【畢業(yè)論文設(shè)計(jì)】基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)論文

1、【畢業(yè)論文設(shè)計(jì)】基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)論文?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文）（2011屆）課題名稱 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 系 別 機(jī)電工程系 專 業(yè) 應(yīng)用電子技術(shù) 班 級(jí) 電子200805 姓 名 鄒義江 學(xué) 號(hào) 200803041319 指導(dǎo)教師 李敏、游佳 起訖時(shí)間： 2010年 6 月 30日 2010 年 12 月 20 日（共 20 周）基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄第1章緒論 31.1引言 31.2步進(jìn)電機(jī)常見的控制方案與驅(qū)動(dòng)技術(shù)簡(jiǎn)介 50>.常見的步進(jìn)電機(jī)控制方案 5.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù) 7第2章步進(jìn)電機(jī)概述 102.1步進(jìn)電機(jī)的分類 102.2步進(jìn)電機(jī)的工作原

2、理 11.結(jié)構(gòu)及基本原理 11.兩相電機(jī)的步進(jìn)順序 112.3 步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn) 14第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 163.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 16.系統(tǒng)的方案簡(jiǎn)述與設(shè)計(jì)要求 16. 系統(tǒng)的組成及其對(duì)應(yīng)功能簡(jiǎn)述 163.2單片機(jī)最小系統(tǒng) 18.AT89S51簡(jiǎn)介 18.單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23.單片機(jī)端口分配及功能 243.3串口通信模塊 243.4數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) 25.共陽數(shù)碼管簡(jiǎn)介 25.共陽數(shù)碼管電路圖 263.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 27.L298簡(jiǎn)介 27.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 283.6驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 30.OP07芯片簡(jiǎn)介 30.ADC0804芯片簡(jiǎn)介 32.電流檢測(cè)模塊電路圖 353.

3、7獨(dú)立按鍵電路設(shè)計(jì) 36第4章系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn) 374.1系統(tǒng)軟件主流程圖 374.2系統(tǒng)初始化流程圖 384.3按鍵子程序 39第五章 總結(jié) 43致謝 44參考文獻(xiàn) 45摘要：本文應(yīng)用單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、字符型LCD和鍵盤陣列，構(gòu)建了集步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器為一體的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。二維工作臺(tái)作為被控對(duì)象通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿在X/Y軸方向聯(lián)動(dòng)。文中討論了一種以最少參數(shù)確定一條圓弧軌跡的插補(bǔ)方法和步進(jìn)電機(jī)變頻調(diào)速的方法。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)采用了軟硬件協(xié)同仿真的方法，可以有效地減少系統(tǒng)開發(fā)的周期和成本。最后給出了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。 In this paper, microc

4、ontroller, stepper motor driver chips, character LCD and keypad array, build a set of stepper motor controller and driver as one of the stepping motor control system. Two-dimensional table as a charged object by stepper motor drive ball screw in X / Y axis linkage. This paper discusses a minimum of

5、parameters to determine the trajectory of a circular interpolation method and the method of frequency control stepper motor. Stepper motor control system has been developed using the software and hardware co-simulation method, can effectively reduce the system development cycle and cost. Finally, th

6、e stepper motor control system application examples.關(guān)鍵詞: 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，插補(bǔ)算法，變頻調(diào)速，軟硬件協(xié)同仿真1章緒論1.1引言步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國(guó)外一般稱為Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其應(yīng)用發(fā)展已有約80年的歷史。步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)變成直線位移或角位移的控制電機(jī)，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)，該矢量場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)

7、一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。每來一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速

8、起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)1。正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，所以成了機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用2。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。目前世界各國(guó)都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。雖然與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我們我國(guó)的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已經(jīng)在我國(guó)占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，近年來由于微型計(jì)算機(jī)方面的快速發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的

9、控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點(diǎn)明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)的許多外圍設(shè)備中，例如打印機(jī)，紙帶輸送機(jī)構(gòu)，卡片閱讀機(jī)，主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和存儲(chǔ)器存取機(jī)構(gòu)等，步進(jìn)電機(jī)也在軍用儀器，通信和雷達(dá)設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機(jī)床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動(dòng)繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機(jī)控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用3。因而，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得尤為重要了。為了得到良好的控制性能，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。上世紀(jì)80年代以后，由于微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件

