基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)_畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(完整版)

　　

【正文】 稱之為 ‘ 電機(jī)固有步距角 ’ ，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)，參見下表（還以型 86BYG250A 電機(jī)為例）： 表 細(xì)分驅(qū)動步距角 電機(jī)固有步距角 所用驅(qū)動器類型及工作狀態(tài) 電機(jī)運(yùn)行時(shí)的真正步距角 176。 細(xì)分驅(qū)動器工作在 10 細(xì)分狀態(tài) 176。驅(qū)動器細(xì)分后的主要優(yōu)點(diǎn)為： 完全消除了電機(jī)的低頻振蕩 低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)（尤其是反應(yīng)式電機(jī)）的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯一途徑，如果步進(jìn)電機(jī)有時(shí)要在共振區(qū)工作（如走圓弧），選擇細(xì)分驅(qū)動器是唯一的選擇。具體安排如下 : 第一章為緒論，介紹了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)，提出自己的思路和設(shè)計(jì)目的。這種采用弱點(diǎn)控制強(qiáng)電的控制方式使得步進(jìn)電機(jī)在速度、位移等控制領(lǐng)域有著普通電機(jī)不能比擬的優(yōu)勢。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) (簡稱 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。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢，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、低頻振動小。 四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。不同的控制方案，步進(jìn)控制器、驅(qū)動器也有不同的類型。但硬件方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也較高。轉(zhuǎn)動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動方向則與脈沖的順序有關(guān)。 整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)出硬件系統(tǒng)。而且可以做到人機(jī)交換，使控制更加的直觀和方便，各種運(yùn)行狀態(tài)也都有相應(yīng)的指示，使操作者隨時(shí)都能對電機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行方便 21 的了解。 22 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)組成 圖 系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)由電源、顯示 (指示 )、單片機(jī) (MCU )、按鍵電路、看門狗電路和電機(jī)驅(qū)動電路等組成。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在由外部程序存儲器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)又稱單片機(jī)最小化系統(tǒng)。 外圍電路設(shè)計(jì) 顯示電路 — LCD1602 優(yōu)點(diǎn) 28 (1)顯示質(zhì)量高 由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（ CRT）那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。 (3)漢字的顯示 漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機(jī)中提取要顯示的漢字的點(diǎn)陣碼（一般用字模提取軟件），每個(gè)漢字占 32B，分左右兩半，各占 16B，左邊為 5??右邊為 6??根據(jù)在 LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示 RAM 對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加 1，送第二個(gè)字 30 節(jié)，換行按列對齊，送第三個(gè)字節(jié) ?? 直到 32B 顯示完就可以 LCD上得到一個(gè)完整漢字。 第 5 腳： R/W 為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 指令 4：顯示開關(guān)控制。（說明： 1 為高電平、 0 為低電平） 指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標(biāo)復(fù)位到地址 00H 位置。 (3)引腳功能說明 1602LCD 采用標(biāo)準(zhǔn)的 14 腳（無背光）或 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表 2 所示 : 表 引腳接口說明表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負(fù)極 第 1 腳： VSS 為地電源。這就是 LCD 顯示的基本原理。 (4)功耗低 相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC 上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。 復(fù)位電路由 22UF 的電容和 1K 的電阻組成，其好處是在滿足單片機(jī)可靠復(fù)位的前提下降低了復(fù)位引腳的對地阻抗，可以顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾能力。 芯片擦除 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳 25 兩個(gè) 機(jī)器周期 的高電平時(shí)間。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造。 為了達(dá)到以上特點(diǎn)，除了核心控制部件采用單片機(jī)外，在其它硬件的設(shè)計(jì)上也有一些綜合的考慮。待驅(qū)動、晶振、復(fù)位、鍵盤、 LED 顯示各個(gè)電路的設(shè)計(jì)完成之后，進(jìn)行硬件合成，就是一個(gè)完整的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。 (2)雙相三拍方式 (按雙相繞組施加電流脈沖 ):ABBCCA 一正轉(zhuǎn) 。 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。它具有輸入脈沖與電機(jī)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(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)。由操作系統(tǒng)完成把操作者的操作轉(zhuǎn)化為運(yùn)動控制系統(tǒng)能接受的電信號，運(yùn)動控制系統(tǒng)隨之作出反應(yīng)，完成規(guī)定動作。 [12] 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理闡述 圖 四相步進(jìn)電機(jī)原理圖 開始時(shí)，開關(guān) SB 接通電源， SA、 SC、 SD 斷開， B 相磁極和轉(zhuǎn)子0、 3 號齒對齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的 4 號齒就和 C、 D 相 繞組磁極 16 產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5 號齒就和 D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。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。 步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電動機(jī)的種類很多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。 第四章為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，先提出框架，然后分別闡述單片機(jī)端 12 口分配、外圍電路、驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。 研究的目的和意義 本課題研究的目的是綜合運(yùn)用所學(xué)的《單片機(jī)原理及其接口技術(shù)》理論知識，加強(qiáng)對所學(xué)知識的理解，鍛煉設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能力，以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一個(gè)簡單、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)。 