基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

1、浙江工業(yè)大學碩士學位論文基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)姓名：方愛平申請學位級別：碩士專業(yè)：電子與通信工程指導教師：張江鑫20081101浙江工業(yè)大學碩士學位論文基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)捅姜：步進電機是一種通過電脈沖信號控制相繞組電流實現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動的機電元件，與其他類型電機相比具有易于開環(huán)精確控制、無積累誤差等優(yōu)點，在眾多領域中獲得了廣泛的應用。為了得到性能優(yōu)良的控制結(jié)果，出現(xiàn)了很多步進電機控制系統(tǒng)，其中采用單片機作為控制核心的控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用。很多這種控制系統(tǒng)在步進電機的驅(qū)動上已經(jīng)做的非常好，比如細分驅(qū)動技術，但是有的系統(tǒng)比較復雜，和一些相對比較簡單的控制過程不

2、相吻合，投入上也不經(jīng)濟；有的系統(tǒng)在操作上不是很方便，交互性不強。而且，有感于目前的職業(yè)教育的專業(yè)教材各種技術太過涇渭分明，由此帶來的實習也是比較零散，沒有把一些在工程實踐中應該結(jié)合在一起的技術有機結(jié)合起來，因此本文的研究內(nèi)容就是設計一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應性強，操作方便，可靠性高的，能夠有機地把電子技術、單片機技術、電機的控制技術結(jié)合起來步進電機控制系統(tǒng)。本文首先簡要描述了步進電機的發(fā)展、應用情況、以及常見的控制系統(tǒng)采用的方案，常見的驅(qū)動技術，而且還分析了步進電機的工作原理，然后以單片機為主控制器提出了整個系統(tǒng)的硬件設計方案，在此基礎上對各個模塊的電路進行詳細的設計，接著

3、闡述了步進電機軟件控制開發(fā)的流程和程序設計。關鍵詞：步進電機單片機動態(tài)掃描恒流斬波看門狗浙江，業(yè)大學碩士學位論文?。貉杏∝觇盅慷⑸?，撕，印印，硪“仃，吼，鋤】曲，：豫玎，霉皿瞰劬，昀切吼，曲印吼）【仃（），曲面廿巾印鋤：，仃虹印，仃鼬，距觚霉，霉口：印，），鋤，缸浙江工業(yè)大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所提交的學位論文是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的研究成果。除文中已經(jīng)加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不含為獲得浙江工業(yè)大學或其它教育機構(gòu)的學位證書而使用過的材料。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本

4、人承擔本聲明的法律責任。氫劣甏辛醐渺咖學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權浙江工業(yè)大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于、保密口，在年解密后適用本授權書。、不保密吖（請在以上相應方框內(nèi)打“、”）作者躲習罨寺眺沙名月忱日刷帷轢勺弘但日礦，洲浙江工業(yè)大學碩士學位論文第一章緒論引言歷史證明，一個國家的制造業(yè)水平在很大程度上可以體現(xiàn)國家的實力，國家的發(fā)展也在很大程度上依賴于先進的制

5、造業(yè)，所以大多數(shù)國家都非常重視大力發(fā)展制造業(yè)，二戰(zhàn)后，計算機控制技術、微電子技術、信息和自動化技術有了迅速的發(fā)展，并在制造業(yè)中得到了愈來愈廣泛的應用，先后出現(xiàn)了數(shù)控（）、計算機數(shù)控（）、柔性制造單元（）、柔性制造系統(tǒng)（）、計算機輔助設計與制造（）、計算機集成制造系統(tǒng)（）等多項先進制造技術與制造模式，推動著世界制造業(yè)進入一個嶄新的階段。而在這些技術環(huán)節(jié)中，具有很多優(yōu)點的步進電機就是一個重要角色，比如在數(shù)控技術中。步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為、或，其應用發(fā)展已有約年的歷史?？梢哉f步進電動機天生就是一種離散運動的裝置，是純粹的數(shù)字控制電動機，步迸電機驅(qū)動器通過外加控制脈沖，控制