10、的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)。基于微型單片機(jī)的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)，能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運(yùn)行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細(xì)分驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)斬波恒流驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)的直流電壓驅(qū)動(dòng)三種常見驅(qū)動(dòng)方式，除上述三種步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案之外，目前報(bào)道的驅(qū)動(dòng)方案還有根據(jù)匯編語言或C語言進(jìn)行軟件開發(fā)，通過串行或并行通行的

11、方式實(shí)現(xiàn)機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實(shí)現(xiàn)由PC機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法。但是在有些應(yīng)用場(chǎng)合，并不需要高精度的控制，而是需要在滿足一般工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；功能較為齊全；適應(yīng)性強(qiáng)；電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)指示一目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高等要求。本論文就是采用這個(gè)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般步進(jìn)電機(jī)控制器都用硬件實(shí)現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價(jià)格較貴，功能相對(duì)較單一，并且設(shè)計(jì)要求有所改變，就得改變整個(gè)硬件電路，比較麻煩。而采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié)合進(jìn)行控制，運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能，充分利用單片機(jī)的各種資源，能靈活的對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，

12、實(shí)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(jì)中利用動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機(jī)的結(jié)合起來，能做到一定的人機(jī)交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。1.2步進(jìn)電機(jī)常見的控制方案與驅(qū)動(dòng)技術(shù)簡(jiǎn)介.常見的步進(jìn)電機(jī)控制方案 1、基于電子電路的控制步進(jìn)電機(jī)受電脈沖信號(hào)控制，電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。由于脈沖控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)與控制電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路組成一體，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)

13、。這個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào)分配電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)組成如圖1.1所示。圖1.1基于電子電路控制系統(tǒng)此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時(shí)，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但未能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分。采用閉環(huán)控制，即能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚?，自?dòng)給出脈沖鏈，使步進(jìn)電機(jī)每一步響應(yīng)控制信號(hào)的命令，從而只要控制策略正確電機(jī)不可能輕易失步4。該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對(duì)較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計(jì)，因此靈活性不高。2、基于PLC的控制PLC

14、也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計(jì)算機(jī)。PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡(jiǎn)單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖。通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量，同時(shí)通過編程控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。環(huán)形脈沖分配器將PLC輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用PLC資

15、源較多，特別是步進(jìn)電機(jī)繞組相數(shù)大于4時(shí)，對(duì)于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省PLC資源，目前市場(chǎng)有多種專用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路將PLC輸出的控制脈沖放大，達(dá)到比較大的驅(qū)動(dòng)能力，來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號(hào)，并用PLC中的定時(shí)器來產(chǎn)生速度脈沖信號(hào)，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，降低硬件成本。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(dá)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(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，無法實(shí)現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時(shí)，

16、由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。3、基于單片機(jī)的控制采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。本方案有以下優(yōu)點(diǎn)： 1 單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確控

17、制，避免了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響； 2 用軟件代替環(huán)形分配器，通過對(duì)單片機(jī)的設(shè)定，用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，大大提高了接口電路的靈活性和通用性； 3 單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性5?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用基于單片機(jī)的控制方案。.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上個(gè)世紀(jì)就出現(xiàn)了，它的組成、工作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀(jì)80年代以后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)指的是用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)

18、動(dòng)級(jí)來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電和斷電，同時(shí)也是對(duì)繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制的技術(shù)。到目前為止，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常分為單電壓驅(qū)動(dòng)、單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、升頻升壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。單電壓驅(qū)動(dòng)是通過改變電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。該驅(qū)動(dòng)方式早在六十年代初期國(guó)外就已大量使用，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；缺點(diǎn)是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時(shí)更加嚴(yán)重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)是在單電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。它提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)、

