基于Proteus的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制仿真設(shè)計(jì)

1、I / 47本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題題 目目 基于 Proteus 的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制仿真 I / 47畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說(shuō)明使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解

2、大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳?。作者簽名： 日 期：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由

3、本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注意事項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的容包括：III / 471）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300 字左右） 、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁(yè)（附件

4、不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論） 、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等） ，文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 1.2 萬(wàn)字。3.附件包括：任務(wù)書、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件） 。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書寫字跡工整，打印字體與大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 5

5、0 頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它摘 要步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移(或線位移)的電磁裝置，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件，由于其精確性以與其良好的性能在實(shí)際當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了以 51 系列單片機(jī) AT89S51 為控制核心所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)的硬件仿真電路以與軟件的設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。并且由傳感器

6、FC-SPX302 采集轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)而進(jìn)行關(guān)于速度的閉環(huán)控制，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證電路證明，該仿真控制系統(tǒng)的隨動(dòng)性能好，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)，閉環(huán)，控制III / 47ABSTRACTStepper motor is a pulse signal is converted into the corresponding angular displacement (or linear displacement) of electromagnetic devices, because step motor does not need A/D conversion, digital puls

7、e signal can be directly transformed into angular displacement, so It is considered to be an ideal actuator of CNC machine tools. Because of its good performance and accuracy in practice has been widely applied. This paper introduces to 51 series microcontroller AT89S51 as control core design of ste

8、pping motor control system, From the hardware circuit simulation and software design and implementation of stepper motor control. And use the acquisition speed data sensor FC-SPX302 to make up a closed-loop of speed control system. Through the circuit simulation prove, dynamic performance with the s

9、imulation of the control system, strong anti-interference ability, good stability.KEY WORDS: Steppermotor，Closed loop，ControlV / 47目目 錄錄1 緒論 11.1 步進(jìn)電機(jī)國(guó)外研究現(xiàn)狀 11.2 研究主要容與其意義 21.3 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制優(yōu)點(diǎn) 32 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的介紹 52.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本原理 52.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分類 52.3 步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù) 52.3.1 電機(jī)的拍數(shù) 52.3.2 電機(jī)固有步進(jìn)角 62.3.3 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù) 62.4 步進(jìn)電機(jī)

10、結(jié)構(gòu) 62.4.1 步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn) 72.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制原理 72.5.1 換相順序的控制 82.5.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向控制 82.5.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制 82.5.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制 82.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 93 主要芯片介紹 113.1 89S5L單片機(jī)簡(jiǎn)介 113.1.1 單片機(jī)的引腳功能 113.1.2 單片機(jī)的主要特性 113.2 L298 簡(jiǎn)介 123.2.1 L298 的原理 123.2.2 L298 概述 123.3 光電開(kāi)關(guān) 144 硬件設(shè)計(jì) 154.1 總體設(shè)計(jì)方框圖 154.2 系統(tǒng)仿真圖 154.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式選擇 164.4 步進(jìn)電動(dòng)

11、機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式選擇 174.5 鍵盤電路設(shè)計(jì) 174.5.1 鍵盤原理圖 174.5.2 鍵盤功能 184.6 顯示電路 184.7 測(cè)速電路 195 軟件設(shè)計(jì) 215.1 PID 控制算法 215.1.1 位置式 PID 的控制算法 215.1.2 增量式 PID 的控制算法 225.2 主程序 236 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 256.1 測(cè)量轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速比較 256.2 結(jié)論 25總結(jié) 27致 29參考文獻(xiàn) 31附錄 A 電路原理圖（PROTEL）33附錄 B 電路仿真圖（PROTEUS）34附錄 C 程序 351 / 471 緒論1.1 步進(jìn)電機(jī)國(guó)外研究現(xiàn)狀步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種新型增量式電機(jī)，是數(shù)字

12、控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。它是利用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)。它的位移與輸入脈沖信號(hào)相對(duì)應(yīng)，步矩誤差不長(zhǎng)期積累，不需用電刷，電機(jī)本體部件少，易于啟停、正反轉(zhuǎn)與變速。用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成的控制系統(tǒng)，具有成本低，控制簡(jiǎn)單，容易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)問(wèn)世后，廣泛地應(yīng)用在等各個(gè)領(lǐng)域。做為機(jī)床控制、電子瞄準(zhǔn)、工業(yè)自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用的重要執(zhí)行部件，顯示出廣闊的發(fā)展前景。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多種不同的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)近七十多年的發(fā)展，逐漸形成以混合式和反應(yīng)式為主的產(chǎn)品格局?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)是在同步電動(dòng)機(jī)或者說(shuō)是在永磁感應(yīng)子式同步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。既