6、步進電動機各相繞組的導通或截止，從而使電動機產(chǎn)生步進運動。就是說給一個電脈沖信號，電動機就轉(zhuǎn)過一個角度或者前進一步，其輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的個數(shù)、頻率有著嚴格的比例關系。這些關系在負載能力范圍內(nèi)不隨電源電壓、負載大小、環(huán)境條件等的變化而變化。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，同時步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高。步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進電動機最突出的優(yōu)點。正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點，所以成了機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。

7、隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用【】。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。其中華中數(shù)控系統(tǒng)解決了“五軸聯(lián)動”，為“神州”系列飛船順列升空立下了汗馬功勞。雖然與發(fā)達國家相比，我們我國的數(shù)控技術方面整體發(fā)展浙江工業(yè)人學碩學位論文水平還比較低，但已經(jīng)在我國占有非常重要的地位，并起了很大的作用。我國數(shù)控系統(tǒng)在初期就是以單板機或單片機為數(shù)控核心，以步進電機為執(zhí)行元件，由于其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，只需一萬元左右就可以裝備一臺

8、經(jīng)濟型數(shù)控機床，很適合我國中小型企業(yè)使用。采用步進電機作為伺服執(zhí)行元件，不僅可以應用于經(jīng)濟型數(shù)控伺服系統(tǒng)，而且也可以輔以先進的檢測和反饋元件，組成高精度全閉環(huán)數(shù)控系列，從而達到很高的加工精度。除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應用，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。優(yōu)點明顯的步進電機被廣泛應用在電子計算機的許多外圍設備中，例如打印機，紙帶輸送機構(gòu)，卡片閱讀機，主動輪驅(qū)動機構(gòu)和存儲器存取機構(gòu)等，步進電機也在軍用儀器，通信和雷達設備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得

9、到應用?！尽恳蚨瑢τ诓竭M電機控制的研究也就顯得重要了。為了得到良好的控制性能，對步進電機的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術得以實現(xiàn)。上世紀年代以后，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。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復雜，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計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級?；谖⑿蛦纹瑱C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。因此，用微型單片機控制步進電機己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。還比如為了適應一些領域中高精度定

10、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，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)匯編語或語一言進行軟件開發(fā)，在平臺下利用提供的串行通信控件來實現(xiàn)機與步進電機控制器之間的數(shù)據(jù)通訊，最終實現(xiàn)由機直接控制步電機的方法；在平臺下和單片機配合控制步進電機【】：控制的脈沖驅(qū)動方案等等。但是在有些應用場合，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)做到浙江業(yè)大學碩十學位論文系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低；功能較為齊全；適應性強；電機各種運行狀態(tài)指示一

11、目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾和可靠性高；本論文就是采用這個思路進行設計。一般步進電機控制器都用硬件實現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價格較貴，功能相對較單一，并且設計要求有所改變，就得改變整個硬件電路，比較麻煩。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新的環(huán)境，并且在本設計中利用動態(tài)掃描技術，把顯示電路和鍵盤電路有機的結(jié)合起來，節(jié)約了單片機的端口，能做到一定的人機交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，加入看門狗電路，在軟件設計上加

12、入去抖動，因此具有一定的應用價值。國內(nèi)外研究概況國內(nèi)外常見步進電機控制系統(tǒng)在步進電機的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了多種控制方案基于電子電路控制步進電機受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動電路。步進電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。此種控制電路設計簡單，功能強大，可實現(xiàn)一般步進電機的細分任務。這個系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。系統(tǒng)組成如圖卜所示。脈環(huán)驅(qū)步?jīng)_形動進控分電電制配路機器器圖卜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

13、制。開環(huán)時，其平穩(wěn)性好，成本低，設計簡單，但未能實現(xiàn)高精度細分。采用閉環(huán)控制，即能實現(xiàn)高精度細分，實現(xiàn)無級調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當?shù)奶幚?，自動給出脈沖鏈，使步進電機每一步響應控制信號的命令，從而只要控制策略正確電機不可能輕易失步。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)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需重新設計，因此靈活性不高?；趩纹瑱C控制采用單片機來控制步進電機，實現(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，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強