19、減少了電動(dòng)機(jī)的共振，也帶來了損耗大、效率低的缺點(diǎn)。這種驅(qū)動(dòng)方式目前主要用于小功率或啟動(dòng)、運(yùn)行頻率要求不高的場(chǎng)合。高低壓驅(qū)動(dòng)是指不論電動(dòng)機(jī)的工作頻率是多少，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過改善電路的時(shí)間常數(shù)來使矩頻性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動(dòng)方式的電機(jī)，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動(dòng)方式目前在實(shí)際應(yīng)用中還比較常見。為了彌補(bǔ)高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由于采用斬波技術(shù)，使繞組電流

20、在額定值上下成鋸齒形波動(dòng)，流過繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個(gè)系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應(yīng)用，本文正是應(yīng)用恒流斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)控制。為改善恒流驅(qū)動(dòng)方式的低頻特性，設(shè)計(jì)一個(gè)低速時(shí)低電壓驅(qū)動(dòng)，高速時(shí)高電壓驅(qū)動(dòng)的電路，使其成為一個(gè)由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電源。在低速運(yùn)行時(shí)，電子控制器調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的導(dǎo)通角，使線路輸出的平均電壓較低，電動(dòng)機(jī)不會(huì)像在恒流斬波驅(qū)動(dòng)下那樣在低速容易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象，從而避免產(chǎn)生明顯的振蕩。當(dāng)運(yùn)行速度逐漸變快時(shí)，平均電壓漸漸提高以提供給繞組足夠的電流。調(diào)頻調(diào)壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路，但

21、實(shí)際運(yùn)行中需要針對(duì)不同參數(shù)的電機(jī)，相應(yīng)調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指在每次脈沖切換時(shí)，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，繞組電流不是一個(gè)方波而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除。比如：電流分成n個(gè)臺(tái)階，轉(zhuǎn)子則需要n次才轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，即n細(xì)分細(xì)分驅(qū)動(dòng)最主要的優(yōu)點(diǎn)是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機(jī)的定位精度、啟動(dòng)性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩：其次，減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，降低了步迸電機(jī)在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的一個(gè)飛躍6。1.3本文研究的內(nèi)容在一般的步進(jìn)

22、電機(jī)工作中，其電源均采用單極性直流電，通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按恰當(dāng)?shù)臅r(shí)序方式通電，就可使其執(zhí)行步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)相應(yīng)的兩個(gè)磁極就分別形成N-S極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)其，從而使步進(jìn)電機(jī)向前“走”一步。轉(zhuǎn)子的角位移大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入的脈沖同步。只要能正確控制輸入的電脈沖數(shù)、頻率以及電機(jī)各相繞組通電的相序，即可得到所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，通過單片機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字控制。本設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。由單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過脈沖分配器后分解出

23、對(duì)應(yīng)的四相脈沖，分解出的四相脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路功率放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。本課題的研究目的之一就是設(shè)計(jì)一套硬件系統(tǒng)較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但功能較為齊全，適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便，交互性強(qiáng)，可靠性高的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。第章17。 1 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) Variable Reluctance，簡(jiǎn)稱VR 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型； 2 永磁式步進(jìn)電機(jī) Permanent Magnet，簡(jiǎn)稱PM 永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般

24、步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小 相比反應(yīng)式 ，但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電； 3 混合式步進(jìn)電機(jī) Hybrid，簡(jiǎn)稱HB 混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永 磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動(dòng)小。這種電動(dòng)機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動(dòng)用的交流同步機(jī)設(shè)計(jì)的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動(dòng)機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動(dòng)。由于能夠開

25、環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，因此這種電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。由于本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的更注重整個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，所以只采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)7。2.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理 .圖.2.28 9。圖圖圖第章.1圖.13.2TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在F1ash 編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8 位）。?P1 口：Pl 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I O 口，Pl 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL邏輯門

26、電路。對(duì)端口寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 （IIL ）。?P2 口：P2 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 （IIL ）。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVXDPTR 指令）時(shí)，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