13、有反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基于氣隙磁導(dǎo)變化的特征，又有軸向恒定磁場(chǎng)的永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特征。其綜合了該兩類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，因而性能更好。具有分辨率高，控制功率小等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)種類，至今沒(méi)發(fā)現(xiàn)更合適取代它的產(chǎn)品。缺點(diǎn)是帶慣性負(fù)載能力差，低頻振蕩現(xiàn)象嚴(yán)重，高頻運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩下降。國(guó)外步進(jìn)電動(dòng)機(jī)研究較早，對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究一直很活躍，如今正在研究開(kāi)發(fā)以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高性能伺服系統(tǒng)。目前，這類電動(dòng)機(jī)最大的生產(chǎn)國(guó)還是日本。日本有很多公司生產(chǎn)，像 JAPAN SERVO，SANYO DENKI等。它們的產(chǎn)品無(wú)論是外觀質(zhì)量，部性能指標(biāo)，還是生產(chǎn)手段，都處于世界先進(jìn)水平。而在我國(guó)，

14、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研制最早始于 1958 年。經(jīng)過(guò)五十年的發(fā)展，目前發(fā)展趨于平緩，與國(guó)外相比，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還占大量比例，只是隨著近年來(lái)大批進(jìn)口設(shè)備大量涌入我國(guó)，而這些設(shè)備大多數(shù)采用了混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)才為人們所熟悉。在國(guó)外，特別是工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與其驅(qū)動(dòng)技術(shù)早已規(guī)?；a(chǎn)，我國(guó)與之相比還有相當(dāng)大的差距。雖然我國(guó)在該類電機(jī)的研制和生產(chǎn)上已形成一定規(guī)模，但生產(chǎn)規(guī)模較小，未形成商品化和系列化，僅處于按用戶要求研制定制階段，與國(guó)外產(chǎn)品相比尚無(wú)競(jìng)爭(zhēng)能力。從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展歷史來(lái)看，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)不同，有 2相、3 相、4 相、5 相、9 相等。齒數(shù)也不同，使得產(chǎn)品規(guī)格

15、品種繁多，生產(chǎn)格局復(fù)雜化，對(duì)用戶選擇不利。然而由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和其它電機(jī)有著很大的差別，具有其它電機(jī)所沒(méi)有的特性。因此，它仍然能根據(jù)市場(chǎng)的需求，沿著小型化、高效、低價(jià)的方向發(fā)展。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的使用性能與它的驅(qū)動(dòng)電路有密切的關(guān)系，隨著電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)與其器件的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)器的面貌不斷改變。最初使用的末級(jí)功放元件是可控硅?？煽毓桦m然觸發(fā)簡(jiǎn)單，但關(guān)斷困難，總的來(lái)說(shuō)線路較復(fù)雜、易形成誤觸發(fā)、可靠性也差；且不便于調(diào)試和維護(hù)、抗干擾能力不好。但隨著大功率晶體管的發(fā)展目前一般不再采用末級(jí)功放元件來(lái)驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。目前，功率開(kāi)關(guān)管多采用功率場(chǎng)控晶體管(MOSFET)和全控型器件(IGBT)。功率集成電路

16、(PIC)將功率器件、前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、控制電路與保護(hù)電路等都集成在一起，具有較強(qiáng)的功能和較大的輸出功率。用這種器件做成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定與運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。目前已應(yīng)用于中、小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器控制電路發(fā)展的一個(gè)重要方面是集成電路專用芯片的采用。如F/V 變換器(LM2917)，V/W 變換器(SG3525，TL494)，微步控制與功率器件集成在一起的芯片(A3955SB)等，更使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研制上了一個(gè)新臺(tái)階，使其性能指標(biāo)有了顯著的提高。使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)達(dá)到了一個(gè)新的水平。其它一些控制技術(shù)，如矢量控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等也獲得了飛速發(fā)展和應(yīng)用。步進(jìn)電

17、動(dòng)機(jī)今后的發(fā)展，依賴于新材料的應(yīng)用，設(shè)計(jì)手段的完善，以與與驅(qū)動(dòng)技術(shù)的最佳配合。首先，精確的分析和設(shè)計(jì)，模型的建立和完善，是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)研究，至今還有很多工作要做，它可以為各類問(wèn)題的深入分析提供基礎(chǔ)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)指出方向。其次，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，高性能永磁材料的應(yīng)用與優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)起到明顯的作用自不待說(shuō)，驅(qū)動(dòng)技術(shù)改進(jìn)的作用也不容忽視，特別是微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用和成熟，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨率和特性與相數(shù)的關(guān)系不大，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，今后的發(fā)展會(huì)產(chǎn)生很大的影響，也提出了一系列新的研究課題和方向。1.2 研究主要容與其意義 隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在各種數(shù)字控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，各種數(shù)字控制系統(tǒng)隨

