步進(jìn)電機控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、自動控制原理課程設(shè)計說明書步進(jìn)電機控制系統(tǒng)（一） 院系 航空航天工程學(xué)部（院） 專業(yè) 探測制導(dǎo)與控制技術(shù) 班號 探測1301 學(xué)號 27 姓名 李天竺 指導(dǎo)教師 劉昕 沈陽航空航天大學(xué)2016年07月 摘要本課程設(shè)計主要研究了基于AT89C52單片機和ULN2003驅(qū)動芯片的步進(jìn)電機控制及驅(qū)動電路的設(shè)計。該系統(tǒng)可分為控制模塊，驅(qū)動模塊，顯示模塊，單片機最小系統(tǒng)四大部分。其中采用AT89C52單片機作為控制模塊的核心，利用單片機編程實現(xiàn)了對步進(jìn)電機啟動停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，減速加速等功能的基本控制。驅(qū)動模塊由芯片ULN2003對單片機 輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；顯示部分由4段LED共

2、陰數(shù)碼管組成，主要是顯示電動機的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速；單片機最小系統(tǒng)由時鐘電路和復(fù)位電路組成，保證單片機正常運行。通過實際測試表明本設(shè)計系統(tǒng)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)步進(jìn)電動機。具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，實用性強，簡單方便，性價比高等特點。此外本文還介紹的了步進(jìn)電機的基本原理及AT89C52單片機的性能特點。關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機 ULN2003 AT89C52目錄第1章 引 言11.1 設(shè)計背景11.2步進(jìn)電機及其發(fā)展11.3研究的內(nèi)容3第2章總體方案論證與設(shè)計42.1步進(jìn)電機原理及控制技術(shù)42.2方案論證72.3總體硬件組成框圖82.4元器件介紹82.4.2AT89C52單片機10第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計143.1硬件設(shè)

3、計143.2軟件設(shè)計16第四章 電路調(diào)試18總結(jié)20參考文獻(xiàn)21附錄1程序22附錄2整體結(jié)構(gòu)圖29附錄3元器件清單30第1章 引 言1.1 設(shè)計背景單片機是現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機技術(shù)的新興領(lǐng)域，以單片機為代表的嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代電子系統(tǒng)時代的到來。采用嵌入式系統(tǒng)集成器件，將電子系統(tǒng)的設(shè)計從單純的硬件設(shè)計變?yōu)橹悄芑挠?、軟件設(shè)計，從而使現(xiàn)代電子系統(tǒng)軟硬結(jié)合，具有智能化、系統(tǒng)功能，具有柔韌性及激勵-運行-響應(yīng)等特點。目前，單片機的價格己很低廉，這使得單片機的應(yīng)用更為廣泛，因此就有可能比較普遍地應(yīng)用微機來控制各類電機完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機的

4、性能更符合使用要求，還可以制造出各種便于控制的新型電機，使電機出現(xiàn)新的面貌。比較簡單的電機微機控制，例如在適當(dāng)?shù)臅r刻讓小型電動機起動、制動或反轉(zhuǎn)之類，只要用微機控制繼電器或電子開關(guān)元件使電路開通或關(guān)斷就可以了。在各種機床設(shè)備及生產(chǎn)流水線中，現(xiàn)在已普遍采用帶微機的可編程控制器，按一定的規(guī)律控制各類電動機的動作。至于復(fù)雜的控制，則要用微機控制電機的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等等，使電機按給定的指令準(zhǔn)確工作。通過微機控制，可使電機的性能有很大的提高。例如傳統(tǒng)的直流電機和交流電機各有優(yōu)缺點，直流電動機的調(diào)速性能很好，但帶有機械換向器。有機械磨損及換向火花等問題，交流電動機，不論是異步電動機還是同步電

