【正文】 .................. 36 附錄 C 反轉(zhuǎn)子程序 .................................................................................................. 38 附錄 D LCD 顯示子程序 ......................................................................................... 40 附錄 E 步進電機原理圖 ............................................................................................ 42 III 附錄 F 8051 系列單片機匯編語言指令速查表 ..................................................... 43 參考文獻 ........................................................... 49 致 謝 ............................................................. 50 IV 基于單片機的步進電機細分驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要 步進電機是一種純粹的數(shù)字控制電機，是將電 脈沖 信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。通過 AT89C51 和雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片L298N 完成步進電機的各種運行控制方式，實現(xiàn)步進電機在四相八拍的工作方式下的正反轉(zhuǎn) 0— 999 任意角度控制和加減速 1— 8 級調(diào)速等各種控制。 【關(guān)鍵詞】：步進電機 單片機 細分驅(qū)動控制 V The Design of Stepping Motor Subdivided Driving Control Based on MCU Abstract Stepper motor is a kind of pure digital control, which coverts the electrical pulse signal into angular displacement or line open loop control elements of displacement. This paper applies singlechip microputer AT89C51, keyboard encoder chip, 74 hc00 four two input not gate, both bridge special stepper motor driver chip L298N etc., built a stepper motor controller and driver as one of the stepping motor control system. Both AT89C51 and bridge for stepper motor driver chip L298N plete various operation control mode of stepper motor, and realize the stepping motor under the works of four phase eight positive amp。 1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、 需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進電機可以直接用數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴 格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。因此非常適合于單片機控制。步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。步進電機可以作為一種控制用的特種電 機，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量 磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，稱為一步。步進電機每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。 正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。近年來由于微型計算機 方面的快速發(fā)展，使步進電機的控制發(fā)生了革命性變革。因而，對于步進電機控制的研究也就顯得尤為重要了。上世紀 80 年代以后，由于微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。基于微型單片機的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進電機細分驅(qū)動技術(shù)，就包括振蕩器 、環(huán)行分配器控制的細分驅(qū)動、基于單片機斬波恒流驅(qū)動、基于單片機的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式，除上述三種步進電機的驅(qū)動方案之外，目前報道的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語言或 C 語言進行軟件開發(fā)，通過串行或并行通行的方式實現(xiàn) PC 機與步進電機控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實現(xiàn)由 PC 機直接控制步進電機的方法。本論文就是采用這個思路進行設(shè)計。而采用單片機的軟件和硬件結(jié)合進行控制，運用其強大的可編程和運算功能，充分利用單片機的各種資源，能靈活的對步進電機進行控制，實現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果需改變控制要求，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計中利用動態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機的結(jié)合起來，能做到一定的人機交換，而且為 了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價值。我國在文化大革命中開始大量生產(chǎn)和應(yīng)用步進電機，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，其中的驅(qū)動電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國產(chǎn)化的，當時是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運算電路，還有電容耦合輸入的計數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。 70 年代初期，步進電機的生產(chǎn)和研究都有所突破，除反映在驅(qū)動器設(shè)計方面的長足進步以外，對反應(yīng)式步進電機本 4 體的設(shè)計研究發(fā)展到一個較高的水平。至 80 年代中期以來，由于步進電機精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進電機及驅(qū)動器作為產(chǎn)品廣泛利用。僅僅處于一種盲目的仿制階段。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機， 交流電機 在常規(guī)下使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識 [3]。傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置 ，在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。為適應(yīng)這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動機系統(tǒng)，其中較有自己特點，且應(yīng)用十分廣泛的一類便是步進電動機。自從步進電動機在計算機外圍設(shè)備中取代小型直流電動機以后，使其設(shè)備的性能提高，很快地促進了步進電動機的發(fā)展。 任何一種產(chǎn)品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡化的過程（專、精度）。爪極電機價格便宜，性能指標不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動機，由于混合式步進電動機具有控制功率小，運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。／ 176。到目前，工業(yè)發(fā)達國家的磁阻式步進電動機已極少見?，F(xiàn)在日本步進電 5 動機年產(chǎn)量（含國外獨資公司）近 2 億臺。 因此，當前最有發(fā)展前景的當屬混合式步進電動機，而混合式電動機又向以下四個方向發(fā)展： 發(fā)展趨勢之一，是繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。瑞士 ESCAP公司最近還研制出外徑僅 10mm的步進電動機。 發(fā)展趨勢之二，是改圓形電動機為方形電動機。同樣機座號的電動機，方形的力矩比圓形的將提高 30％～ 40％。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器（相對編碼器），減速齒輪（減速機）等和電動機本體綜合設(shè)計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。 步進電機的優(yōu)點 基于電機的運動控制技術(shù)作為自動化領(lǐng)域的關(guān)鍵部分，在國民經(jīng)濟當中起著重要的作用。 步進電機正好能夠很好地符合這種需求，它是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化為機械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電機。步進電機不像其它電機那樣連續(xù)旋轉(zhuǎn)而是以一定的步距角一步一步做增量運動因此而得名。除此之外步進電機還具有以下一些優(yōu)點： （ 1）無刷：步進電機是無刷結(jié)構(gòu)電機，與帶有換向器和電刷等易損部件的傳統(tǒng)有刷電機相比而言可靠性更高 ,因此電機的壽命僅僅取決于軸承的命； （ 2）與負載無關(guān)：不超載時步進電機能夠按照設(shè)定的速度運行； （ 3）動態(tài)響應(yīng)快：易于啟動、停止和反轉(zhuǎn)； （ 4）保持轉(zhuǎn)矩：停止時能夠自鎖； （ 5）無累積誤差：雖然步進電機每轉(zhuǎn)動一步的角位移與標稱的步距角具有一定的誤差（ 3～ 5%）， 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位 置精度和運動的重復(fù)性 ，轉(zhuǎn)動一周后累積的誤差和為零； （ 6）步距角與環(huán)境無關(guān)：步進電機的固有步距角是由本身構(gòu)造決定的，與溫度、電壓、電流等使用環(huán)境無關(guān)； （ 7）易于控制：只需控制脈沖的頻率和個數(shù)，即可達到定位、調(diào)速目的； （ 8）價格低廉：步進電機相對于同樣用于定位領(lǐng)域交、直流伺服電機而言具有較高的性價比； （ 9） 電機旋轉(zhuǎn)的角度正 比于脈沖數(shù)。與同樣應(yīng)用 于定位領(lǐng)域的交、直流伺服電機構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)相比較而言，主要優(yōu)勢在于性價比高和驅(qū)動控制簡單，但是性能上卻具有以下明顯的不足之處： （ 1）低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲都比較大； （ 2）輸出力矩隨著轉(zhuǎn)動速度的升高而降低； （ 3）啟動頻率不能太高，否則會堵轉(zhuǎn)并伴隨有呼嘯聲； （ 4）速度突變較大時存在丟步和過沖現(xiàn)象； （ 5）最高運動速度較低，且高速運轉(zhuǎn)時輸出力矩?。? （ 6）開環(huán)控制，不能保證實際轉(zhuǎn)動的角度與設(shè)想的完全一致。 現(xiàn)在比較常用的步進電機 主要有 反應(yīng)式步進電機、永磁式步進電機 和 混合式步進電機。 步進電機應(yīng)用中的注意點 1. 步進電機應(yīng)用于低速場合 每分鐘轉(zhuǎn)速不超過 1000 轉(zhuǎn)，（ 度時6666PPS)，最好在 10003000PPS( 度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低； 2. 步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大； 3. 由于歷史原因，只有標稱為 12V 電壓的電機使用 12V 外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議： 57BYG 采用直流 24V36V， 86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V），當然 12伏的電壓除 12V 恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升； 4. 轉(zhuǎn)動慣量大的負載應(yīng) 選擇大機座號電機； 5. 電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度； 6. 高精度時，應(yīng)通過機械減速、提高電機速度 ,或采用高細分數(shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用 5 相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話； 7. 電機不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決； 8. 電機在 600PPS（ 度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動； 9. 應(yīng)遵循先選電機后選驅(qū)動的原則 。通俗一點講 ， 當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。 在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個 步距角 。從原理上講，步進電機是一種低速同步電動機。 2. 步進電機外表 不 允許較高的溫度。 3. 步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 5. 由步進電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非常的可靠。 6. 步進電機的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停，正反轉(zhuǎn)及變速。 8. 步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 步進電機工作原理 步進電機也叫步進器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機械能， 步進電機在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)