14、大功能，還可設計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉(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)用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配。本方案有以下優(yōu)點（）單片機軟件編程可以使復雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響：（）用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；（）單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統(tǒng)

15、的交互性。基于以上優(yōu)點，本次設計采用基于單片機的控制方案?；诘目刂埔步锌删幊炭刂破?，是一種工業(yè)上用的計算機。作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學和可靠性高等優(yōu)點而廣泛應用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。步進電機控制系統(tǒng)有、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成。控制系統(tǒng)采用來產(chǎn)生控制脈沖。通過編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，進而控制伺服機構(gòu)的進給速度。環(huán)形脈沖分配器將輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應的繞組?？刂频牟竭M電機可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器

16、。采用軟件環(huán)形分配器占用資源較多，特別是步迸電機繞組相數(shù)大于時，對于大型生產(chǎn)線應該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復雜些，但可以節(jié)省資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅(qū)動電路將輸出的控制脈沖放大，達到比較大的驅(qū)動能力，來驅(qū)動步進電機。采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器，降低硬件成本。但由于的掃描周期一般為但由于的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時，由于受到掃描周

17、期的影響，相應的控制精度就降低了【】。步進電機驅(qū)動技術基本類型步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了，它的組成、工作原理和今天的反應式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀年代以后，由于廉價的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。步進電機驅(qū)動技術指的是用步進電機驅(qū)動器的驅(qū)動級來實現(xiàn)對步進電機各相繞組的通電和斷電，同時也是對繞組承受的電壓和電流進行控制的技術。到目前為止，步進電機驅(qū)動技術通常分為單電壓驅(qū)動、單電壓串電阻驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、升頻升壓驅(qū)動和細分驅(qū)動等。單電壓驅(qū)動是通過改變電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。該驅(qū)動方式早

18、在六十年代初期國外就已大量使用，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低；缺點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更加嚴重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜艘蟛桓叩牟竭M電機驅(qū)動。單電壓串電阻驅(qū)動是在單電壓驅(qū)動技術的基礎上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。它提高了步進電機的高頻響應、減少了電動機的共振，也帶來了損耗大、效率低的缺點。這種驅(qū)動方式目前主要用于小功率或啟動、運行頻率要求不高的場合。高低壓驅(qū)動是指不論電動機的工作頻率是多少，在導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

19、高出力，而不是通過改善電路的時間常數(shù)來使矩頻性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動方式的電機，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)浙江工業(yè)大學碩士學位論文束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動方式目前在實際應用中還比較常見。為了彌補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，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應增加，故電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應用，本文正是應用恒流斬波技術實現(xiàn)了驅(qū)動控制。為改善恒流驅(qū)動方式的低頻特性，設計一個低速時低電壓驅(qū)動

20、，高速時高電壓驅(qū)動的電路，使其成為一個由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關穩(wěn)壓驅(qū)動電源。在低速運行時，電子控制器調(diào)節(jié)功率開關管的導通角，使線路輸出的平均電壓較低，電動機不會像在恒流斬波驅(qū)動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。當運行速度逐漸變快時，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，但實際運行中需要針對不同參數(shù)的電機，相應調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。細分驅(qū)動是指在每次脈沖切換時，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細分驅(qū)動時，繞組電流不是一個方波而是階梯波，

21、額定電流是臺階式的投入或切除。比如：電流分成個臺階，轉(zhuǎn)子則需要次才轉(zhuǎn)過一個步距角，即細分細分驅(qū)動最主要的優(yōu)點是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩：其次，減弱或消除了步進電機的低頻振動，降低了步迸電機在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f細分驅(qū)動技術是步進電動機驅(qū)動與控制技術的一個飛躍。論文研究的目的和內(nèi)容本課題的研究目的之一就是設計一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應性強，操作方便，交互性強，可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。另一個目的就是作為一個專業(yè)課教師，在日常教學中我總感覺到目前的教材各種技術太過涇渭分明，由此帶來的實習也是比較零散，沒有把一些在工程實踐中應該

