【正文】 須采用專門的步進電機驅(qū)動控制器，步進電機驅(qū)動控制器一般包括脈沖發(fā)生與分配單元、功率驅(qū)動單元，閉環(huán)控制電路中還將加入反饋和保護單元。常見的單極性驅(qū)動電路有 3 類，分別為單電壓功率驅(qū)動電路、高低壓功率驅(qū)動電路以及斬波恒流功率驅(qū)動電路。單電壓功率驅(qū)動器有如下特點：線路簡單，成本低，低頻時響應(yīng) 較好；有共振區(qū)，高頻時，帶載能力迅速下降。它的外接電阻 R 要消耗相當(dāng)一部分的熱量，這樣就會影響電路的穩(wěn)定性，所以這種驅(qū)動方式一般只用在小功率的步進電機的驅(qū)動電路中。其基本思想是，利用短時間的高電壓供電以提高導(dǎo)通相繞組電流前沿的陡度與高度，經(jīng)過一個短時間，關(guān)斷高電壓，用低電壓來維持一定的電流，這樣可以改善驅(qū)動系統(tǒng)的高頻性能，使步進電機在高頻段也有較大的輸出 轉(zhuǎn)矩，且靜止鎖定時的功耗也較小。 基于 Proteus 與 AT89C52 的步進電機控制設(shè)計 11 斬波恒流功率驅(qū)動電路的基本思想是，使導(dǎo)通相電流不論在鎖定、低頻或高頻工作時，均保持額定值，使得電機具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，斬波恒流功率驅(qū)動電路如圖 27 所示。它可以用較高的電源電壓，同時無需外接電阻來限定期額定電流和減少時間常數(shù)，而且低頻共振現(xiàn)象基本消除，在任 何頻率下，電動機都可穩(wěn)定運行。但由于其波形頂部呈現(xiàn)鋸齒形波動，所以會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。通常情況下，永磁式步進電機和混合式步進電動機，需要繞組的電流能夠正、反流動，常采用全橋式雙極性驅(qū)動電路。如圖 28 所示。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的 一對三極管。 當(dāng) Q1 管和 Q4 管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng) Q1 從左至右穿過電機，然后再經(jīng) Q4 回到電源負極。 當(dāng) Q2 管和 Q3 管導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿另一方向轉(zhuǎn)動。如果三極管 Q1 和 Q2 同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。 驅(qū)動電路的確定 單極性和雙極性是步進電機最常采用的兩種驅(qū)動架構(gòu)。這類電機常被稱為四相電機，但是它其實只有兩個相位，精確的說法應(yīng)是二相六線式步進電機。 a. 單極性驅(qū)動電路的設(shè)計 單極性是指步進電機線圈中電流的流動方向是固定的，即線圈中的電流只按一個方向流 動。電機的 2 個繞組的中間抽頭都接高電平，然后跟據(jù)其工作原理，將電機的其余 4 線的電平輪流拉低，步進電機就會轉(zhuǎn)動。 基于 Proteus 與 AT89C52 的步進電機控制設(shè)計 13 圖 29 單極性步進電機驅(qū)動電路 b. 雙極性驅(qū)動電路的設(shè)計 雙極性則是指步進電機線圈中電流的流動方向不是單向的，即繞組有時沿某一方向流動，有時按相反方向流動。對于兩 相六線式步進電機而言， 2 個繞組的中間接頭都懸空，根據(jù)步進電機的工作原理，當(dāng)控制器給驅(qū)動器發(fā)出驅(qū)動信號時，驅(qū)動器經(jīng)過環(huán)形分配器和功率放大后，電機繞組依次通電，電機轉(zhuǎn)動。 基于 Proteus 與 AT89C52 的步進電機控制設(shè)計 14 圖 211 L298 內(nèi)部電路 從結(jié)構(gòu)上看，對比圖 29 和圖 210 的驅(qū)動電路圖可以看出，單極性驅(qū)動電路比雙極性驅(qū)動電路 簡單，也比較容易理解。由于步進電機的輸出力矩與電機的有效體積、線圈匝數(shù)、磁通量、電流成正比，所以電機有效體積越大，則勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間的氣隙就越小，電機力矩越大，反之越小。 單極性驅(qū)動電路簡單易行、調(diào)試方便且造價簡單，低頻時響應(yīng)較好，一般適用于小功率步進電機的驅(qū)動；雙極性驅(qū)動電路 H 橋接線較復(fù)雜，要防止橋路上下臂的穿通，但是驅(qū)動的力矩和頻響較好，適用于大功率步進電機的驅(qū)動。故采用單極性驅(qū)動電路。脈沖分配器的主要功能是把來源于控制環(huán)節(jié)的時鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進電機驅(qū)動器的各相輸入端，控制勵磁繞組的導(dǎo)通或者截止。因此，脈沖分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計數(shù)器，只是這種計數(shù)器的輸出不是一般的編碼，而是步進電機勵磁狀態(tài)要求的特殊編碼。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā) 展，現(xiàn)在很有多廠家生產(chǎn)出專門的用于步進電機控制的脈沖分配芯片，如 SGS 公司的 L297 芯片，配合用于功率放大的驅(qū)動電路就可以實現(xiàn)步進電機的驅(qū)動。 驅(qū)動二相六線永磁 式 步進電機的激勵方式有一相、二相、一至兩相三種。 圖 212 一至二相激勵波形示意圖 一至兩相激勵方式使步進電機工作在半步狀態(tài)，與整步工作狀態(tài)相較，半步狀態(tài)振動較小，且控制更準確。 