步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、如文檔對你有用，請下載支持! TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 摘要1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document ABSTRACT 2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第1章緒論1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 課題研究的目的和意義1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 國內(nèi)外研究概況1 HYPERLINK l bookmark12

2、 o Current Document 本文主要內(nèi)容2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 第2章步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計方案2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 步進(jìn)電機(jī)的概述2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式論證 3 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 步講電機(jī)運行捽制 6 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計9豐捽芯

3、片介紹9 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 驅(qū)動電路11 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 穩(wěn)壓管設(shè)計1.2 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 顯示電路設(shè)計12 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 按鍵設(shè)計 1.3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計1.3 HYPERLINK l bookmark34 o Current Docum

4、ent 主程序設(shè)計1.3 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 按鍵子程序 1.5 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第5章 系統(tǒng)仿真與調(diào)試 .15 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 系統(tǒng)的仿真1.5 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 系統(tǒng)的調(diào)試 1.6 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 總結(jié)1.6 HYPERLINK l bookmark46 o C

5、urrent Document 參考文獻(xiàn).17致詞1.8附錄1.8摘要步進(jìn)電機(jī)有啟動快、步進(jìn)精確、定位準(zhǔn)等特點。隨著現(xiàn)在自動化的需求，步進(jìn) 電機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，在現(xiàn)在的自動化工廠中，起著重要的作用。利用Proteus軟件，進(jìn)行電路的搭建和仿真。以單片機(jī)為核心通過連接外圍電 路組成控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的控制系統(tǒng)，通過方向信號，改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向， 調(diào)節(jié)頻率，從而改變速度。本文通過介紹驅(qū)動電路，從中選擇驅(qū)動方式，從而實現(xiàn) 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動功能，確定步進(jìn)電機(jī)的運行方式，并詳細(xì)介紹了細(xì)分驅(qū)動電流 的計算方法，細(xì)分能使步進(jìn)電機(jī)的運行更穩(wěn)定可靠，減少運行噪音。其中驅(qū)動電路 的核心是以TB6560AH

6、Q芯片搭建的電路，轉(zhuǎn)速能達(dá)到五個級別的調(diào)速范圍，最高 轉(zhuǎn)速能達(dá)到500多轉(zhuǎn)。最后進(jìn)行仿真，然后畫出相對應(yīng)的 PCB板進(jìn)行焊接，完成 相應(yīng)的實物。整個設(shè)計思路還是比較簡單，操作容易，成本也比較低。關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；細(xì)分驅(qū)動ABSTRACTThe step motor has the characteristics of starting fast, stepping in precise and positioning, and the application of stepping motor is very extensive with the demand of automati

7、on. It plays an important role in todays automated factories.This article USES Proteus software to build and simulate circuits. With the single chip processor as the core by connecting the peripheral circuit, control system, through the direction of the signal, adjust the electricity order of steppe

8、r motor windings, and transform the direction of rotation of the stepper motor. The purpose of controlling the speed of the motor is achieved by controlling the speed of the frequency. By driving circuit, also can achieve the function of stepping motor subdivision driver, this paper also introduces

9、in detail the calculation method of subdivision drive current, segmentation can make step motor running more stable and reliable, greatly reducing the noise. The core of the drive circuit is the circuit of the TB6560AHQ chip, which can speed up to five levels, and the maximum speed can reach over 50

10、0. Finally, the PCB board is drawn and the corresponding material is completed. In comparison, the whole design idea is simple, easy to operate and low cost.Key words: stepper motor, mcu, subdivided driving第1章緒論步進(jìn)電機(jī)有很多其他電機(jī)所沒有的功能，現(xiàn)在已經(jīng)是全球的第三類的電機(jī)了， 是人類進(jìn)入自動化過程中重要的東西，而隨著現(xiàn)在電子計算機(jī)方面的發(fā)展，其控制 的方式方法也越來越多。課題研究的目