18、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能和使用條件的要求也越來(lái)越高。這就要求不斷研制出高性能高可靠性高集成化低價(jià)位的驅(qū)動(dòng)器和低成本的單片機(jī)控制滿足需求。眾所周知，國(guó)對(duì)這方面的研究一直很活躍，但是可供選用的高性能的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器卻很少，而且國(guó)的驅(qū)動(dòng)器方面基本都存在著體積大、外形尺寸不規(guī)則、性能指標(biāo)不穩(wěn)定與遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到系列化等問(wèn)題，這就給驅(qū)動(dòng)器的選用和安裝帶來(lái)了極大的不便，另外，隨著國(guó)單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，更精度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)也得到很大的發(fā)展。國(guó)外雖然有通用的各種類型的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，但大都存在價(jià)格昂貴，與我國(guó)的系統(tǒng)連接不匹配等問(wèn)題。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器；在驅(qū)動(dòng)電源的

19、設(shè)計(jì)方面目前采用更多的是由單片機(jī)提供脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能，除與3 / 47電動(dòng)機(jī)自身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的性能。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，一般有以下問(wèn)題:各相繞組都是開(kāi)關(guān)工作，多數(shù)電動(dòng)機(jī)繞組都是連續(xù)的交流或直流，而步進(jìn)動(dòng)機(jī)各相繞組都是脈沖式供電所以繞組電流不是連續(xù)的。電動(dòng)機(jī)各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有較大的電感。繞組通電時(shí)，電流不能迅速上升至額定值，電流上升率受到限制，繞組斷電時(shí)，應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。繞組導(dǎo)通和截止都會(huì)產(chǎn)生較大的反電勢(shì)，而截止時(shí)反電勢(shì)將對(duì)驅(qū)動(dòng)級(jí)器件的安全產(chǎn)生有害的影響。電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在各相繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì)，這些電勢(shì)的大小和方向?qū)?duì)

20、繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢(shì)基本上與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢(shì)越大，繞組電流越小，從而使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的固有分辨率不高，不能精密位移。以應(yīng)用最廣的 8 極 50 齒兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，其步距角為 0.9/1.8，需配合機(jī)械減速機(jī)構(gòu)以達(dá)到所需要的脈沖當(dāng)量精度，但是，機(jī)械系統(tǒng)的增加也同時(shí)帶來(lái)了一個(gè)誤差源。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)的振蕩與過(guò)沖問(wèn)題，嚴(yán)重限制了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用圍。對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解決辦法，除了改善負(fù)載特性與附加機(jī)械阻尼外，還可以在驅(qū)動(dòng)電源方面加以改善，如引入電磁阻尼、采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)等辦法來(lái)解決。在機(jī)電一體化中，步進(jìn)電機(jī)是最常用的一種執(zhí)行電機(jī)，它

21、實(shí)現(xiàn)了機(jī)械中的角度、位移的數(shù)字化控制，從而使機(jī)械控制的精度大大提高?，F(xiàn)代控制技術(shù)中普遍采用的方式為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制，開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低但其精度不是太高；閉環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)高精度的控制，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜投入成本高。步進(jìn)電機(jī)的出現(xiàn)解決了這一技術(shù)難題，它使得開(kāi)環(huán)控制的精度和速度大大提高，由它組成的步進(jìn)式伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程。步進(jìn)電機(jī)可以直接用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，使用非常方便。一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每給它一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，

22、因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率與電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機(jī)控制2。1.3 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制優(yōu)點(diǎn)控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成。因此它已經(jīng)被廣泛地用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。原來(lái)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本高、費(fèi)時(shí)多，而且一旦定型后，電路就很難改動(dòng)，因此不得不重新設(shè)計(jì)控制器。單片機(jī)是一種微型計(jì)算機(jī)，它在一個(gè)集成芯片中，集成有微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM 和

23、ROM）、基本的 I/O 接口以與定時(shí)/計(jì)數(shù)部件，即在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的基本功能3。步進(jìn)電機(jī)的控制部分以單片機(jī)為主的微處理器控制具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.靈活性和適應(yīng)性。微處理器的控制方式是有軟件完成時(shí)，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只需修改程序即可。在系統(tǒng)調(diào)試和升級(jí)時(shí)，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。2.可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，控制精度高。微處理器具有很強(qiáng)的邏輯功能、運(yùn)算速度快、精度高、有大量的存儲(chǔ)單元，因此有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制。3.可提供人機(jī)界面。在電機(jī)控制中要用到鍵盤和顯示器作為人機(jī)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。單片機(jī)體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高

24、，價(jià)格低廉，指令功能強(qiáng)，運(yùn)行速度快，可靠性高與靈活性好開(kāi)發(fā)也較為容易，國(guó)近些年來(lái)已將其廣泛應(yīng)用4。在該設(shè)計(jì)中我選用了 MSC-51 作為步進(jìn)電機(jī)的控制器, 用它來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的空載時(shí)的一些控制功能。5 / 472 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的介紹2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本原理步進(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)。步進(jìn)電機(jī)可以直接用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，使用非常方便。一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，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，即當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步