22、結(jié)合在一起的技術有機結(jié)合起來，所以我始終希望自己開發(fā)一套系統(tǒng)，這套系統(tǒng)能夠有機地把電子技術、單片機技術、電機的控制技術結(jié)合起來，通過這套系統(tǒng)得到最浙江工業(yè)大學碩士學位論文大的教學效果?；谝陨蟽蓚€目的，在一年多的時間里，按照模塊化思想，完整的設計了基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)，完成了這篇論文。整個任務包括：）設計一套完整的步進電機斬波驅(qū)動電路，并通過理論及仿真的方法對所設計的斬波驅(qū)動電路進行驗證。）設計一套完整的包括鍵盤電路、顯示電路、看門狗電路在內(nèi)的外圍電路。）完成對整個控制系統(tǒng)的控制軟件編制。論文安排本論文首先簡單介紹了步進電機的應用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進電機常見的控制系統(tǒng)方案和常見

23、的驅(qū)動方案，在這個基礎上提出了自己的設計目的，即設計一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應性強，操作方便，交互性強，可靠性高，而且能在目前的職業(yè)教學中得到事半功倍的教學效果的步進電機控制系統(tǒng)。接著用較大的篇幅介紹了步進電機的特點、分類和工作原理，然后用模塊化的思想分別闡述了所要設計的系統(tǒng)的功能和操作、硬件設計、軟件設計。具體安排如下：第一章為緒論，介紹了步進電機的應用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進電機常見的控制系統(tǒng)方案和常見的驅(qū)動方案，了解各種方案的優(yōu)缺點，提出自己的思路和設計目的。第二章步進電機的概述，闡述步進電機的特點、分類和工作原理，為后面的硬件、軟件設計提供必須的理論基礎。第三章

24、為步進電機控制系統(tǒng)概述，在框架結(jié)構(gòu)上對整個系統(tǒng)進行介紹，而且重點闡述基于單片機的控制系統(tǒng)的一般框架，為自己的設計提供有力的支持。接著介紹了本論文要設計的控制系統(tǒng)的功能特點，及要實現(xiàn)的操作方式。第四章為系統(tǒng)硬件設計，先提出框架，然后分別闡述單片機端口分配、外圍電路、驅(qū)動電路的設計。第五章為系統(tǒng)軟件設計，按照模塊化的思想，主要闡述主流程、初始化流程及幾種模式下的不同的控制流程。具體的程序在附錄中體現(xiàn)。第二章步進電機概述步進電機的特點步進電機又稱脈沖電機或階躍電機，國外一般稱印或印、印等。目前，隨著電子技術、控制技術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。就傳統(tǒng)的步進電機來說，步

25、進電機可以簡單地定義為：根據(jù)輸入的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進一定角度或長度，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動機。從廣義上講，步進電機是一種受電脈沖信號控制的無刷直流電動機，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率同步的同步電動機】。步進電機具有其自身的特色，歸納起來有：可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價；直接接收數(shù)字信號，不必進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，使用方便。位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以要求更高精度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)；無刷，電動機本體部件少，可靠性高；易于起動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，響應性也好；停

26、止時，可有自鎖功能；步距角選擇范圍大，可在幾十角分至度大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下，通常可以在越低速下以高轉(zhuǎn)矩運行，因而可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動負載工作；速度可以相當寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。同時用一臺控制器控制幾臺步進電機可使它們完全同步運行；不能直接使用普通的交流電源驅(qū)動。步進電機的分類步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點電磁式步進電機可分為反應式（）、永磁式（）和混合式（）三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應式和混合式步進電機【】。（）反應式步進電機（，簡稱）反應式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒

27、有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應式步進電機有單段式和多段式兩種類型；（）永磁式步進電機（肌印，簡稱）永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率?。ㄏ啾确磻剑珕舆\行頻率較低，還需要正負脈沖供電；（）混合式步進電機（，簡稱）混合式步進電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點。混合式與傳統(tǒng)的反應式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電