5、動機，結(jié)構(gòu)都比直流電動機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運行時，它們的速度不能方便而又經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)。交流電機采用正弦脈寬調(diào)制方式進(jìn)行變頻調(diào)速是比較理想的，但若要用普通的模擬電路或數(shù)電路完成這一任務(wù)，電路相當(dāng)復(fù)雜，用微機控制就簡單多了。若要進(jìn)一步提高調(diào)速精度及動態(tài)性能，可采用矢量控制方案，它的調(diào)速性能將與直流電動機相當(dāng)。但矢量控制比較復(fù)雜，用傳統(tǒng)的模擬電路或數(shù)電路很難做到，而應(yīng)用微機控制則能方便地實現(xiàn)。1.2步進(jìn)電機及其發(fā)展步進(jìn)電機又稱脈沖電機或階躍電機，國外一般稱為Steomtor或Stepping motor， Pulse motor，Stepper servo，Stepper

6、等等。目前，隨著電子技術(shù)拉制技術(shù)以及電動機本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)電機分類間的界面越來越模糊。這是機電一體化元件組件的必然趨勢。就傳統(tǒng)的步進(jìn)電機來說，可以簡單地定義為，根據(jù)輸入的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度（或長度），若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定位里而靜止的電動機。從廣義上講，步進(jìn)電機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電機，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電機。步進(jìn)電機的機理是基于基本的電磁鐵作用，其原始模型起源于1830年至1860年間。1870年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氮弧燈的電極輸送機構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電機。此后，在電話自動交換機中廣泛使

7、用了步進(jìn)電機。不久又在缺乏交流電源的船泊和飛機等獨立系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)60年代后期，在步進(jìn)電機本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實用性步進(jìn)電機應(yīng)運而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推進(jìn)了步進(jìn)電機在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。在近30年間，步進(jìn)電機迅速地發(fā)展并成熟起來，從發(fā)展趨向來講，步進(jìn)電機已經(jīng)能與直流電機、異步電機，以及同步電機并列，從而成為電機的一種基本類型。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機一般可分為永磁式步進(jìn)電機(PM Step Motor)，反應(yīng)式步進(jìn)電機(VR Step Motor)和混合式步進(jìn)電機(Hybrid Step Motor )三種。永磁式步進(jìn)電機類似于永磁轉(zhuǎn)子的同步電機，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，但定子一般為集

8、中式繞組。反應(yīng)式步進(jìn)電機靠變磁阻原理運行，沒有永磁體。混合式步進(jìn)電機最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步電機而設(shè)計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以直流脈沖，這種電機也能步進(jìn)運動。它的轉(zhuǎn)子嵌有軸向充磁磁鋼，主要依靠定轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于它特殊的結(jié)構(gòu)，它的步距角遠(yuǎn)小于永磁式步進(jìn)電機，也可看成是一種極對數(shù)很多的永磁式轉(zhuǎn)子同步電機。我國步進(jìn)電機的研究及制造始于本世紀(jì)50年代后期。從50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研機構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機為主。70年代初期，步進(jìn)電機的生產(chǎn)和研究有所突破。除反映在驅(qū)動器設(shè)計方面的長足進(jìn)步外，對反應(yīng)式步

9、進(jìn)電機本體的設(shè)計研究發(fā)展到一個較高水平。70年代中期至80年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電機不斷被開發(fā)。自80年代中期以來，由于對步進(jìn)電機精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電機及驅(qū)動器作為產(chǎn)品廣泛利用。自本世紀(jì)中葉，步進(jìn)電機的應(yīng)用滲進(jìn)到數(shù)控制的各個領(lǐng)域，尤其在（數(shù)控）機械中廣泛利用其開環(huán)拉制的特點。近十幾年來，步進(jìn)電機在FA機器(Factory Automation)和計算機外部設(shè)備等領(lǐng)域作為控制用電動機和驅(qū)動用電動機而廣泛使用。1.3研究的內(nèi)容本論文研究的是反應(yīng)式步進(jìn)電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)，以AT89C52單片機為核心控制器，采用分頻和頻率選擇控制電機速度，采用細(xì)分驅(qū)動控制方式，它可