25、距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差的特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制5。2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分類步進(jìn)電機(jī)的品種規(guī)格很多，現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7.5 度或 15 度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可

26、實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 1.5 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 1.8 度而五相步進(jìn)角一般為 0.72 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本方案所選用的步進(jìn)電機(jī)6。2.3 步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)2.3.1 電機(jī)的拍數(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，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。2.3.2

27、 電機(jī)固有步進(jìn)角 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。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 0.9/1.8（表示半步工作時(shí)為 0.9、整步工作時(shí)為 1.8），這個(gè)步距角可以稱之為電機(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(dòng)器有關(guān)7。2.3.3 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)產(chǎn)生不同對(duì)極 N、S 磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)，是指電機(jī)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為 0.9/1.8、三相的為 0.75/1.5、五相的為0.36/0.72。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主

28、要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒(méi)有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角8。2.4 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu) 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著 40 個(gè)小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi) 0、1/3 、2/3 ,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即 A 與齒 1 相對(duì)齊，B 與齒 2 向右錯(cuò)開(kāi) 1/3 ，C 與齒 3 向右錯(cuò)開(kāi) 2/3 ，A與齒 5 相對(duì)齊，（A就是 A，齒 5 就是齒 1）下面是定子和轉(zhuǎn)子的展開(kāi)圖： 圖 2-1 定子和轉(zhuǎn)子的展開(kāi)圖7 / 472.4.1 步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn) 如 A 相通電，B，C 相不通電

29、時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒 1 與 A 對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如 B 相通電，A，C 相不通電時(shí)，齒 2 應(yīng)與 B 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò) 1/3 ，此時(shí)齒 3 與 C 偏移為 1/3 ，齒 4 與 A 偏移（-1/3 ）=2/3 。 如 C 相通電，A，B 相不通電，齒 3 應(yīng)與 C 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò) 1/3 ，此時(shí)齒 4 與 A 偏移為 1/3 對(duì)齊。 如 A 相通電，B，C 相不通電，齒 4 與 A 對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過(guò) 1/3 ，這樣經(jīng)過(guò) A、B、C、A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A 相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按 A，B，C，A通電，電

30、機(jī)就每步（每脈沖）1/3 ,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A，C，B，A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)9。 由此可見(jiàn)：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而方向由導(dǎo)電順序決定。 圖 2-2 電機(jī)的相與轉(zhuǎn)子不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音與減少角度等方面考慮。往往采用 A-AB-B-BCC-CA-A 這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步 1/3 改變?yōu)?1/6 。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其 1/3 變?yōu)?1/12 ，1/24 ，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)定子上有 m 相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制這是

31、步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件10。2.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制原理由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)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，而必須使用專用設(shè)備步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，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(hào)，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(lái)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(guò)功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)輸入端，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)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，通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對(duì)環(huán)形分配器的較

32、小輸出信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的目的11。2.5.1 換相順序的控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電換相順序嚴(yán)格按照步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式進(jìn)行。通常我們把通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：混合式步進(jìn)電機(jī)的工作方式，起各相通電順序?yàn)?A-B-C-D，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A,B,C,D相地通斷，這就是所謂脈沖環(huán)形分配器12。2.5.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向控制通過(guò)前面介紹的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理我們已經(jīng)知道，如果按給定的工作方式正序通電換相，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，則電動(dòng)機(jī)就反轉(zhuǎn)。2.5.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制如果給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步

33、。兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間越短，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)的越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速13。2.5.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制，指的是控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個(gè)位置精確地運(yùn)行到另一個(gè)位置。 對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置控制的一般作法是：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步，步數(shù)減 1，如果沒(méi)有失步存在，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，步數(shù)正好減到 0。因此，用步數(shù)等于 0 來(lái)判斷是否移動(dòng)到目標(biāo)位，作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行的信號(hào)14。下面舉例來(lái)說(shuō)明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加、減速控制程序的編制。圖 2-3 是近似指數(shù)加速曲線。由圖可見(jiàn)，離散后速度并不是一直上升的，而是每升一級(jí)都要在該級(jí)上保持一段時(shí)間，因此實(shí)際

34、加速軌跡呈階梯狀。如果速度是等間距分布，那么在該速度級(jí)上保持的時(shí)間不一樣長(zhǎng)。為了簡(jiǎn)化，我們用速度級(jí)數(shù) N 與一個(gè)常數(shù) C 的乘積去模擬，并且保持的時(shí)間用步數(shù)來(lái)代替。因此，速度每升一級(jí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都要在該速度級(jí)上走 NC 步（其中 N 為該速度級(jí)數(shù)）。9 / 47為了簡(jiǎn)化，減速也采用與加速時(shí)一樣的方法，只不過(guò)其過(guò)程是加速時(shí)的逆過(guò)程。圖 2-3 加速曲線離散化本程序的參數(shù)除了有速度級(jí)數(shù) N 和級(jí)步數(shù) NC 以外，還有以下參數(shù) 。（1）加速過(guò)程的總步數(shù)電動(dòng)機(jī)在升速過(guò)程中每走一步，加速總步數(shù)就減 1，直到減為 0，加速過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入恒速過(guò)程。（2）恒速過(guò)程的總步數(shù)電動(dòng)機(jī)在恒速過(guò)程中每走一步，恒速總步數(shù)