28、機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機設計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能夠開環(huán)運行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領域中得到廣泛應用【】。由于本設計的設計目的更注重整個系統(tǒng)的有機結(jié)合，所以只采用反應式步進電機。反應式步進電機工作原理圖反應式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖圖是反應式步進電動機結(jié)構(gòu)示意圖，它的定子具有均勻分布的六個磁極，磁極上繞有繞組。兩個相對的磁極組成一組，聯(lián)法如圖所示。下面介紹反應式步進電動機單三拍、六拍及雙三拍通電方式的基本原理。反應式步

29、進電機的工作原理是利用了物理上的“磁通總是力圖使自己所通過的路徑的磁阻最小所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，使電機一步步轉(zhuǎn)動的。以三相反應式步進電機為例。一、單三拍通電方式的基本原理設相首先通電（、兩相不通電），產(chǎn)生軸線方向的磁通，并通過轉(zhuǎn)子形成閉合回路。這時、極就成為電磁鐵的、極。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，也就是要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子的齒對齊、極的位置（圖）；接著相通電（、兩相不通電），轉(zhuǎn)了便順時針方向轉(zhuǎn)過。，它的齒和、極對齊（圖）。不難理解，當脈沖信號一個一個發(fā)來時，如果按一的順序通電，則電機轉(zhuǎn)子便逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為單三拍方式。彥憾（囊）樹通跑（）相通電（）朔通電圖單三拍通電方式時

30、轉(zhuǎn)子的位置二、六拍通電方式的基本原理設相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子、對齊（圖）。然后在相繼續(xù)通電的情況下接通相。這時定子、極對轉(zhuǎn)子齒、產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動，但是、極繼續(xù)拉住齒、，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個磁拉力平衡為止。這時轉(zhuǎn)子的位置如圖所示，即轉(zhuǎn)子從圖（）位置順時針轉(zhuǎn)過浙江工業(yè)大學碩士學位論文了。接著相斷電，相繼續(xù)通電。這時轉(zhuǎn)子齒、和定子、極對齊（圖），轉(zhuǎn)子從圖（）的位置又轉(zhuǎn)過了。其位置如圖所示。這樣，如果按、的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動，步距角。電流換接六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進了一個齒距角。如果按、的順序通電，則電機轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為六拍方式。（）

31、相通電、相通電相通電、相通電圖六拍通電時轉(zhuǎn)子位置三、雙三拍通電方式的基本原理如果每次都是兩相通電，即按、一的順序通電，則稱為雙三拍方式，從圖，和圖可見，步距角也是。因此，采用單三拍和雙三拍方式時轉(zhuǎn)子走三步前進了一個齒距角，每走一步前進了三分之一齒距角；采用六拍方式時，轉(zhuǎn)子走六步前進了一個齒距角，每走一步前進了六分之齒距角。因此步距角可用下式計算：。（×）式中是轉(zhuǎn)子齒數(shù)；是運行拍數(shù)。一般步進電動機最常見的步距角是。或。所以，轉(zhuǎn)子上不只個齒（齒距角），而有個齒（齒距角為）。由式（）可知，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個步距角，就相當于轉(zhuǎn)過了整個圓周的（×）圈，若控制脈沖頻率為則轉(zhuǎn)子每秒鐘就轉(zhuǎn)過（

32、×）圈，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：（×）（）第三章步進電機控制系統(tǒng)概述步進電機控制系統(tǒng)簡介步進電機控制系統(tǒng)是一個有機的完整的整體，由運動控制系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)組成。由操作系統(tǒng)完成把操作者的操作轉(zhuǎn)化為運動控制系統(tǒng)能接受的電信號，運動控制系統(tǒng)隨之作出反應，完成規(guī)定動作。運動控制是一門有關如何對物體位置和速度進行控制的技術。典型的運動控制系統(tǒng)應由三部份構(gòu)成：控制部分、驅(qū)動部分、執(zhí)行部分。如圖所示：圖運動控制系統(tǒng)組成在步進電機控制系統(tǒng)中運動執(zhí)行部件為步進電機。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)

