基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 現(xiàn)精確定位的特點(diǎn)，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電脈沖信號(hào)控制的，其角位移量或線(xiàn)位移量與脈沖數(shù)成正比，每個(gè)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī) 就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（步距角）或前進(jìn)、倒退一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸 AT89C51 單片機(jī) 狀態(tài)顯示電路 電源及時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 鍵盤(pán)控制電路 ULN2803 啟動(dòng)電路 步進(jìn) 電機(jī) 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱(chēng)步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字 /角度轉(zhuǎn)換器。 (1)四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理 該設(shè)計(jì)采用了 20BY0 型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí)，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒(méi)有對(duì)齊，在磁場(chǎng)的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對(duì)齊，由此可見(jiàn)，錯(cuò)齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。 (2)步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ) 相數(shù)：產(chǎn)生不同隊(duì) N、 S 磁場(chǎng)的激磁線(xiàn)圈對(duì)數(shù)，常用 m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖用 n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即 AB→BC→CD→DA→ AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A 。 步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用 θ 表示。 θ=360176。 /（轉(zhuǎn)子齒角運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒角 50 齒角電機(jī)為例。四相運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360176。 /(50*4)=176。，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360176。 /(50*80)=176。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電的狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）。 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機(jī)不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)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(guò)分采用減小氣隙，增加勵(lì)磁匝數(shù)來(lái)提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。 (3)四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律 目前，對(duì)步進(jìn)電機(jī)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(zhuān)用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)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(jī)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(shí)的時(shí)序與波形分別如圖23 a、 b、 c 所示。本設(shè)計(jì)的電機(jī)工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的時(shí)序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時(shí)的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律，如表 2 22。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(jī)跟不上頻率的變化后電機(jī)會(huì)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(jī)允許的范圍內(nèi)。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 23 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 表 21 四相單四拍脈沖分配表 A B C D N 1 0 0 0 N+1 0 1 0 0 N+2 0 0 1 0 N+3 0 0 0 1 表 22 四相雙四拍脈沖分配表 A B C D N 1 1 0 0 N+1 0 1 1 0 N+2 0 0 1 1 N+3 1 0 0 1 2． AT89C51 單片機(jī) Atmel 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機(jī)是 一種低功耗、低電壓、高性能的 8 位單片機(jī)，它采用 CMOS 和高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS51 兼容；片內(nèi)的 Flash ROM 允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編程器來(lái)編程，內(nèi)部除 CPU 外，還包括 256 字節(jié) RAM， 4 個(gè) 8 位并行 I/O口， 5 個(gè)中斷源， 2 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器， AT89C51 單片機(jī)是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，完全滿(mǎn)足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的硬件電路只要包括控制電路、 最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路四大部分。最小系統(tǒng)只要是為了使單片機(jī)正常工作。控制電路只要由開(kāi)關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進(jìn)行操作。顯示電路主要是為了顯示電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 控制電路 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了啟動(dòng)控制，換向控制，加速控制和減速控制按鈕，分別是 K K S S3，控制電路如圖 31 所示。通過(guò) KK2 狀態(tài)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)和換向功能。當(dāng) K K2 的狀態(tài)變化時(shí)，內(nèi)部程序檢測(cè) 和 的狀態(tài)來(lái)調(diào) 用相應(yīng)的啟動(dòng)和換向程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機(jī)的啟動(dòng)和正反轉(zhuǎn)控制。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 圖 31 控制電路原理圖 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過(guò)控制通入電機(jī)的脈沖頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于單片機(jī)而言，主要的方法有：軟件延時(shí)和定時(shí)中斷在此電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要是通過(guò)定時(shí)器的中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該電路控制電機(jī)加速度主要是通過(guò) S S3 的斷開(kāi)和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 最小系統(tǒng) 單 片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱(chēng)為最小應(yīng)用系統(tǒng)，素質(zhì)用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對(duì) 51 系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。 復(fù)位電路：使用了獨(dú)立式鍵盤(pán)，單片機(jī)的 P1 口鍵盤(pán)的接口。該設(shè)計(jì)要求只需 4 個(gè)鍵對(duì)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對(duì)控制功能的擴(kuò)展，使用了 6路獨(dú)立式鍵盤(pán)。