基本方案的確定 因本次設(shè)計的要求，電機選用 35BY48H10 型永磁式步進電機，驅(qū)動電路選用單極性功率驅(qū)動電路，脈沖分配電路選擇為軟件分配方式，并使用一至兩相激勵方式產(chǎn)生激勵信號。通過按鍵，實現(xiàn)步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等功能，并采用 LCD1602 顯示屏即時顯示控制電動機的轉(zhuǎn)動信息。 單片機主機系統(tǒng)電路 本次設(shè)計以 CPU選用 AT89C52 作為步進電機的控制芯片。 單片機的引腳功能 GND：地 P1 口： P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 （吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路 與 AT89C51 不同之處是， 和 還可分別作為定時 /計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（ ）和輸入（ ）。 表 31 AT89C52 的定時器 2 引腳號 功能特性 T2(定時 /計數(shù)器 /2外部計數(shù)脈沖輸入 )，時鐘輸出 T2EX(定時 /計數(shù) 2捕獲 /重裝載觸發(fā)和方向控制 ) P3 口： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 ALE/PROG： 當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 PSEN：程序儲存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)單片機由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。 欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H— FFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地） 圖 31 AT89C52 的引腳圖 AT89C52 功能特性概述 AT89C52 提供以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 256 字節(jié)內(nèi)部RAM， 32 個 I/O 口線， 3 個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 6 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 基于 Proteus 與 AT89C52 的步進電機控制設(shè)計 18 時鐘電路 單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種微操作的時間基準，時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩和外部振蕩。圖 32 中外接晶體以及電容 C2 和 C1 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其值均為 20pF 左右，晶振頻率選 12MHz。單片機的復(fù)位是靠外電路來實現(xiàn)的，在正常運行情況下，只要 RST 引腳上出現(xiàn)兩個機器周期時間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)位，但如果 RST 引腳上持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動 (開關(guān) )復(fù)位。 圖 33 中電阻和電容組成上電復(fù)位電路，其值 R 取為 10K， C 取值為 10pF。本設(shè) 計選用了單極性功率驅(qū)動電路，將單片機產(chǎn)生的脈沖信號通過達林頓管 ULN2803 放大，然后輸出給步進電機。組成的新的等效三極管的放大倍數(shù)是二者之積。 ULN2803 是八組 NPN 型達林頓功放三極管集成芯片，典型的輸入電壓是 5V，集電極輸出功率可達 50V600mA。 ULN2803 的選用使驅(qū)動控制電路的可靠性、穩(wěn)定性和簡潔性得到了極大的提高。具體的連接圖如 36 所示： 圖 36 步進電機驅(qū)動電路圖 顯示電路及控制按鍵的設(shè)計 顯示模塊的設(shè)計 本系統(tǒng)的顯示部分采用 RT1602 字符顯示模塊，與采用數(shù)碼管相比，硬件連接和軟件調(diào)試上都由優(yōu)勢。本設(shè)計將 LCD 連接 到 AT89C52 的 口上，其電路如圖 37 所示。 第 2 腳： VDD 接 5V正電源。 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。當(dāng) RS 和 RW 共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) RS 為低電平 RW為高電平時可以讀忙信號，當(dāng) RS 為高電平 RW 為低電平時 可以寫入數(shù)據(jù)。 第 7～ 14 腳： D0～ D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 鍵盤模塊的設(shè)計 鍵盤的連接一般有兩種方式，一種是獨立式鍵盤；一種是行列式鍵盤。這種鍵盤的輸入線較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般適用于按鍵較少操作速度較高的場合。本次設(shè)計一共 4 個鍵 ， 因此采用獨立式鍵盤 ， 分 別 接到 AT89C52 的 口而實現(xiàn)， 獨立式鍵盤的示意 圖如 38 所示 。