33、是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機的運行要有一電子裝置進行驅(qū)動，這種裝置就是步進電機驅(qū)動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，加以放大以驅(qū)動步進電機。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；控制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。因此典型的步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)主要由三部分組成：步進控制器、驅(qū)動器（把控制器輸出的脈沖加以放大，來驅(qū)動步進電機）、步迸電機。不同的控制方案，步進控制器、驅(qū)動器也有不同的類型。在本論文第一章，已經(jīng)

34、對此作了介紹。下面著重介紹以單片機為控制器的步進電機控制系統(tǒng)。步進電機是數(shù)控式電機，其最大特點是通過輸入脈沖信號來進行控制，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。它具有輸入脈沖與電機軸轉(zhuǎn)角成比例的特征，將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信浙江業(yè)大學碩學位論文號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。圖單片機控制步進電機控制系統(tǒng)前面已經(jīng)介紹過，驅(qū)動脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實現(xiàn)?，F(xiàn)在，脈沖分配器已經(jīng)標準化、芯片化，市場上可以買到。但硬件方法結(jié)構(gòu)復雜，成本也較高。使用單片機以軟件方式驅(qū)動步進電機，不但可以通過編程方法，在一定范圍內(nèi)自由設定

35、步進電機的轉(zhuǎn)速、往返轉(zhuǎn)動的角度以及轉(zhuǎn)動次數(shù)等，而且還可以方便靈活地控制步進電機的運行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求。因此，常把單片機步進電機控制電路稱之為可編程步進電機控制驅(qū)動器。步進電機控制（包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配）使用軟件方法，即用單片機實現(xiàn)，這樣既簡化了電路，也降低了成本。采用單片機來控制步進電機，實現(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，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動電路。通過軟件的控制，單片機按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)數(shù)字一角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動的速

36、度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動方向則與脈沖的順序有關。以三相步進電機為例，電流脈沖的施加共有種方式。（）單相三拍方式（按單相繞組施加電流脈沖）：一一正轉(zhuǎn)；一一反轉(zhuǎn)。（）雙相三拍方式（按雙相繞組施加電流脈沖）：一一正轉(zhuǎn)；一一反轉(zhuǎn)。（）三相六拍方式（單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖）：一一正轉(zhuǎn)：一一反轉(zhuǎn)。整個系統(tǒng)以單片機為核心，設計出硬件系統(tǒng)。以其中的幾個口控制驅(qū)動電路，由于步進電機工作時，電機繞組內(nèi)的電流值一般都能達到數(shù)安培，而控制電機繞浙江下業(yè)大學碩士學位論文組內(nèi)電流變化的控制信號一般都是由邏輯電路產(chǎn)生的數(shù)字信號，電壓一般比較低，為了防止單片機或控制信號等受到后級模擬電路的干擾，通常在驅(qū)動電源的

37、設計時都要設計電壓隔離接口，以便把數(shù)字信號和模擬信號隔離開所以將光電隔離電路接在驅(qū)動電路和單片機出口之間。由于單片機的強大功能，還可設計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，和單片機端口連接，設置了步進電機正轉(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)用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配。驅(qū)動電路按照控制要求有多種選擇，在本論文的第一章就介紹了幾種常見的驅(qū)動電路。待驅(qū)動、晶振、復位、鍵盤、顯示各個電路的設計完成之后，進行硬件合成，就是一個完整的步進電機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的軟件

38、設計通常采用模塊化結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)總體框架一般包括三部分：主程序、中斷服務子程序以及其他相應的輔助子程序（包括正轉(zhuǎn)子程序、反轉(zhuǎn)子程序、鍵盤子程序、顯示子程序以及延時子程序）本系統(tǒng)特點通過對其它步進電機控制系統(tǒng)的分析，結(jié)合設計目的，本論文的控制系統(tǒng)采用基于單片機的控制方案。系統(tǒng)應用了一片公司的單片機作為步進電機控制器的核心運算器件，利用單片機強大的運算能力和可編程的特點，可以實現(xiàn)較為復雜的步進電機控制功能。且適應能力強，能夠在不改變硬件電路的情況下，只需對軟件進行必要的修改就可以適應不同的步進電機和控制要求。而且可以做到人機交換，使控制更加的直觀和方便，各種運行狀態(tài)也都有相應的指示，使操作者隨時都