復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位，所謂手動(dòng)復(fù)位，是指通過(guò)接通一按鈕開(kāi)關(guān)，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，晶振電路用 30PF 的電容和一 12M 晶體振蕩器組成為整個(gè)電路提供時(shí)鐘頻率。如圖 32 示。 晶振電路： 8951 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常 用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外部接晶振電路器（簡(jiǎn)稱(chēng)晶振）或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖 32示。其電容值一般在 5~30 pf，晶振頻率的典型值為 12MHz，常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 采用 6MHz 的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路實(shí)用較多。 圖 32 復(fù)位及時(shí)鐘振蕩電路 驅(qū)動(dòng)電路 通過(guò) ULN2803 構(gòu)成比較多的驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖 33 所示。通過(guò)單片機(jī)的 ~ 輸出脈沖到 ULN2803 的 1B~4B 口，經(jīng)信號(hào)放大后從 1C~4C 口分別輸出到電機(jī)的 A、 B、 C、 D 相。 圖 33 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 顯示電路 在該步進(jìn)電機(jī)的控制器中，電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)，可以加速、減速，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速的等級(jí)分為七級(jí)，為了方便知道電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速的等級(jí)，這里設(shè)計(jì)了電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)的工作狀態(tài)的顯示電路。在顯示電路中，主要是利用了單片機(jī)的 P0 口和 P2 口。采用兩個(gè)共陽(yáng)數(shù)碼管作顯示。第一個(gè)數(shù)碼管接的 a、 b、 c、d、 e、 f、 g、 h 分別接 ~ 口，用于 顯示電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，正轉(zhuǎn)時(shí)顯示“ 1”，反轉(zhuǎn)時(shí)顯示“一”，不轉(zhuǎn)時(shí)顯示“ 0”。第二個(gè)數(shù)碼管的 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h分別接 ~ 口，用于顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速級(jí)別，共七級(jí)，即從 1~7 轉(zhuǎn)速依次遞增，“ 0”表示轉(zhuǎn)速為零。電路如圖 34 所示。 圖 34 顯示電路 總體電路圖 把各個(gè)部分的電路圖組合成總電路圖，如附錄 2 所示。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 通過(guò)分析可以看出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于隨時(shí)有可能輸入加速、加速信號(hào)和方向信號(hào)，因而采用中斷方式效率最高，這樣總共要 完成 4個(gè)部分的工作才能滿(mǎn)足課題要求，即主程序部分、定時(shí)器中斷部分、外部中斷 0和外部中斷 1 部分，其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置及啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的檢測(cè)，若啟動(dòng)開(kāi)關(guān)合上則系統(tǒng)開(kāi)始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時(shí)器部分控制脈沖頻率，它決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢；兩個(gè)外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能。下面分析主程序與定時(shí)器中斷程序及外部中斷程序。 主程序設(shè)計(jì) 主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)的檢測(cè)判斷等。其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設(shè)置內(nèi)容較多，該系統(tǒng)中，需要初始化定時(shí) 器、外部中斷；對(duì) P1 口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)速度，對(duì)方向值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向等內(nèi)容。若初始化 P1=11H、速度和方向初始值均設(shè)為 0，就意味著步進(jìn)電機(jī)按四相單四拍運(yùn)行，系統(tǒng)上電后在沒(méi)有操作的情況下，步進(jìn)電機(jī)不旋轉(zhuǎn)，方向值顯示“ 0”，速度值顯示“ 0”，主程序流程圖如圖 41 所示。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 啟動(dòng)開(kāi)關(guān)為 0？ 停止計(jì)時(shí)器 速度值為 0？ 開(kāi) 始 停止計(jì)時(shí)器 顯 示 初始化 N Y N Y 啟動(dòng)計(jì)時(shí)器 延 時(shí) 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 圖 41 主程序流程圖 定時(shí)中斷設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是給電機(jī)各繞組按一定的時(shí)間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通入電流，步進(jìn)電 機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn)，時(shí)間間隔越短，速度就越快。在這個(gè)系統(tǒng)中，這個(gè)時(shí)間間隔是用定時(shí)器重復(fù)中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的，即調(diào)節(jié)時(shí)間間隔就是調(diào)節(jié)定時(shí)器的中斷次數(shù)，因而在定時(shí)器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機(jī)的運(yùn)行方向、發(fā)下一個(gè)脈沖，以及保存當(dāng)前的各種狀態(tài)。程序流程圖如圖 42 所示。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 T0 中斷入口 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 中斷次數(shù) 1=0？ 讀方向指示 發(fā)速度脈沖 重送相關(guān)狀態(tài) 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 中斷返回 Y N 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 圖 42 定時(shí)中斷程序流程圖 外部中斷設(shè)計(jì) 外部中斷所要完成的工作是根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，也就是改變了電機(jī) 的轉(zhuǎn)速。速度增加按鈕 S2 為 INT0 中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當(dāng)值等于 7 時(shí)，不改變?cè)瓟?shù)值返回，小于 7 時(shí)，數(shù)據(jù)加 1 后返回；速度減少按鈕 S3，當(dāng)原數(shù)據(jù)不為 0，減 1 保存數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)為 0 則保持不變。程序流程圖如圖 43所示。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 圖 43 外部中斷程序流程圖 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果分析 軟件調(diào)試記錄 把編好的程序（包括正反轉(zhuǎn)程序、停止程序、顯示程序等）合理安排好結(jié)合到一起進(jìn)行編譯。由于編譯只能 檢查是否存在語(yǔ)法錯(cuò)誤，所以還要看是否存在邏輯錯(cuò)誤。程序修改好以后，當(dāng)顯示編譯 0 錯(cuò)誤， 0 警告的時(shí)候，這說(shuō)明已經(jīng)沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤了，是否有邏輯錯(cuò)誤還要看接上電路板通過(guò)仿真以后，步進(jìn)電機(jī)能否正常轉(zhuǎn)動(dòng)，顯示是否正常。 硬件調(diào)試記錄 1． LM7812 輸出電壓錯(cuò)誤與解決方法 電路的工作離不開(kāi)電源，所以電源是必不可少的。電源采用的是利用變壓器外部中斷入口 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 延時(shí)去抖 速度 =上或限值？ 速度值177。 1 按鈕是否彈起？ 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 中斷返回 Y N N Y 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電 工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 將 220V 的電壓轉(zhuǎn)換為 12V 的電壓，再利用橋堆整流使交流電變成直流電，最后分別利用 LM7812 和 LM7805 芯片得到 12V 和 5V 的電壓。 電路板焊接好以后，首先要檢查一下電路設(shè)計(jì)是