10、以驅(qū)動三相、四相反應(yīng)式步進(jìn)電動機。本設(shè)計內(nèi)容主要是基于單片機的反應(yīng)式步進(jìn)電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計，包括控制部分硬件設(shè)計、驅(qū)動部分硬件設(shè)計、電源供電部分的設(shè)計和系統(tǒng)軟件部分設(shè)計。第2章總體方案論證與設(shè)計2.1 步進(jìn)電機原理及控制技術(shù)由于步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設(shè)備步進(jìn)電機控制驅(qū)動器，典型步進(jìn)電機控制系統(tǒng)如圖2-1所示：圖2-1步進(jìn)電機運行過程中頻率變化曲線控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放

11、大器的放大加到步進(jìn)電機驅(qū)動電源的各項輸入端，以驅(qū)動步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動步進(jìn)電機的目的，步進(jìn)電機的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制兩個方面。從結(jié)構(gòu)上看，步進(jìn)電機分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種，其基本原理如下：2.1.1換相順序的控制通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進(jìn)電機在單三拍的工作方式下，其各相通電順序為ABCA，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C相的通斷。

12、三相雙三拍的通電順序為ABBCCAAB，三相六拍的通電順序為AABBBCCCAA。2.1.2步進(jìn)電機的換向控制如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)。若步進(jìn)電機的勵磁方式為三相六拍，即AABBBCCCAA。如果按反序通電換相，即AACCCBBBAA，則電機就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。2.1.3步進(jìn)電機的速度控制如果給步進(jìn)電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機進(jìn)行調(diào)試。2.1.4步進(jìn)電機的起?？刂撇竭M(jìn)電機由于其電氣特性，運轉(zhuǎn)時會有步進(jìn)感。為了使電機轉(zhuǎn)動平滑，減小振動，可在步進(jìn)電機控制脈沖的

13、上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波，可以減小步進(jìn)電機的步進(jìn)角，跳過電機運行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機停轉(zhuǎn)時，為了防止因慣性而使電機軸產(chǎn)生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)軸，使步進(jìn)電機轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。2.1.5步進(jìn)電機的加減速控制在步進(jìn)電機控制系統(tǒng)中，通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果信號變化太快，步進(jìn)電機由于慣性跟不上電信號的變化，這時就會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。所有步進(jìn)電機在啟動時，必須有加速過程，在停止時波形有減速過程。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機整個降速過程頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。選定的曲線比較符合步進(jìn)電機升降過程的運行規(guī)律，能充分利用步進(jìn)電機的有效轉(zhuǎn)

14、矩，快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時間，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。在一個實際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負(fù)載的情況來選擇步進(jìn)電機。步進(jìn)電機能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱為“啟動頻率”，于此類似“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然關(guān)斷，步進(jìn)電機不沖過目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。電機的啟動頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對電機進(jìn)行加減速控制。加速過程有突然施加的脈沖啟動頻率f0。步進(jìn)電機的最高啟動頻率（突跳頻率）一般為0.1KHz到34KHz，而最高運行頻率則可以達(dá)到N*102KHz，以超過最高啟動頻率的頻率直接啟動，會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。在一般的應(yīng)用中，經(jīng)過大量實踐和反

15、復(fù)驗證，頻率如按直線上升或下降，控制效果就可以滿足常規(guī)的應(yīng)用要求。用PLC實現(xiàn)步進(jìn)電機的加P減速控制，實踐上就是控制發(fā)脈沖的頻率。加速時，使脈沖頻率增高，減速則相反。如果使用定時器來控制電機的速度，加減速控制就是不斷改變定時中斷的設(shè)定值。速度從v1v2變化，如果是線性增加，則按給定的斜率加P減速；如果是突變，則按階梯加速處理。在此過程中要處理好兩個問題：(1)速度轉(zhuǎn)換時間應(yīng)盡量短為了縮短速度轉(zhuǎn)換的時間，可以采用建立數(shù)據(jù)表的方法。結(jié)合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率，就可以建立一個連續(xù)的數(shù)據(jù)表，并通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時初始表。通過在不同的階段調(diào)用相應(yīng)的定時初值，就可控制電機的運行。定時初值的