39、能對電機的運行狀況進行方便的了解。一個利用單片機來構(gòu)成的步迸電機控制系統(tǒng)的優(yōu)點是十分明顯的。本系統(tǒng)大致想達到以下幾個特點：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)要簡單，把成本降到最低；功能要較為齊全；要能實現(xiàn)步進電機的正反轉(zhuǎn)、變速以及控制顯示功能。適應性強，一般情況下只需改變軟件就可以適應新的要求；電機各種運行狀態(tài)指示要一目了然，使操作方便；浙江工業(yè)大學碩士學位論文系統(tǒng)抗干擾和可靠性要高。為了達到以上特點，除了核心控制部件采用單片機外，在其它硬件的設計上也有一些綜合的考慮。鍵盤電路掃描輸出線與顯示部分的掃描線采用單片機的同一組端口，大大節(jié)約硬件資源；單片機控制的運行方式、模式和速度方面的控制基本涵蓋步進電機的普通應用；

40、硬件上采用了專用的系統(tǒng)程序運行監(jiān)控電路（看門狗），軟件上編寫采用了冗余指令，進一步增強系統(tǒng)抗干擾能力。系統(tǒng)功能在綜合考慮各種設想之后，本設計想使此系統(tǒng)具有以下功能和要求：能使電機運行于三相雙三拍和三相單雙六拍的方式（亦稱為半步工作方式）；運行模式有單步、連續(xù)和預置步數(shù)三種；預置步數(shù)運行模式時，步數(shù)設置范圍為步；連續(xù)運行模式時速度檔可調(diào)（）；可以預置轉(zhuǎn)向或者在運行時改變轉(zhuǎn)向；三位七段在相應的工作模式時顯示速度檔位或者步數(shù)；兩個分別指示電機轉(zhuǎn)向和運行方式；各種操作共有六個按鍵來輸入，操作方便；設有強制復位鍵，當受到嚴重干擾，致使也失效后，可以通過強制復位鍵進行手動強行復位；步進控制脈沖輸出頻率范圍

41、：。：整個系統(tǒng)為低電壓供電。第四章系統(tǒng)硬件設計硬件是整個系統(tǒng)的平臺，各種功能的實現(xiàn)和軟件的運行都是以硬件為基礎的，所以硬件設計的合理與否從根本上決定了整個系統(tǒng)的質(zhì)量。為了充分發(fā)揮單片機的長處，實現(xiàn)盡可能多的功能，使系統(tǒng)的成本盡量的低，工作得更可靠，操作更具備人機交互性，并且要使整個系統(tǒng)能真正對職業(yè)學校的實踐教學起促進作用，對硬件電路進行的精心的設計，每一個方案都經(jīng)過了反復的比較和論證，不一定最先進，但符合設計目的。系統(tǒng)組成系統(tǒng)的組成方框圖如圖所示：圖系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)由電源、顯示（指示）、單片機（）、按鍵電路、看門狗電路和電機驅(qū)動電路等組成。系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機接口線直接去控制步進電機各相

42、驅(qū)動電路。鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉(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)用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。系統(tǒng)核心一、簡介單片機從誕生至今已經(jīng)產(chǎn)生了許多種，新品種的也是層出不窮，從最初的和系列，以及最近推出的，等，品種繁多，功能各異。但是就目前來說，系列的單片機仍是許多設計的首先，特別是公司的系列單片機，運用更是廣泛。而且各種技術參考資料相對也較多。通過對本設計所需資源的分析，選用公司的位單片機作為主控芯片。是的簡化版本（只有個管腳）但仍然具有強大的功能。是一帶有可編程、可擦除只讀存儲器（）的低壓、高性能位微型計算