11、的和意義研究的目的，現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為第三類電動機(jī)，雖然現(xiàn)在生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的 廠家有很多，但是現(xiàn)在關(guān)于用好步進(jìn)電機(jī)的方案，基本還都是處于仿制外國的階段， 控制系統(tǒng)還比較復(fù)雜，所需要用到的知識還很多，所以要想用好步進(jìn)電機(jī)還是很不 容易的川。研究的意義，步進(jìn)電機(jī)和其它電機(jī)性能和功能都有很大的區(qū)別。步進(jìn)電機(jī)有啟 動快、步進(jìn)精確、精準(zhǔn)定位的特點。隨著現(xiàn)在自動化的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用也是 越來越多，在很多機(jī)器儀器中，都有它的存在，特別是在一些高端精密的儀器中， 更是離不開它，所以研究好步進(jìn)電機(jī)還是很有用處的。國內(nèi)外研究概況步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)存在了一百多年，最早出現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)，是由英國人發(fā)明的。當(dāng) 時的電子技術(shù)

12、還不是很高，控制太復(fù)雜，所以步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展受到了很大的限制， 基本只是出現(xiàn)了原理，實際應(yīng)用起來確實很麻煩。而步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展是從50年代之后，驅(qū)動電路得到很大的發(fā)展，才開始大規(guī)模的發(fā)展，我國是從 70年之后才開 始引入2。而且隨著現(xiàn)在工業(yè)的發(fā)展，在數(shù)字電路、電力電子和永磁材料的高速發(fā) 展下，更是促進(jìn)了步進(jìn)電機(jī)性能的提高，驅(qū)動更是得到快速的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的功 能也是得到很大的進(jìn)步。80年代后，混合的步進(jìn)電機(jī)已現(xiàn)，使性能和功能更加強(qiáng)大， 很快就得到了成長和利用。也是從這個時候開始，步進(jìn)電機(jī)開始了大規(guī)模的應(yīng)用， 在打印機(jī)、掃描機(jī)、機(jī)器人、傳真等方面都有它的用處 3。步進(jìn)電機(jī)輸入一個脈沖，就走一定角度，

13、因此可以通過去控制走多少步，來達(dá) 到精準(zhǔn)定位。因為電機(jī)是通過輸入脈沖，來確定是否旋轉(zhuǎn)，所以能快速停止和啟動， 而旋轉(zhuǎn)速度，還可以通過控制脈沖頻率大小去改變。而且它的體積還比較小，控制相對來說還是比較方便，在現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床，生產(chǎn)線上都有步進(jìn)電機(jī)的身影，特別 是對定位有很高的要求的精密儀器里面，都有它的存在，所以設(shè)計高精度的步進(jìn)電 機(jī)是很有必要的?，F(xiàn)在微電子學(xué)的發(fā)展越來越快，相對的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路就越 來越簡單，不僅把驅(qū)動部分的硬件部分減少了很多，還大大提高了步進(jìn)電機(jī)的靈活 性4?，F(xiàn)在更是出現(xiàn)了很多的芯片和驅(qū)動板，可以直接把步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動起來，控制 簡單了，價格就降下來了，就滿足了工業(yè)生產(chǎn)的要求，

14、可以大規(guī)模的生產(chǎn)了。本文主要內(nèi)容能實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，使步進(jìn)電機(jī)能夠在一定的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運 行的時候，能夠顯示步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度。并且以步進(jìn)電機(jī)為對象，研究步進(jìn) 電機(jī)驅(qū)動的方式，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式有很多，本文主要研究的是細(xì)分驅(qū)動電路， 研究步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制算法，通過計算電流的各個階段的大小，實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì) 分驅(qū)動的控制。完成系統(tǒng)的總體框圖，設(shè)計硬件電路，畫出原理圖，分析電路的原 理，確定各個元器件值的大小，進(jìn)行編程完成相對應(yīng)的程序然后仿真。最后繪制PCB 圖，進(jìn)行實物的焊接和調(diào)試。第2章步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計方案步進(jìn)電機(jī)的概述步進(jìn)電機(jī)精度誤差小，一般在步距角的3%到5%。而因為上次脈

15、沖所產(chǎn)生的誤 差，還不會累加在下一次中50其驅(qū)動需要的信號必須是脈沖形式的，否則就會靜 止。而本身用的磁性材料，有很高的耐溫作用，溫度要達(dá)到130以上才會退磁，這樣電機(jī)外表的溫度就可以達(dá)到很高。由于步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)，只是與輸入的脈沖數(shù)有 關(guān)，所以可以作成開環(huán)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)大大簡化降低成本。步進(jìn)電機(jī)還是有缺點的，很 容易就會產(chǎn)生共振。而且轉(zhuǎn)速都達(dá)不到很高，很難有大的轉(zhuǎn)矩，而且能量利用率也 比較低。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是比較傳統(tǒng)的電機(jī)。 其工作原理簡單，內(nèi)部的勵磁繞組比較多， 則輸出轉(zhuǎn)矩比較大，這樣的結(jié)構(gòu)也就決定了它的動態(tài)性能比較差，而且噪音震動都 很大，其內(nèi)部繞組基本為三相的，步距角基本在1.5度左右。永磁