35、就減 1，直到減為 0，恒速過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入減速過(guò)程。（3）減速過(guò)程的總步數(shù)電動(dòng)機(jī)在減速過(guò)程中每走一步，減速的總步數(shù)就減 1，直到減為 0，減速過(guò)程結(jié)束，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行15。2.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)：（1）步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸出脈沖數(shù)成正比，因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒(méi)有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。（2）由步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價(jià)，又非?？煽?。同事，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(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)與變速。（4）速度可在相當(dāng)寬的圍平滑調(diào)節(jié)，低速情況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(dòng)負(fù)載。（

36、5）步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接用交流電源或直接電源。（6）步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和震動(dòng)比較大，帶慣性負(fù)載的能力強(qiáng)16。3 主要芯片介紹3.1 89S5l 單片機(jī)簡(jiǎn)介本次設(shè)計(jì)以 CPU 選用 89S5l 作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片89S51 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫數(shù)達(dá)幾萬(wàn)次以上使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容 MCS5l 系列單片機(jī)的所有功能。AT89S51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable And erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片

37、機(jī)。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的 AT89S51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案17。3.1.1 單片機(jī)的引腳功能（1）VCC（40）：電源+5V。（2）VSS（20）：接地，也就是 GND。（3）XTL1（19）和 XTL2（18）：振蕩電路。單片機(jī)是一種時(shí)序電路，必須有脈沖信號(hào)才能工作，在它的部有一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是部振蕩方式，只要接上兩個(gè)電容和一個(gè)晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采

38、用外部振蕩方式時(shí)，需在 XTL2 上加外部時(shí)鐘信號(hào)。（4）PSEN（29）：片外 ROM 選通信號(hào)，低電平有效。（5）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號(hào)輸出端/EPROM 編程脈沖輸入端。（6）RST/VPD（9）：復(fù)位信號(hào)輸入端/備用電源輸入端。 （7）EA/VPP（31）：/外部 ROM 選擇端（8）P0 口（39-32）：雙向 I/O 口。（9）P1 口（1-8）：準(zhǔn)雙向通用 I/0 口。（10）P2 口（21-28）：準(zhǔn)雙向 I/0 口18。3.1.2 單片機(jī)的主要特性與 MCS-51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000 寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：全靜態(tài)工作：0Hz-2

39、4Hz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定、128*8 位部 RAM、32 可11 / 47編程 I/O 線、兩個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5 個(gè)中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片振蕩器和時(shí)鐘電路19。（1）振蕩器特性：XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片振蕩器。石晶振蕩和瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。輸入至其部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度20。（2）芯片擦除：整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE 管

40、腳處于低電平 10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89S51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU 停止工作。但 RAM 定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止21。3.2L298 簡(jiǎn)介3.2.1 L298 的原理L298N 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用 15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 46V；輸出電流大，

41、瞬間峰值電流可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A；含兩個(gè) H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；并可以直接用單片機(jī)的 I/O 口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便24。3.2.2 L298 概述L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見(jiàn)的是 15

42、 腳 Multiwatt 封裝的 L298N，部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N 芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的 IO 口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào) VSS，VSS 可接 457 V 電壓。4 腳VS 接電源電壓，VS 電壓圍 VIH 為2546 V。輸出電流可達(dá) 25 A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。L298 可驅(qū)

43、動(dòng) 2 個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之間可分別接電動(dòng)機(jī)。圖 3-5 是 L298N 功能邏輯圖,圖 3-6 是 L298N 的引腳圖25。圖 3-5 L298N 芯片邏輯功能圖圖 3-6L298N 引腳圖13 / 473.3 光電開(kāi)關(guān) 本系統(tǒng)中所用傳感器為FC-SPX302光電開(kāi)關(guān)，該傳感器為開(kāi)關(guān)型傳感器，四個(gè)接線腳分別為“+，L,OUT,-”其輸入電壓圍廣為直流 5-24V,L 為控制指示端，當(dāng)“L”與“+”相連時(shí)，傳感器未檢測(cè)到物體時(shí) LED 燈發(fā)光，當(dāng)“L”懸空時(shí)則相反，其特點(diǎn)為：1. 動(dòng)作模式備有遮光時(shí) ON/入光時(shí) ON(可切換型)2. 應(yīng)答頻率為 1KHZ

