,水平距馬達(dá) 10CM) 10． 絕對(duì)耐壓： 600V AC/1 秒 11． 引線拉力強(qiáng)度： 1Kgf/條 圖 23 28YBJ48型步進(jìn)電機(jī) 6 第 3 章 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng) 及驅(qū)動(dòng) 接口 選擇 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)器，如圖 31所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。驅(qū)動(dòng)單元與 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 直接耦合，也可理解成 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 微機(jī)控制器的功率接口，這里 對(duì)步進(jìn)電機(jī)各種驅(qū)動(dòng) 接口 進(jìn)行簡單的介紹 。一般情況下，簡單單電壓驅(qū)動(dòng)線路中， Rs是不可缺少的。 圖 32 單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口及單步響應(yīng)曲線 雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 雙電壓驅(qū)動(dòng)的功率接口如圖 33 所示。這種功率接口需要兩個(gè)控制信號(hào)， Uh為高壓有效控制信號(hào)， U 為脈沖調(diào)寬驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。當(dāng) Uh低電平， TH關(guān)斷， DL正偏置，低電壓 UL對(duì)繞組供電。這種電路可使電機(jī)在高頻段也有較大出力， 而靜止鎖定時(shí)功耗減小。高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，不論電機(jī)工作頻率如何，均利用高電壓 UH 供電來提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓UL來維持繞組的電流。高低壓驅(qū)動(dòng)功率接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào) Uh和 Ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時(shí)刻跳變，如圖 34所示。一般可 取 13ms。 8 斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口 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 ULN2021A極電極開路驅(qū)動(dòng)芯片 等。本課題選擇 ULN2021A 驅(qū)動(dòng)芯片。在驅(qū)動(dòng)過程中， ULN2021 起到將控制信號(hào)功率放大 和信 號(hào)反相 的作用。 10 第 4 章 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件組成 及具體驅(qū)動(dòng) 方案 分析 關(guān)于 80C51 單片機(jī)的介紹 單片機(jī)以其體積小、功能齊全、價(jià)格低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用，在我國，近幾年單片機(jī)也得到了廣泛的應(yīng)用特別是在工業(yè)控制、智能儀表等方面。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)。 80C51 是 MCS51 系列單片機(jī)中 CHMOS 工藝的一個(gè)典型品種。當(dāng)前常用的 80C51 系列單片機(jī)主要產(chǎn)品有： ? Intel 的： 80C3 80C5 87C51， 80C3 80C5 87C52 等； ? ATMEL 的： 89C5 89C5 89C2051 等； ? Philips、華邦、 Dallas、 Siemens(Infineon)等公司的許多產(chǎn)品 。此外，由于器件采用了靜態(tài)設(shè)計(jì)，可提供很寬的操作頻率范圍，頻率可降至 0 。由于設(shè)計(jì)是靜態(tài)的時(shí)鐘可停止而不會(huì)丟失用戶數(shù)據(jù)，運(yùn)行可從時(shí)鐘停止處恢復(fù)。 P0、 P P P3 口的電平與 CMOS 和 TTL 電平兼容。在作為通用 I/O 口時(shí)，由于輸出驅(qū)動(dòng)電路是開漏方式，由集電極開路（ OC 門）電路或漏極開路電路驅(qū)動(dòng)時(shí)需外接上拉電阻；當(dāng)作為地址 /數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，口線輸出不是開漏的，無須外接上拉電阻。它們的輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)有內(nèi)部上拉電阻，所以可以方便地由集電極開路（ OC 門）電路或漏極開路電路所驅(qū)動(dòng)，而無須外接上拉電阻。這時(shí)， P3 口作為第二功能使用。 EA/VPP : 訪問程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)，當(dāng)其為低電平時(shí)，對(duì) ROM 的讀操作限定在外部的程序存儲(chǔ)器，當(dāng)其為高電平時(shí)，對(duì) ROM 的讀操作是從內(nèi)部存儲(chǔ)器開始的，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。 RST/VPD : 復(fù)位信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)延續(xù) 2 個(gè)周期以上的高電平有效，用以完成單片機(jī)復(fù)位初始化操作。 13 驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 圖 43 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 由圖 43可知，本系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向和速度，以及變速變向的控制，并且將這