16、式步進(jìn)電機(jī)大部分是兩相，在其內(nèi)部轉(zhuǎn)定子的極數(shù)基本相同6。這樣的結(jié)構(gòu)，也就決定了其步距角 比較大，一般為7.5或者15度，主要應(yīng)用在計算機(jī)的外部、醫(yī)療設(shè)備、光電組合等 裝置里面。混合式步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)名字就很容易知道它是由上面兩種電機(jī)的優(yōu)點結(jié) 合起來組成的。相數(shù)有好幾種，兩相的步距角基本在1.8度左右，五相的在0.72度左右，步距角的減少，也就使精度得到很大的提高了 7o而且因為有永磁體的存在， 所以就導(dǎo)致了反電動勢的存在，在運行的過程中平穩(wěn)、噪聲低、震動小。綜合比較 來說，還是混合式的步進(jìn)電機(jī)功能比較好，所以本文采用的就是混合式的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式論證步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式有很多，而驅(qū)動方

17、式的選擇，卻可以直接決定步進(jìn)電機(jī)運 行的性能，下面介紹一下常用到的驅(qū)動方式。高低壓驅(qū)動高低壓驅(qū)動，都是先用高電壓去驅(qū)動要導(dǎo)通的繞組，再用低電壓去續(xù)流，保證 了電流的連續(xù)性，也利用了高電壓提高出力的作用，而不是通過改變時間常數(shù)來提 高矩頻性能。單電壓驅(qū)動在電機(jī)的繞組回路上給串聯(lián)上一個電阻，電機(jī)的時間常數(shù)就會變小，這樣在高 頻率運行時，相應(yīng)的產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也就更大一些， 而且還可以緩解共振。這樣的電路， 線路布局簡單成本低。不過因為串聯(lián)了一個電阻，這樣就引起了附加的一些損耗， 如果頻率比較高損耗更是嚴(yán)重，所以基本都是用在功率比較小，頻率要求不高的地 方。雙電壓驅(qū)動由名字很容易就可以知道，這是有兩個電壓

18、信號，根據(jù)不同頻率選擇不同的電 壓驅(qū)動。在低頻率是用低電壓，在高頻率時用高電壓。這樣的電路，就可以使步進(jìn) 電機(jī)在高頻的時候，還有很大的力矩，而在靜止鎖定的狀態(tài)下，相應(yīng)的功耗也減小斬波恒流驅(qū)動使導(dǎo)通繞組的電流，不論是工作在什么狀態(tài)下，都能保證其在一定的數(shù)值下， 這樣就可以使電機(jī)有比較恒定的輸出轉(zhuǎn)矩8。這種驅(qū)動的方法，能極大的提高高頻 響應(yīng)，因為電流比較恒定，所以輸出轉(zhuǎn)矩也就比較穩(wěn)定共振減少，不過這樣的線路 比較復(fù)雜，但是現(xiàn)在已經(jīng)有相對應(yīng)的集成模塊出來了，可以直接采用，圖 1為斬波 恒流電路圖。圖1斬波恒流電路用R來采集繞組電流的變化，然后和控制信號做比較，當(dāng)控制信號比較大的時 候，而且脈沖也是高

19、電平。則兩個三極管都會導(dǎo)通，這樣直流電源會給繞組直接供 電。因為電感是感性負(fù)載，電流慢慢變大的時候，則R兩端的電壓會增大，這樣采取的電壓就會比較大，在通過比較器比較輸出，則輸出的電平就是低電平9。由于比較器輸出的電流是低電平，則無論脈沖是高或者低電平，通過與門電路后，都將 輸出低電平，相應(yīng)導(dǎo)管被截止，電源無法對繞組供電，但這個時候，如果輸入的脈 沖還是高電平，那VT2繼續(xù)導(dǎo)通，沿著VD2繼續(xù)給繞組供電，當(dāng)電流下降到比給 定電壓低的時候，就又重復(fù)上述過程，這樣電流就比較穩(wěn)定了100相對來說這種驅(qū)動電路用的還是比較多的。細(xì)分驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，通過改變各個繞組之間通電順序，從而改變繞組中電流進(jìn)而