44、 的高速響應(yīng)3. 入光顯示燈明顯,容易進(jìn)行動(dòng)作確認(rèn)4. 電源電壓為 DC-24V 的廣圍5. 備有遮光時(shí)入光顯示燈燈亮型其連接電路如圖 3-7 所示： 圖 3-7“L”與“+”相連時(shí)連接電路圖“L”與“+”相連時(shí)，傳感器未檢測(cè)到物體時(shí) LED 燈發(fā)光。圖 3-8“L”懸空傳感器檢測(cè)到物體時(shí)連接電路圖“L”懸空傳感器檢測(cè)到物體時(shí) LED 燈發(fā)光。4 硬件設(shè)計(jì)啟動(dòng)系統(tǒng)后，從單片機(jī)的 I/O 口輸出控制脈沖，經(jīng)過(guò) L298N 驅(qū)動(dòng)電路對(duì)脈沖進(jìn)行處理，輸出能直接控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)。在負(fù)載能力圍允許，就能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)獨(dú)立起停、轉(zhuǎn)向、速度、位置變化的控制。4.1 總體設(shè)計(jì)方框圖由 4-1 圖中看以看出

45、以單片機(jī)為控制核心。鍵盤做為外設(shè)，進(jìn)行功能的選擇，啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)速減少，停止等操作。1602 液晶屏顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速。通過(guò) L298N 來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。把步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速通過(guò)單片機(jī)外部中斷反饋到單片機(jī)。調(diào)用 PID 程序，通過(guò)改變脈沖周期調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速?？傮w設(shè)計(jì)方框圖如圖 4-1 所示 圖 4-1 總體設(shè)計(jì)方框圖4.2 系統(tǒng)仿真圖系統(tǒng)仿真圖如圖 4-2。仿真圖是根據(jù)實(shí)際電路所搭建。是以單片機(jī)為核心，L298 為驅(qū)動(dòng)，1602 作為顯示，按鍵作為輸入所搭建的仿真模型。4-2 圖所示模鍵盤鍵盤電機(jī)驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊動(dòng)模塊298N 芯芯片片P3.2單片機(jī)單片機(jī)AT89S51P1.4P1.5 P2P

46、1.5 P1.7 P0P3.0P3.1P3.31602 液液晶顯示晶顯示器器步進(jìn)電動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)速度檢速度檢測(cè)反饋測(cè)反饋15 / 47型處于運(yùn)行狀態(tài)。啟動(dòng)仿真模型，選擇按鍵 START，模型開(kāi)始正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)V+V-改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，最后選擇按鍵 STOP 停止仿真。圖 4-2 系統(tǒng)仿真圖4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式選擇步進(jìn)電機(jī)控制是一個(gè)比較精確的控制，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的 CP脈沖的頻率或者換向周期實(shí)際上就是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。一種是延時(shí)，一種是定時(shí)。延時(shí)方法是在每個(gè)周期完成

47、后調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，待延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行脈沖輸出程序，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖。延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間與換向程序所用的時(shí)間和，就是 CP 脈沖的周期，該方法簡(jiǎn)單，占用資源少，全部由軟件實(shí)現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實(shí)現(xiàn)不同速度的運(yùn)行，適合較簡(jiǎn)單的控制過(guò)程。定時(shí)方法是利用單片機(jī)系統(tǒng)中的定時(shí)器定時(shí)功能產(chǎn)生任意周期的定時(shí)信號(hào)，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出 CP 脈沖的周期，有點(diǎn)是定時(shí)時(shí)間準(zhǔn)確。本次設(shè)計(jì)采用第二種方式改變頻率，進(jìn)而來(lái)控制速度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。4.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式選擇步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般有兩種方法，一種是通過(guò) CPU 直接來(lái)驅(qū)動(dòng)，這種方法一般不宜采用，因?yàn)?CPU 的輸出電流

48、脈沖是特別小的它不能足以讓步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；別一種是通過(guò) CPU 來(lái)間接驅(qū)動(dòng)，就是把從 CPU 輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，然后直接驅(qū)動(dòng)或是再通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)器接來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，這種方法比較安全可靠。因此本次設(shè)計(jì)應(yīng)采用 CPU 間接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)器一般有兩種：一種是使用多個(gè)功率放大器件驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進(jìn)電機(jī)，就需要對(duì)四路信號(hào)分別進(jìn)行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時(shí)運(yùn)行起來(lái)會(huì)不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。另一種是：使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。此次設(shè)計(jì)采