16、計算是在定時中斷外實現(xiàn)的，并不占用中斷時間，保證電機的高速運行。(2)保證控制速度的精確性要從一個速度準(zhǔn)確達(dá)到另一個速度，就要建立一個校驗機制，以防超過或未達(dá)到所需速度。2.1.6步進(jìn)電機的換向控制步進(jìn)電機換向時，一定要在電機降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)在換向，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機。換向信號一定要在前一個方向的最后一個脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第一個脈沖前發(fā)出。對于脈沖的設(shè)計主要要求其有一定的脈沖寬度、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換實質(zhì)包含了降速換向加速3個過程。步進(jìn)電機有如下特點：(1)步進(jìn)電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計誤

17、差，具有良好的跟隨性。(2)由步進(jìn)電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價，也非?？煽?。同時，它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。(3)步進(jìn)電機的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。(4)速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得很大的轉(zhuǎn)矩，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。(5)步進(jìn)電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接用交流電源或直流電源。(6)步進(jìn)電機自身的噪聲和振動比較大，帶慣性負(fù)載的能力強。2.2 方案論證從該系統(tǒng)的設(shè)計要求可知，該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向，速度應(yīng)該有增減變化，通常用加減按鈕控制速度，這樣只要2根口線，再加上一根方向線盒一根啟動

18、信號線共需要4根輸入線。系統(tǒng)的輸出線與步進(jìn)電機的繞組數(shù)有關(guān)。這里選步進(jìn)電機，該電機共有四相繞組，工作電壓為+5V，可以個單片機共用一個電源。步進(jìn)電機的四相繞組用P1口的P1.0P1.3控制。顯示模塊采用LED七段數(shù)碼管動態(tài)顯示電機的轉(zhuǎn)速，主要是利用了單片機的P0口接一個4位的共陽極數(shù)碼管。數(shù)碼管a，b，c，d，e，f，DP,分別接P0.0p0.7口。數(shù)碼管的公共角14分別接P2.092.3。AT89C52單片機輸出的脈沖序列經(jīng)過上拉電阻驅(qū)動數(shù)碼管顯示。采用數(shù)碼管動態(tài)顯示方式，硬件電路簡單，編程簡單，顯示信息清晰，器件價格低廉，但占單片機I/O口比較多?？刂颇K采用AT89C52單片機作為系統(tǒng)控

19、制的核心，利用單片機編程產(chǎn)生步進(jìn)電動機所需脈沖序列與方向控制信號。單片機算術(shù)功能強，軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，由于其功耗低，體積小，技術(shù)成熟和成本低，且可對其進(jìn)行擴(kuò)展，附帶顯示設(shè)備，鍵盤輸入等設(shè)備，使用方便。還可通過軟件編程實現(xiàn)對步進(jìn)電動機的位置，速度預(yù)設(shè)及顯示。步進(jìn)電機位置和速度實際上是跟單片機產(chǎn)生脈沖的個數(shù)和脈沖頻率是一一對應(yīng)的，而方向由導(dǎo)電順序決定，并且，由于單片機芯片引腳少，軟硬件連接簡便靈活，硬件容易實現(xiàn)。驅(qū)動模塊直接采用ULN2003芯片進(jìn)行功率放大，它的內(nèi)部構(gòu)造是達(dá)林頓的。專門用來驅(qū)動繼電器的芯片，甚至在芯片內(nèi)部做了一個消線圈反動電勢的二極管。U