20、改變磁場，則相應(yīng)的改變合力的方向，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來 11。在一般的時候，步 進(jìn)電機(jī)的步距角一定，而改變繞組通電方式，能達(dá)到的細(xì)分?jǐn)?shù)量非常有限，要增大 細(xì)分情況還是要靠驅(qū)動電路，通過改變繞組中的電流，使其電流變化為階梯形式的 變化，電流階梯形式的變化如圖2所示。這就為步進(jìn)電機(jī)的運行，提供了很多中間 狀態(tài)，同時繞組產(chǎn)生的磁場合成方向也變的多了，這樣就可以使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因為合 成力的方向經(jīng)過了好幾個過程變化，這樣就使步距角進(jìn)一步細(xì)分了。由此可以看出， 想要步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分系數(shù)更高，還是要通過改變各個繞組之間電流的細(xì)分去實現(xiàn)。圖2電流細(xì)分變化情況通過控制各個繞組之間的電流變化，從而能達(dá)到電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動，

21、在早期的時 候繞組之間的電流，具都是通過硬件電路去控制的，繞組中的每一相都分別連接了 很多并聯(lián)的晶體管，想要達(dá)到多少細(xì)分，就要去并聯(lián)多少個晶體管，這樣就可以控 制導(dǎo)通多少晶體管的數(shù)量，從而去控制相電流12 0不過這種方法，電路太過復(fù)雜， 需要的元器件太多了，很不容易控制體積還會很大，元器件多相應(yīng)的成本也就上去 了，而且一旦造出來了，就很難改變細(xì)分?jǐn)?shù)了，所以現(xiàn)在很少采用這種方法?，F(xiàn)在 單片機(jī)的發(fā)展是越來越快了，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分的方法也相對改變了，現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)的 驅(qū)動，都是靠微機(jī)控制?，F(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動是靠微機(jī)控制的。其按照功放管的工作狀況，可以分 為兩種形式的驅(qū)動。放大型輸出電流，其電流的大小，

22、都是受單片機(jī)輸出來的電壓 大小決定的，這樣的控制電路相對比較簡單，電流控制也比較準(zhǔn)確。不過這樣的電 路因為末級管工作的狀態(tài)是放大的，所以整個電路的能耗也就比較大，很容易就會 發(fā)熱，影響驅(qū)動電路的性能，甚至還會擊穿晶體管13 0這種電路一般都是應(yīng)用在對 電流控制精度高，電流小散熱比較容易的地方。而開關(guān)型的末級管通過控制信號去 改變末級管的開關(guān)，使損耗減少避免了不必要的功率消耗和發(fā)熱的問題，但是電路 比較復(fù)雜，而且輸出的電流還有波紋，所以這種電路，基本適合于輸出力矩比較大 的電路。現(xiàn)在大部分的細(xì)分都是采用開關(guān)型，而開關(guān)型又可以分為兩種驅(qū)動電路。斬波 式細(xì)分驅(qū)動，通過調(diào)用儲存到單片機(jī)里細(xì)分電流的信號

23、，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號， 這個電壓信號在輸入到相應(yīng)的控制信號那里，在與電路取樣得到的電壓比較，這樣 就可以控制功放管的開通和關(guān)閉，而且還有采樣電壓進(jìn)行比較，可以有效的控制各 個繞組之間的電流變化，從而實現(xiàn)電流的細(xì)分。而脈寬調(diào)制是單片機(jī)調(diào)用相應(yīng)的電 流量，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路，換成相對應(yīng)的電壓，在把電壓變換成相對應(yīng)的脈沖，每段電 流都對應(yīng)著不同占空比的脈沖。在把這樣的脈沖放到繞組的功放電路上，這樣就可 以控制功放管的導(dǎo)通時間，進(jìn)而去控制相應(yīng)的電流。電機(jī)里面的負(fù)載都是感性的， 所以電流變化是緩慢的，又因為脈沖的頻率比較高，所以在占空比一定的情況下， 電流也基本是不變的，這樣就實現(xiàn)了電流的細(xì)分14 0而本次