27、（如執(zhí)行MOVXRi 指令）時(shí)，P2 口線上的內(nèi)容 （也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū) P2 寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間不改變。Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2 亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。? P3 口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“l(fā)”表.1P3口的引腳及功能5、Flash 閃速存儲(chǔ)器的并行編程AT89s51單片機(jī)內(nèi)部4k字節(jié)的可快速編程的Flash存儲(chǔ)陣列。編程方法可通過傳統(tǒng)的EPROM編程器使用高電壓（+12V）和協(xié)調(diào)的控制信號(hào)進(jìn)行編程。AT89S51的代碼是逐一字節(jié)進(jìn)行編程的。 編程

28、方法：編程前，須設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號(hào)，AT89S51 編程方法如下： 1在地址線上加上要編程單元的地址信號(hào)。2在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。3激活相應(yīng)的控制信號(hào)。4將EA Vpp 端加上+12V 編程電壓。5每對(duì)Flash 存儲(chǔ)陣列寫入一個(gè)字節(jié)或每寫入一個(gè)程序加密位，加上一個(gè)ALE PROG編程脈沖。每個(gè)字節(jié)寫入周期是自身定時(shí)的，大多數(shù)約為50us。改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù)，重復(fù)15 步驟，直到全部文件編程結(jié)束。.圖圖四位共陽數(shù)碼管的管腳分配如下圖3.5所示：圖數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示介面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,

29、d,e,f,g,dp "的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。過分時(shí)輪流控制各個(gè)LED數(shù)碼管的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給

30、人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O，而且功耗更低。圖圖Sense A；Sense B）：電流檢測(cè)端，分別為兩個(gè)H橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地；2、2；3腳（Output1；Output2）：1Y1、1Y2輸出端；3、4腳（VS）：功率電源電壓,此引腳與地必須連接 100nF電容器；4、5；7腳（Input 1； Input）：1A1、1A2輸入端，TTL 電平兼容；5、6；11腳（Enable A；Enable B）：TTL 電平兼容輸入 1EN、2EN 使能端，低電平禁止輸出；6、8腳（GND）：GND接地端；7、9腳（

31、VSS）：邏輯電源電壓。此引腳必須與地連接100nF電容器；8、10；12腳（Input3；Input4）：2A1，2A2輸入端，TTL電平兼容；9、13；14腳（Out3；Out4）：2Y1、2Y2 輸出端，監(jiān)測(cè)引腳15；.圖圖Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大

32、傳感器的微弱信號(hào)等方面。150V最大V/超穩(wěn)定時(shí)間：2V/month最大高電源電壓范圍： ±3V至±22V圖圖8 . PIN9 VREF/2 :輔助參考電壓輸入端2、ADC0804工作原理ADC0804是屬于連續(xù)漸進(jìn)式（Successive Approximation Method）的A/D轉(zhuǎn)換器，這類型的A/D轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換速度快（幾十至幾百us）、分辨率高外，還有價(jià)錢便宜的優(yōu)點(diǎn)，普遍被應(yīng)用于微電腦的接口設(shè)計(jì)上。以輸出8位的ADC0804動(dòng)作來說明“連續(xù)漸進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換器”的轉(zhuǎn)換原理，動(dòng)作步驟如下表示（原則上先從左側(cè)最高位尋找起）。第一次尋找結(jié)果：10000000 （若假

33、設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位1）第二次尋找結(jié)果：11000000 （若假設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位1）第三次尋找結(jié)果：11000000 （若假設(shè)值 輸入值，則尋找位該假設(shè)位0）第四次尋找結(jié)果：11010000 （若假設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位1）第五次尋找結(jié)果：11010000 （若假設(shè)值 輸入值，則尋找位該假設(shè)位0）第六次尋找結(jié)果：11010100 （若假設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位1）第七次尋找結(jié)果：11010110 （若假設(shè)值輸入值，則尋找位假設(shè)位1）第八次尋找結(jié)果：11010110 （若假設(shè)值 輸入值，則尋找位該假設(shè)位0）這樣使用二分法的尋找方式，8位的A/D轉(zhuǎn)換器只要8次尋找，12位的A