20、LN12003的輸出端允許通過的IC電流200Ma,飽和壓降VCE為1V左右，耐壓BVCED為36V。輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可以直接驅(qū)動繼電器等外接控制元件，也可以直接驅(qū)動步進(jìn)電動機。根據(jù)系統(tǒng)的要求，按鍵輸入部分設(shè)置了順時針控制，逆時針控制，加減速控制，以及停止三種啟動方式和按鍵，當(dāng)按下按鍵內(nèi)部程序檢測P30P3.7的控制狀態(tài)變化調(diào)用相應(yīng)的啟動和轉(zhuǎn)向子程序，從而實現(xiàn)系統(tǒng)對電機速度和方向的控制。2.3 總體硬件組成框圖 總體硬件組成框圖如圖2-2所示。AT89C51單片機狀態(tài)顯示電路電源及時鐘電路復(fù)位電路鍵盤控制電路ULN2803啟動電路步進(jìn)電機圖

21、2-2 總體硬件組成框圖2.4 元器件介紹2.4.1步進(jìn)電機步進(jìn)電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進(jìn)電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進(jìn)電機分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式(HB)，步進(jìn)電機又稱為脈沖電機，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉(zhuǎn)和制動的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，由于開環(huán)下就能實現(xiàn)精確定位的特點，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機的運轉(zhuǎn)是

22、由電脈沖信號控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每個一個脈沖，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)動一個角度（步距角）或前進(jìn)、倒退一步。步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進(jìn)電機為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。(1)四相步進(jìn)電機的工作原理該設(shè)計采用了20BY-0型步進(jìn)電機，該電機為四相步進(jìn)電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動。當(dāng)某一相繞組通電時，對應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對齊，由此可見，錯齒是促使電機旋轉(zhuǎn)

23、的原因。(2)步進(jìn)電機的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語相數(shù)：產(chǎn)生不同隊N、S磁場的激磁線圈對數(shù)，常用m表示。拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即ABBCCDDA AB，四相八拍運行方式即AABBBCCCDDDAA。步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360/（轉(zhuǎn)子齒角運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒角50齒角電機為例。四相運行時步距角為=360/(50*4)=1.8，八拍運行時步距角為=360/(50*80)=0.9。定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電的狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）

24、。靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機不做旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。雖然靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)。但過分采用減小氣隙，增加勵磁匝數(shù)來提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。(3)四相步進(jìn)電機的脈沖分配規(guī)律目前，對步進(jìn)電機的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計利用單片機進(jìn)行控制，主要是利用軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配。四相步進(jìn)電機的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時的時序與波形分別如圖2-3 a、b、c

25、所示。本設(shè)計的電機工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機的工作的時序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律，如表2-1、2-2。在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進(jìn)電機跟不上頻率的變化后電機會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進(jìn)電機允許的范圍內(nèi)。圖2-3 步進(jìn)電機工作時序波形表2-1四相雙四拍脈沖分配表ABCDN1100N+10110N+20011N+310012.4.2AT89C52單片機AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和2

26、56 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2 個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等

27、三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。AT89C52封裝管腳圖如下圖2-3所示。圖2.3 AT89C52雙列直插式封裝管腳圖AT89C52為8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40

28、腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。2.4.3ULN2803芯片介紹ULN2803是反向的芯片，管腳1-7作為輸入，接單片機引腳，8腳接地，16-10作為輸出，9腳

29、接12V電源，基本工作原理：如果1腳輸入高電平1，則16腳輸出低電平0，反之一樣！2803的內(nèi)部是一組達(dá)林頓管，你可以理解為放大倍數(shù)很高的三極管，你用到的控制極就是其基極，所以，它有0.7V電壓就可以工作了。但一般在使用時，還是要保證提供2V以上，不然可能不會很可靠ULN2803芯片引腳介紹引腳1：CPU脈沖輸入端，端口對應(yīng)一個信號輸出端。引腳2：CPU脈沖輸入端。引腳3：CPU脈沖輸入端。引腳4：CPU脈沖輸入端。引腳5：CPU脈沖輸入端。引腳6：CPU脈沖輸入端。引腳 7：CPU 脈沖輸入端。引腳8：接地。引腳9：該腳是內(nèi)部7個續(xù)流二極管負(fù)極的公共端，各二極管的正極分別接各達(dá)林頓管的集電極