10 從上表可以看出：步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了，如驅(qū)動器工作在 10 細(xì)分狀態(tài)時(shí)，其步距角只為 ‘ 電機(jī)固有步距角 ’ 的十分之一，也就是說： ‘ 當(dāng)驅(qū)動器工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動 176。 /176。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如 86BYG250A 型電機(jī)給出的值為 176。 8 可通過改變其高壓管導(dǎo)通時(shí)間來解決低頻振蕩問題，然而其控制電路較單電壓復(fù)雜，可靠性降低，一旦高壓管失控，將會因電流太大損壞電機(jī)。當(dāng) In 為低電平時(shí)，三極管截止，繞組無電流通過。當(dāng)時(shí)受到蘇聯(lián)、日本等工業(yè)較發(fā)達(dá)國家的影響，國內(nèi)開始自行研制磁阻式步進(jìn)電機(jī)的系列產(chǎn)品 。在其發(fā)展歷程中，出現(xiàn)了多種類型步進(jìn)電機(jī)，按照基本的構(gòu)造和工作原理可分為三大類型即磁阻式、永磁式和混合式。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)動線路。采用軟件環(huán)形分配器占用 PLC 資源較多，特別是步進(jìn)電機(jī)繞組相數(shù)大于 4 時(shí)，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。 圖 11 基于電子電路控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng) 基于 PLC/變頻器控制手段 在一些要求實(shí)現(xiàn)精確控制的場合，采用 PLC 或者變頻器對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制是一個(gè)很好的選擇。步進(jìn)電機(jī)與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。有的系統(tǒng)在操作上不是很方便，交互性不強(qiáng)。 因此本文的研究內(nèi)容就是設(shè)計(jì)一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟(jì)，但功能較為齊全，適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便，可靠性高的，能夠有機(jī)地把電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、電機(jī)的控制技術(shù)結(jié)合起來步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計(jì)簡單，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)。 PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計(jì)算機(jī)。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脈沖控制器 環(huán)形分配器 驅(qū)動電路 步進(jìn)電機(jī) 3 資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。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)。在日本和西方等發(fā)達(dá)國家早期都是研制和應(yīng)用磁阻式步進(jìn)電機(jī)，但是由于固有的能量利用率低、振動和噪音大等缺點(diǎn)逐步被淘汰掉，目前在 5 國外幾乎沒有了僅僅在某些場合例如在溫度很高的核反應(yīng)堆中或者需要電動機(jī)的不通電的情況下定位力矩為零的時(shí)候才使用 。 70 年代末形成了以定子6 個(gè)極、轉(zhuǎn)子 40 齒的三相磁阻式電動機(jī)為主，另外還有定子 10 個(gè)極、轉(zhuǎn)子 100 齒的五相磁阻式電動機(jī)等共存的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用局面。 7 為使通電時(shí)繞組電流迅速達(dá)到預(yù)設(shè)電流，串入電阻 Rc；為防止關(guān)斷 T 時(shí)繞組電流變化率太大，而產(chǎn)生很大的反電勢將 T 擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個(gè)二極管 D 和電阻 Rd，為繞組電流提供一個(gè)泄放回路，也稱“續(xù)流回路”。 [7] 自激式恒電流斬波驅(qū)動 圖 16 自激式恒電流斬波驅(qū)動框圖 把步進(jìn)電機(jī)繞組電流值轉(zhuǎn)化為一定比例的電壓，與 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，控制功率管的開關(guān)，從而達(dá)到控制繞組相電流的目的。 /176。 細(xì)分驅(qū)動器工作在 5 細(xì)分狀態(tài) 176。；而用細(xì)分驅(qū)動器工作在 10 細(xì)分狀態(tài)時(shí)，電機(jī)只轉(zhuǎn)動了 176。 11 本課題研究的意義是了解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成，學(xué)習(xí)單片工作原理及其內(nèi)部工作狀態(tài)，并熟悉不同時(shí)刻，單片機(jī)輸入輸出情況；了解步進(jìn)電機(jī)的分類和用途，掌握步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理，并學(xué)習(xí)使用單片機(jī)簡單控制步進(jìn)電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及簡單了解國內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。 第五章為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 13 第 2 章 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)指的是以數(shù)字脈沖信號作為電機(jī)線或教位移的控制信號，并以數(shù)字脈沖頻率對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的動力控制系統(tǒng)。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式 (VR)、永磁式 (PM)和混合式 (HB)三大類 。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小 (相比反應(yīng)式 )，但啟動運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電。 當(dāng)開關(guān) SC 接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時(shí)，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動， 4 號齒和 C 相繞組的磁極對齊。 運(yùn)動控制是一門有關(guān)如何對物體位置和速度進(jìn)行控制的技術(shù)。運(yùn)動控制系統(tǒng) 驅(qū)動部件 運(yùn)動執(zhí)行部件 機(jī)械裝置 18 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進(jìn)脈沖 信號的頻率，可以對電機(jī)精確調(diào)速 。 采用單片機(jī)作為控制核心的控制系統(tǒng)如圖 32 所示。用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。ACCBAB 一反轉(zhuǎn)。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(wù)子程序以及其他相應(yīng)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、 LED 顯示子程序以及延時(shí)子程序 ). 本系統(tǒng)特點(diǎn)與功能 本系統(tǒng)特點(diǎn) 通過對其它步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的分析，結(jié)合設(shè)計(jì)目的，本論文的控制系統(tǒng)采用基于單片機(jī)的控制方案。鍵盤電路掃描輸出線與顯示部分的掃描線采用單片機(jī)的同一組端口，大大節(jié)約硬件資源 :單片機(jī)控制的運(yùn)行方式、模式和速度方面的控制基本涵蓋步進(jìn)電機(jī)的普通應(yīng)用 。 [15] 主要特性 與 MCS51 兼容； 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器； 壽命：1000 寫 /擦循環(huán)； 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年； 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz；三級程序存儲器鎖定； 32 可編程 I/O 線 128*8 位內(nèi)部 RAM；兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 5 個(gè)中斷源； 1可編程串行通道； 1低功耗的閑置和掉電模式； 1片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址