34、/D轉(zhuǎn)換器只要12次尋找，就能完成轉(zhuǎn)換的動(dòng)作，其中的輸入值代表圖4.10的模擬輸入電壓Vin。對(duì)8位ADC0804而言，它的輸出準(zhǔn)位共有28256種，即它的分辨率是1/256，假設(shè)輸入信號(hào)Vin為05V電壓范圍，則它最小輸出電壓是5V/2560.01953V，這代表ADC0804所能轉(zhuǎn)換的最小電壓值。4、分辨率與內(nèi)部轉(zhuǎn)換頻率的計(jì)算對(duì)8位ADC0804而言，它的輸出準(zhǔn)位共有28256種，即它的分辨率是1/256，假設(shè)輸入信號(hào)Vin為05V電壓范圍，則它最小輸出電壓是5V/2560.01953V，這代表ADC0804所能轉(zhuǎn)換的最小電壓值。表3.2列出的是812位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率和最小電壓轉(zhuǎn)換值

35、。表.2A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率和最小電壓值圖圖第章本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)初始化、延時(shí)子程序、按鍵響應(yīng)程序，數(shù)碼管顯示程序，讀ADC0804子程序及控制脈沖輸出幾部分，事實(shí)上每一部分都是緊密相關(guān)的，每個(gè)功能模塊對(duì)于整體設(shè)計(jì)都是非常重要，單片機(jī)AT89S51通過軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運(yùn)行起來，軟件設(shè)計(jì)的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。程序流程圖的設(shè)計(jì)遵循自頂向下的原則，即從主體遂逐步細(xì)分到每一個(gè)模塊的流程。在流程圖中把設(shè)計(jì)者的控制過程梳理清楚。具體程序的講解將在本章各節(jié)做詳細(xì)講解。4.14.1.2圖.3圖圖aBabAbAB反轉(zhuǎn)：ABAbabaBAB兩相八拍通電方式：正轉(zhuǎn)：ABBaBaabbA

36、bAAB反轉(zhuǎn)：ABAAbbabaaBBAB以兩相四拍正轉(zhuǎn)為例其程序代碼如下： if i 1 AL 1; BL 1; aL 0; bL 0; else if i 2 AL 0; BL 1; aL 1; bL 0; else if i 3 AL 0; BL 0; aL 1; bL 1; else if i 4 AL 1; BL 0; 二、系統(tǒng)組成.計(jì)如圖是機(jī)械手微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路。本系統(tǒng)選用MCS-51系列中的8031芯片，擴(kuò)展了一片2732，以存放用戶程序。由于隨機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不多，只利用片內(nèi)RAM。采用兩位LED顯示器和2×8鍵盤，P35、P36和P37分別輸出X、Y、和Z方向的控制

37、脈沖，P16和P1.7分別用來控制步進(jìn)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)和產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。 機(jī)械手動(dòng)作 機(jī)械手裝升降盤上，如圖所示。圖中A點(diǎn)固定，步進(jìn)電機(jī)MZ帶動(dòng)B點(diǎn)，改變A、B間的較小距離，使得機(jī)械手移動(dòng)較大距離。 貨架 貨架分三層，每層有4個(gè)包位，共計(jì)12個(gè)包位。 圖中數(shù)字為包位編碼，編碼的個(gè)位數(shù)表示X位置，十位數(shù)表示Y位置（層數(shù)），以供計(jì)算機(jī)查訊、判斷之用。本例采用SB-2A型步進(jìn)電機(jī)，它工作于三相六拍的工作方式。 電機(jī)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)（即正轉(zhuǎn)）時(shí)，各相脈沖順序?yàn)椋篈 1A 1，B 1B 1B，C 1C 1C 1，A 1 電機(jī)按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)（即反轉(zhuǎn)）時(shí)，各相脈沖順序?yàn)椋篈 1A 1，C 1C 1C 1，B