30、。用于感性負(fù)載時，該腳接負(fù)載電源正極，實現(xiàn)續(xù)流作用。如果該腳接地，實際上就是達(dá)林頓管的集電極對地接通。引腳10：脈沖信號輸出端，對應(yīng)7腳信號輸入端。引腳11：脈沖信號輸出端，對應(yīng)6腳信號輸入端。引腳12：脈沖信號輸出端，對應(yīng)5腳信號輸入端。引腳13：脈沖信號輸出端，對應(yīng)4腳信號輸入端。引腳14：脈沖信號輸出端，對應(yīng)3腳信號輸入端。引腳15：脈沖信號輸出端，對應(yīng)2腳信號輸入端。 引腳16：脈沖信號輸出端，對應(yīng)1腳信號輸入端。如圖2.3ULN2803封裝引腳圖。圖2.3 ULN2803封裝引腳圖2.4.4LED數(shù)碼管介紹本設(shè)計采用四位LED共陰極數(shù)碼管顯示作為顯示部分。如下圖2.4所示，為LED共

31、陰數(shù)碼管。圖2.4 四位共陰極LED數(shù)碼管第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1硬件設(shè)計 根據(jù)之前確定方案及各元器件的功能原理步進(jìn)電動機控制及驅(qū)動系統(tǒng)的詳細(xì)電路設(shè)計如下：（1） 控制模塊采用AT89C52單片機作為系統(tǒng)控制的核心，如圖3.1所示，脈沖信號由單片機產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比越大。信號分配實際上就是按照某一控制方式（根據(jù)需要進(jìn)行選定）所規(guī)定的順序發(fā)送脈沖序列，達(dá)到控制步進(jìn)電機方向的目的。根據(jù)要求，所設(shè)計的步進(jìn)電機八拍通電順序為A，AB，B，BC，C，CD，D，DA，A，步進(jìn)電機的方向控制方法是：用單片機輸出接口的每一位控制一根繞線組。本設(shè)計中，用P1.0，P1.

32、1，P1.2，P1.3分別接至步進(jìn)電動機的A，B，C，D四根繞組。圖3.1 控制模塊硬件電路（2） 驅(qū)動模塊直接采用ULN2003芯片，如圖3.2所示，由單片機產(chǎn)生的脈沖序列和方向控制信號從P1.0，P1.2口輸出，直接送入ULN2003芯片進(jìn)行功率放大，達(dá)到步進(jìn)電機所需的驅(qū)動電流和電壓以此驅(qū)動步進(jìn)電機工作。圖3.2 驅(qū)動模塊硬件電路圖（3） 顯示模塊采用四位LED四段共陰數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)顯示，如圖3.3所示，由AT89C52單片機產(chǎn)生的段選信號從P0口輸出，經(jīng)過1K左右的上拉排阻驅(qū)動數(shù)碼管閑事湖i，位選信號從P2口輸出直接送數(shù)碼管顯示。采用數(shù)碼動態(tài)顯示方式，硬件電路簡單，編程簡單，顯示信息清晰