43、機。它采用的高密非易失存儲技術制造，并和工業(yè)標準一指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。使成為一強勁的微型計算機。它為許多嵌入式控制應用提供了高度靈活和低成本的解決方法【。提供以下標準功能：存儲器；字節(jié)；條引線；兩個位可編程定時器計數(shù)器；個向量級中斷結(jié)構(gòu)；個全雙工趾汀口；個精密模擬比較器以及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。此外是用可降到頻率的靜態(tài)邏輯操作設計的，并支持兩種可選的軟件節(jié)電方式?？臻e方式停止工作，但允許、定時器計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。方式保存內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止所有其它部件的工作直到下一個硬件復位。主要性能如下：【】與一產(chǎn)品兼容；具有的可編程；耐久性：寫、擦除；的電壓操作范圍；全靜態(tài)操作

44、：；兩級加密程序存儲器；木的內(nèi)部；條可編程引線；兩個位可編程定時器計數(shù)器；個中斷源；可編程串行通道；直接驅(qū)動輸出；浙江工業(yè)大學碩士學位論文片內(nèi)模擬比較器；低功耗空載和掉電方式；引腳功能：口：口是一個位雙向口。引腳一提供內(nèi)部上拉電阻。和還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入（）和反相輸入（）?？谳敵鼍彌_器可吸收迭電流，并能直接驅(qū)動顯示。當口引腳輸入“”時，可用作輸入端。當引腳一用作輸入端并被外部拉低時，將因內(nèi)部的上拉電阻而輸出電流（）。口還在編程和程序校驗期間接收代碼數(shù)據(jù)?？冢嚎诘囊?、是帶有內(nèi)部上拉電阻的個雙向引腳。用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號，并且作為一通用引腳而不可外部訪問?？诰彌_器可吸

45、收認電流。當口引腳寫入“”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入端時，被外部拉低的口引腳將因內(nèi)部上拉電阻而輸出電流（）?？谶€用于實現(xiàn)的各種功能，如表所示。表口功能引腳功能（串行輸入端口）（串行輸出端口）（外部中斷）玳（外部中斷）（定時器外部輸入）（定時器外部輸入）系統(tǒng)端口分配輸出碼到七段顯示譯碼器，用于控制顯示的數(shù)碼。一：顯示動態(tài)掃描位選線，鍵盤掃描輸出線。：（看門狗）定時器復位輸出口。：方向指示控制口。：工作方式指示控制口。、：鍵盤掃描返回線。、：步進電機控制脈沖輸出口。詳細接線見附錄系統(tǒng)原理圖。外圍電路設計系統(tǒng)外圍電路包括顯示、鍵盤和看門狗電路等。顯示電路設計顯示電路原理圖如圖

46、所示。包括三位七段顯示和指示電路。、日、圖顯示電路七段顯示部分采用一鎖存七段譯碼驅(qū)動器進行譯碼和驅(qū)動，同時采用動態(tài)掃描顯示技術，大大減少了硬件開支和簡化了電路。的管腳排列和顯示數(shù)碼如圖所示，應用真值表如表所示。【】表應用真值表切琿坩讓中岫把引疊辛毛口哇口毫氣嘻詔嚕矗，；數(shù)碼漣每一從圖和表中我們都可以看出，在顯示和的時候段和段分別不顯示，即少一橫，和我們習慣的有所區(qū)別。因是芯片功能上的緣故，所以后天無法改變，必須在程序編寫上加以考慮。從真值表中我們可以看到。要使能對應輸入的碼顯示正常相應一的數(shù)碼，端應該接低電平，和端應該接高電平。但當輸入的碼超過時（碼為），即使、滿足顯示條件，數(shù)碼管也是沒有顯示的（），我們可以在編寫軟件時可以利用這一點來對數(shù)碼管進行所需的消隱。點亮顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一個字符時，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止，比如七段顯示器、導通，截止，顯示。這種顯示方式每一位都需要有一個位輸出口控制，所需單片機端口較多，所以