38、1B 1B 1，A 1 系統(tǒng)軟件包括：主程序、取包程序、存包程序、貨位判斷程序、X、Y方向運(yùn)動(dòng)和機(jī)械手動(dòng)作子程序等。 （1）程序流程圖 限于篇幅，只給出主要流程圖。2、脈沖序列的生成程序 對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制，實(shí)際上是控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)和步進(jìn)脈沖的間隔，而步進(jìn)電機(jī)的間隔又可轉(zhuǎn)化為某基準(zhǔn)延時(shí)子程序的循環(huán)次數(shù)。因此，可以很方便地用軟件來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，達(dá)到各種控制目的。主程序功能：管理鍵盤和顯示以及有關(guān)控制。 無鍵按下或執(zhí)行有關(guān)命令后，顯示提示符“-” （2）程序清單 ORG 0000H AJMP MAIN MAIN: MOV SP, #60H MOV R0, #40H MOV A, #12H；

39、字符“-” ML0: MOV R0, A ;的編碼 INC R0 CJNE R0, #42H, ML0SETB P1.7 ；復(fù)位信號(hào) ;鍵輸入/顯示/鍵判斷 F6H-特殊數(shù)據(jù) R3-鍵號(hào)暫存器ML1:ACALL DIR ACALL KEY ADD A， 0F6H ；鍵號(hào)+F6 用于數(shù)字/功能鍵的判斷 JC SUN1 ；功能鍵轉(zhuǎn)移至SUN1 MOV 41H，40H ；數(shù)字鍵號(hào)送顯示緩沖區(qū) MOV R0， 40H MOV R3 ， A ANL A， 0FH ；保留低四位 MOV R0，A AJMP ML1功能鍵處理程序（A、B、C鍵） SUN1： MOV A， R3 ； CJNE A， 0AH，S

40、UN2 AJMP QBCX SUN2： CJNE A， 0BH，SUN3 AJMP CBCX SUN3： CJNE A， 0CH，ML1 AJMP SUN鍵盤子程序 KEY：ACALL KS1 JNZ LK1 NI：ACALL DIR AJMP KEY LK1：ACALL DIR ACALL DIR ACALL KS1 JNZ LK2 AJMP NI LK2: MOV P1， 00HMOV R6， 05H ；延時(shí)等待發(fā)送 DK6： DJNZ R6， DK6 JB P33 LONE MOV A， 00H AJMP LKP LONE：JB P34， NEXT MOV A， 08HLKP： ADD

41、A， R4 PUSH ACC LK3： ACALL DIR ；僅做一次處理 ACALL KS1 JNZ LK3 POP ACC ；取鍵值于ACC RET MOV R3， 0FEH MOV R4， 00H LK4：MOV SBUF，R3 NEXT： INC R4 MOV A， R3 JNB ACC.7，KED RL A MOV R3， A AJMP LK4 KED：AJMP KEY 判斷鍵盤有無鍵按下子程序無鍵按下A 00H KS1： MOV SBUF，00H MOV R6， 05H DS6： DJNZ R6， DS6 MOV A， P3 CPL A ANL A， 18H RET顯示子程序P1口

42、-LED位掃描輸出口 R2-位掃描寄存器 初值為01H SBUF-LED段碼發(fā)送緩沖器 DIR： PUSH PSW SETB PSW，4 MOV R0，40H MOV R2，01H D1： MOV P1，R2 MOV A，R0 ADD A，14H MOVC A，A+PC MOV SBUF，A MOV R7，02H D2： MOV R6，0FFH D3： DJNZ R6，D3 DJNZ R7，D2INC R0 MOV A，R2 RL A MOV R2，A JNB ACC.2，D1 POP PSW RET DB 3FH，06H，5BH，4FH延時(shí)子程序YSH： PUSH PSW MOV R0，0FFH SH： MOV R1，0FFH SH0： DJNZ R1，#H0 DJNZ R0, SH POP PSW RETDB 66H，60H，70H，07HDB 7FH，6rH，77H，7CHDB 39H，5EH，79H，71HDB 31H，6EH，40H，23HDB 00H延時(shí)子程序YSH： PUSH PSW MOV R0，0FFH SH： MOV R1，0FFH SH0： DJNZ R1，#H0 DJNZ R0, SH POP PSW RET機(jī)械手控制示意圖取包子程序 P1.6-正/反轉(zhuǎn)控制 30H、31H步進(jìn)脈沖暫存器（X方向）QBCX: SETB P1.6 ；正轉(zhuǎn) MOV 30H，0