33、。圖3.3 顯示模塊硬件電路圖（4） 按鍵控制模塊，延時工作方式。總共設(shè)置了5個按鍵，如圖3.4所示。其中5個控制鍵分別執(zhí)行對步進(jìn)電機的停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速五種控制功能，由單片機的P3.0P3.3口輸入。五個按鍵不可同時按下，當(dāng)其中一按下時控制電機的某一種狀態(tài)。當(dāng)按下其中一個按鍵時LED顯示改變后可以實現(xiàn)步進(jìn)電機工作狀態(tài)的改變，從而實現(xiàn)通過按鍵實現(xiàn)對步進(jìn)電機停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速的控制。圖3.4 按鍵電路圖3.2軟件設(shè)計整個程序采用C語言編程，使程序簡單易讀。在整個過程中采用模塊化調(diào)試，可靠性好。總的流程圖如圖3.6所示詳細(xì)的源程序見附錄。開始初始化按鍵掃描如果flag=2？N

34、驅(qū)動電機 顯示狀態(tài) 結(jié)束圖3.6 系統(tǒng)程序流程圖、第四章 電路調(diào)試以上設(shè)計過程和結(jié)果的詳細(xì)介紹，但是從本質(zhì)上來講，都是純理論的設(shè)計與分析。為了驗證作品的可行性，我還進(jìn)行了系統(tǒng)電路軟件仿真，系統(tǒng)電路軟件方針的步驟如下：（1） 使用keil軟件編程并將程序生成HEX文件，經(jīng)過多次修改最終通過。（2） 打開protecus仿真軟件；（3） 在軟件的元器庫選擇選擇所需的器件；（4） 如圖4.1按硬件電路設(shè)計連接電路圖；（5） 加載編好的HEX文件；（6） 運行，調(diào)試；（7） 如有錯誤或與設(shè)計與其不符則繼續(xù)進(jìn)行調(diào)試，直到調(diào)試成功，運行的結(jié)果如以下各圖所示。說明：初始速度為10，轉(zhuǎn)向顯示0表示正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向顯

35、示位為1表示反轉(zhuǎn)。啟動仿真后點正轉(zhuǎn)按鈕，如圖4.1。初始速度為10，轉(zhuǎn)向顯示位為0。圖4.1 電路調(diào)試正轉(zhuǎn)按下加速按鈕。如圖4.2。圖4.2 電路調(diào)試正轉(zhuǎn)加速按下停止按鈕。如圖4.3。圖4.3 電路調(diào)試減速調(diào)試點擊反轉(zhuǎn)按鈕。如圖4.4所示，初始速度為10，轉(zhuǎn)向顯示位為1。圖4.4 電路調(diào)試反轉(zhuǎn)總結(jié) 在整個課設(shè)過程中，是充實的，繁忙的，但最后也是快樂的。本來在課本上學(xué)到的知識是理論的，不能完全理解，但是通過課設(shè)卻學(xué)會了很多，認(rèn)識更加深刻。這必然在課程設(shè)計中會遇到諸多問題，就像自己這幾個軟件都不是特別了解，當(dāng)時自己很苦惱，不知所措，在同學(xué)的幫助下逐漸了解了這些軟件的應(yīng)用，不運用到實際上，永遠(yuǎn)不知道

36、自己的問題，還有自己的能力有多強。同時還有許多知識自己已經(jīng)淡忘，好在看看自己的教材還有筆記又一次記起了自己所學(xué)會的知識，痛并快樂著完成了這個課程設(shè)計。參考文獻(xiàn)1.劉復(fù)華. 單片機及其應(yīng)用系統(tǒng).M 北京：清華大學(xué)出版社，19922.于海生. 微型計算機控制技術(shù).M 北京：清華大學(xué)出版社，19983.周荷琴. 微型計算機原理與接口技術(shù).M合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2004.邵玉森. 過程控制工程.M 北京：機械工業(yè)出版社，20005.張毅剛. 單片機原理及應(yīng)用.M哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，20046.王土元. C高級實用程序設(shè)計.M 北京：清華大學(xué)出版社，1994附錄1#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intUnsigned char codetable=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;uchar code motorCode2=0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09,0x01,0x03;uchar code unmotorCode2=0x03,0x01,0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02;uint maichong; uchar