當(dāng) K 閉合時， 輸入為低電平。 圖 39 按鍵抖動 抖動時間長短由按鍵的機械特性決定，一般是 5 到 10ms。鍵盤消抖有硬件和軟件兩種方法， 一般多使用軟件消抖。同理，在檢測到該鍵釋放后，也應(yīng)采用相同的步驟，從而可消除抖動的影響。 1)實時性 單片機必須在一定的時間內(nèi)，完成一系 列的軟件處理過程，如對系統(tǒng)的被控參數(shù) (如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等 )的 信號進行采樣、計算、邏輯判斷和分析，按照規(guī)定的控制算法進行數(shù)值計算，輸出各種控制信號，以及對可能出現(xiàn)的故障進行處理。因此，為了提高軟件的可靠性，軟件設(shè)計 要考慮系統(tǒng)運行過程中可能出現(xiàn)的一切非正常情況，且在系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，如用戶按錯鍵，輸入錯誤參數(shù)等誤操作，或發(fā)生程序受外界嚴重干擾而“跑飛”等情況時，也要有一定的對策，以防止對系統(tǒng)造成嚴重損失。因此，在軟件的總體設(shè)計時，必須要有良好的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便于程序的反復(fù)調(diào)試、修改和補充，并保證最終的軟件仍具有簡潔明了的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主程序主要完成的內(nèi)容：系統(tǒng)參數(shù)初始化、打開中斷、啟動電機等?？梢钥闯觯鞒绦蚴且粋€死循環(huán)，在系統(tǒng)上電初始化完畢后，系統(tǒng)一直在不斷的執(zhí)行這個循環(huán)程序。在后面將逐一介紹中斷服務(wù)程序，功能子程序等的設(shè)計。 表 41 1602 字符碼表 它的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。 表 42 LCD1602 字符模塊指令表 指令 RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 光標返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ? 置位輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 顯示 開 /關(guān) 控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 光標或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L ? ? 置位顯示行、字體 0 0 0 0 1 DL N F ? ? 置位字符發(fā)生存儲器 0 0 0 1 字符發(fā)生存儲器地址 (ACG) 置位數(shù)據(jù)存儲器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)存儲器地址 (ADD) 讀忙標志或地址 0 1 BF 計數(shù)器地址 (AC) 寫數(shù)到 CGRAM 或 DDRAM 1 0 要寫入的數(shù)據(jù) 從 CGRAM 或 DDRAM 讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù) 表中 1 代表 高電平、 0 代表 低電平 ，指令功能具體說明如下： 指令 1：清顯示，指令碼 01H，光標復(fù)位到地址 00H 位置。 指 令 3：光標和顯示模式設(shè)置。 S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。 指令 4：顯示開關(guān)控制。 C：控制光標的開與關(guān)，高電平表示有光標，低電平表示無光標。 指令 5：光標或顯示移位。 指令 6：功能設(shè)置命令。N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行 顯示。 指令 7：字符發(fā)生器 RAM 地址設(shè)置。 指令 9：讀忙信號和光標地址。 指令 10：寫數(shù)據(jù)。 LCD1602 液晶顯示流程 字符顯示模塊 LCD1602 的編程較 為 簡單，只要先輸入命令字，設(shè)置其工作方式，然后在將顯示數(shù)據(jù)輸入指定的存儲器位置即可。 圖 42 LCD1602 顯示 子程序流程圖 基于 Proteus 與 AT89C52 的步進電機控制設(shè)計 28 鍵盤子程序的設(shè)計 在“鍵盤模塊的設(shè)計” 部分 中提到 了 由于本設(shè)計的鍵盤鍵數(shù)較少，所以采取了獨立鍵盤作為設(shè)計的控制信號采集裝置?？紤]到 AT89C52 的中斷源合理分配，本設(shè)計采取了查詢方式。這種方式電路簡單，但需要占用單片機的機器時間。 基于 Proteus 與 AT89C52 的步進電機控制設(shè)計 30 圖 45 正反轉(zhuǎn)程序流程圖 轉(zhuǎn)速快慢程序流程圖 定時器初始值定義后，改變定時器循環(huán)次數(shù)，即可實現(xiàn)步進電機的加減速調(diào)節(jié)。 基于 Proteus 與 AT89C52 的步進電機控制設(shè)計 31 圖 46 轉(zhuǎn)速快慢程序流程圖 定時中斷流程圖 圖 47 中斷子程序流程圖 基于 Proteus 與 AT89C52 的步進電機控制設(shè)計 32 5 系統(tǒng)的仿真 在控制系統(tǒng)開發(fā)中，常常需要消耗各種硬件資源，系統(tǒng)構(gòu)建時間長，而在調(diào)試時很難對硬件系統(tǒng)進行修改，從而延長開發(fā)周期。 計算機仿真可分為整體仿真和實時仿