49、用了、L298 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。應(yīng)用 L298 芯片可方便的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，并結(jié)合單片機(jī)進(jìn)行控制，即可以實(shí)現(xiàn)用相對(duì)便宜的價(jià)格組成一個(gè)性能不錯(cuò)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 該電路為固定斬波頻率的 PWM 恒流斬波驅(qū)動(dòng)方式，適用四相雙極性步進(jìn)電機(jī)，最高電壓 46V，每相電流可達(dá) 2A。采用此設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，需要的元件很少.從而使得裝配成本低, 可靠性高和占空間少。并且通過(guò)軟件開(kāi)發(fā), 可以簡(jiǎn)化和減輕微型計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，并且在驅(qū)動(dòng)二相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，速度快，噪音低，控制精高,而且可選整步半步驅(qū)動(dòng)。另外, L298 是獨(dú)立的芯片, 所以應(yīng)用是十分靈活的?？蓮V泛應(yīng)用于需要驅(qū)動(dòng)電流小于 2A 的混

50、合式兩相或四相步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)中。電整個(gè)系統(tǒng)方案簡(jiǎn)潔、設(shè)計(jì)成本低廉、性能可靠、現(xiàn)場(chǎng)使用方便。4.5 鍵盤電路設(shè)計(jì)4.5.1 鍵盤原理圖一般鍵盤分為兩種接口情況，矩陣式鍵盤接口技術(shù)和獨(dú)立式接口技術(shù)。矩陣式接口方式結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，占用資源較少，通常用在按鍵較多的時(shí)候使用。采用獨(dú)立式鍵盤接口技術(shù)，該接法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但占用資源多,通常用在按鍵數(shù)量較少的場(chǎng)合。本次設(shè)計(jì)按鍵較少，因此本次設(shè)計(jì)采用了獨(dú)立式鍵盤接口技術(shù)，其原理圖如下：17 / 47GNDSTARTV+V-STOP 圖 4-3 鍵盤原理圖4.5.2 鍵盤功能根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了啟動(dòng)控制、加速控制、減速控制、停止控制、反轉(zhuǎn)控制

51、按鈕，分別為 S1、S2、S3、S4，控制電路如圖所示，通過(guò) S1 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)，當(dāng) S1 狀態(tài)變化時(shí)，部程序檢測(cè) P1.3 的狀態(tài)來(lái)跳動(dòng)相應(yīng)的啟動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要通過(guò)控制通入電機(jī)的脈沖頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。表 4-1 按鍵功能表S1啟動(dòng)S2速度增加/定位加S3速度減少/定位減S4停止4.6 顯示電路在此次步進(jìn)電機(jī)的控制中，要求顯示電以加速、減速。如果采用 4 位段數(shù)碼管組成顯示電路，將單片機(jī)得到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。該方案簡(jiǎn)單易行，但所需的元件較多，且不容易進(jìn)行操作，可讀性差，一旦設(shè)定后，很難再加入其他的功能，顯示格式受限制且耗電量大，不宜用電池給系

52、統(tǒng)供電。為了方便知道電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和轉(zhuǎn)速的多少，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)于液晶顯示器相結(jié)合，來(lái)顯示所需數(shù)據(jù)。采用液晶顯示器件，顯示比采用數(shù)碼管的電路結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，電路的連線比較少，且液晶顯示平穩(wěn)、省電、美觀，更容易實(shí)現(xiàn)題目要求的顯示狀態(tài)，對(duì)后續(xù)的功能兼容性高，只需將軟件作修改即可，可操作性強(qiáng)，也易于讀數(shù)，采用LM016 兩行帶中文字庫(kù)顯示，能同時(shí)顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速。如圖 4-4。D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3+5GNDR110kXTAL218XTAL119ALE30EA31P

53、SEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C

54、55234567891RP1RESPACK-8+5RSRSRWENINTORWENIN2IN3IN4ENAENBIN1圖 4-4 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與轉(zhuǎn)速顯示電路4.7 測(cè)速電路測(cè)速電路很簡(jiǎn)單，我們選用的傳感器為 FC-SPX302 關(guān)電開(kāi)關(guān)，所以電路相對(duì)簡(jiǎn)單，如下圖所示。-OUTL+5GNDFC-SPX302T1圖 4-5 測(cè)速模塊19 / 475 軟件設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制程序就是完成環(huán)形分配器的任務(wù)，從而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度和位移之目的。首先要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向的判斷，然后轉(zhuǎn)到相應(yīng)的控制程序。正反向控制程序分別按要求的控制順序輸出相應(yīng)的控制模型，再加上脈寬延時(shí)程序即可。5.1 PID 控制

55、算法在計(jì)算機(jī)控制過(guò)程中，整個(gè)過(guò)程采用的是數(shù)值計(jì)算方法，當(dāng)采樣周期足夠小時(shí)，這種數(shù)值近似計(jì)算相當(dāng)誰(shuí)確，使離散的被控過(guò)程與連續(xù)過(guò)程相當(dāng)接近。圖 5-1 為單片機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。PID 算法是將描述連續(xù)過(guò)程的微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程，然后，根據(jù)差分方程編制計(jì)算程序來(lái)進(jìn)行控制計(jì)算的。單片機(jī)控制系統(tǒng)脈沖發(fā)放電路生產(chǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路圖 5-1 單片機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖5.1.1 位置式 PID 的控制算法如前所述 PID 調(diào)節(jié)的微分方程見(jiàn)公式（5-1）001()tepditdykeedtTyTd公式（5-1）將此微分方程寫成對(duì)應(yīng)的差分方程形式。1001()nnnnpnkdkieeyk ee TTyTT公式（

56、5-2） 公式（5-2）式中-第n次采樣周期所獲得的偏差信號(hào)；-第n-1次采樣ne1ne周期所獲得的偏差信號(hào)；T-采樣周期；-調(diào)節(jié)器第rt次控制變量的輸出；為ny了編寫計(jì)算機(jī)程序的方便，現(xiàn)將公式（5-2）寫成下列形式100()nnpnakbnnkyk ekekeey公式（5-3）公式（5-3）中，。因?yàn)椴蓸又芷赥，積分常數(shù)和微*paikTkT*pdbkTkTiT分常數(shù)選定后皆為常數(shù)，因此與必為常。當(dāng)調(diào)整參數(shù)改善控制性能時(shí)，dTakbk也只須調(diào)整、和的大小即可。pkakbk5.1.2 增量式 PID 的控制算法在位置式PID控制算法中，每次的輸出與控制偏差e過(guò)去整個(gè)變化過(guò)程相關(guān)，這樣由于偏差的累

57、加作用很容易產(chǎn)生較大的累積偏差，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)不良的超調(diào)現(xiàn)象。由公式（5-4）可得：12222001()nnnnpnkdkieeyk ee TTyTT公式（5-4）用（5-4）式減去（5-6）式，可得增量式PID的算式：112()*(2)dnpnnnnnniTTykeeeeeeTT公式（5-5）其中，1nnnyyy為了編寫程序方便，將(5-5)式改寫成下列形式12*nnnnyA eB eC e公式（5-6）式中：，(1)dpiTTAkTT(12)dpTBkT *dpTCkT從增量式PID的算式中可知，只要知道了現(xiàn)時(shí)以前的三次采樣周期的偏差信21 / 47號(hào)，即可計(jì)算出本次采樣周期的控制變量y的

58、增量。ne1ne2neny綜合以上分析，我們采用增量式PID算法。其控制算法的流程圖為圖 5-2 閉環(huán)控制流程圖5.2 主程序開(kāi)始 START鍵按下V+鍵按下V-鍵按下實(shí)際轉(zhuǎn)速 =設(shè)定值初始化正常運(yùn)行、顯示YNY加速減速調(diào)用PID程序存儲(chǔ)YYYNNN圖 5-3 總程序框圖23 / 476 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析6.1 測(cè)量轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速比較安裝 Proteus7.7 版仿真軟件 Keil4.1 版軟件，在 Proteus 中編輯仿真界面，在Keil 中編寫程序，在 Proteus 仿真界面中的 AT89C51 中導(dǎo)入 Keil 生成的 hes文件，在 Proteus 中點(diǎn)擊開(kāi)始運(yùn)行，通過(guò)按鍵啟動(dòng)仿真，

59、通過(guò)兩個(gè)按鍵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，測(cè)試不同轉(zhuǎn)速下實(shí)際值與測(cè)量值的差距，反復(fù)測(cè)試 N 次，得到比較理想的結(jié)果。經(jīng)過(guò)多次的數(shù)據(jù)記錄顯示，測(cè)量轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差不是很大，多次不同測(cè)量數(shù)據(jù)最大偏差滿足本設(shè)計(jì)的精度要求，表 6-1 和表 6-2 是不同時(shí)間的測(cè)量值和設(shè)定值的比較。表 6-1 5.12 測(cè)量值轉(zhuǎn)速次數(shù)123456789測(cè)量值/（r/s）800766760723688670630586540實(shí)際值/（r/s）800766760723688670630587539表 6-2 5.18 測(cè)量值轉(zhuǎn)速次數(shù)123456789測(cè)量值/（r/s）800810840866760743721611600實(shí)際值/（r/s）

60、8008108408667607437216105996.2 結(jié)論本設(shè)計(jì)通過(guò)分析步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理，查閱步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)科技文獻(xiàn)，遵循實(shí)用、簡(jiǎn)單。可靠和低成本的原則，設(shè)計(jì)了一種既可用于精度要求不高，但控制需完備的生產(chǎn)場(chǎng)合的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。對(duì)于本次設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)為控制核心，利用其強(qiáng)大的功能，把鍵盤電路和顯示電路有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，組成一個(gè)操作方便、交互性強(qiáng)的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，具有易維護(hù)性，根據(jù)用戶新的要求，對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行少量的修改，使系統(tǒng)功能得到一定程度的提高。在完成本設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我把注意力主要集中在程序編程和路調(diào)試上。合理地運(yùn)用軟件設(shè)計(jì)模塊電路可以