24、設(shè)計，采用的就是細(xì)分 驅(qū)動進(jìn)行的驅(qū)動系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)運行控制本次選用的步進(jìn)電機(jī)型 號是42BYGH0425 ,圖3為步 進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖85&5+0 Q312a 7圖3步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖42BYG型步進(jìn)電機(jī)具定子上有很多繞組，這樣產(chǎn)生的力也就比較多，從而輸出轉(zhuǎn)矩也就比較大，相對應(yīng)的步距角也比較小，表 1為步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)。表1步進(jìn)電機(jī)參數(shù)電相步相機(jī)電電距型流壓角(V)號(A)相電靜力矩定位力矩轉(zhuǎn)動慣量(kg.cm)(g.cm)(g.cmm)阻()42BYGH04251.82.3121.254.828070步進(jìn)電機(jī)的運行方式步進(jìn)電機(jī)運行方式有多種，二相四拍正轉(zhuǎn)的時候，繞組通電方式如下。單四拍正轉(zhuǎn)：A-B-

25、A - B-A雙四拍正轉(zhuǎn)：AB-B A-A B-BA-AB反轉(zhuǎn)時各繞組通電順序為：單四拍反轉(zhuǎn)：A- B - A -B-A雙四拍時反轉(zhuǎn)：AB- B A-A B -B 7 -AB二相八拍時，各相繞組之間的通電順序：正轉(zhuǎn)：A-AB-B-B A-A-Z B-B-B A-A反轉(zhuǎn)：A-A B - B - B A - A - A B-B-BA-A電機(jī)在四拍的時候運行，叫做整步運行這個時候步距角不變，和出廠時候的一 樣。而當(dāng)運行的時候是八拍的時候，叫做半步運行，步距角相應(yīng)的會減少一半，則 步距角減少的越多，相應(yīng)的控制精度也就越精確15 0而為了提高輸出轉(zhuǎn)矩，所以本 文用二相四拍的運行方式進(jìn)行運行。步進(jìn)電機(jī)繞組

26、電流的算法步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分，是控制繞組電流變化，而電流變化，是通過調(diào)用單片機(jī)里面 儲存的細(xì)分電流控制信號去細(xì)分的。脈沖的占空比不同，則加載在繞組上的平均電 壓就不同，相應(yīng)的繞組電流也就不一樣16 o如果不細(xì)分在整步的運行方式下工作， 則電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，根據(jù)公式，則需要 200個脈沖，圖4為電機(jī)細(xì)分時內(nèi)部合成的磁 勢情況。圖4細(xì)分驅(qū)動時磁場合成情況在細(xì)分情況下，A、B繞組之間電流的變化情況，相應(yīng)的電流變化公式為。,90 一I A = ImSin( S)(2.1)(2.2)Ib = Imcos (90-S) n其中Im是額定電流，凡為細(xì)分?jǐn)?shù)，5為步數(shù)。如果采用的是16細(xì)分，則電流的變化為，第一步lA=

27、0.098lm lB=0.995lm等。就這樣以此計算下去，算出所有過程中電流的變化情況，這樣就可以建立各相電流變化情況的電流表，在單片機(jī)運行的 時候，只需要按照查表法以此調(diào)取電流表，就能控制相應(yīng)的繞組之間電流的變化情 況了。這種計算方式，理論上實現(xiàn)了細(xì)分驅(qū)動，但是由于電流和磁場，磁場和力的 關(guān)系并不是線性變化的，其數(shù)學(xué)模型計算公式為nA(n) = Zn/M + * x sin (2rr x )M - nB(_n) = Z(M- n)/M + * X sin (2/ x)|M式中A、B為電流數(shù)據(jù)，M為細(xì)分?jǐn)?shù)，n為細(xì)分步序數(shù)，Z和K為為常數(shù)，其 中可以根據(jù)不同的步進(jìn)電機(jī)，改變 K值去調(diào)整比例。步

28、進(jìn)電機(jī)加減速的控制步進(jìn)電機(jī)的加減速，是不能一下子就加到需要的速度，也不能一下減到需要的 速度相對應(yīng)的頻率的，這需要一些中間過程，因為如果加速或者減速直接改變，如 果不經(jīng)歷加速，一開始就把速度提高到給定的頻率下的速度，如果這個頻率超過了 極限的頻率，電機(jī)很容易就會不能正常工作，也可能會出現(xiàn)失調(diào)的現(xiàn)象。或者出現(xiàn) 過沖的現(xiàn)象造成定位不準(zhǔn)確，導(dǎo)致精度下降，所以在加減速的時候不能直接把頻率 加到需要的頻率下，這中間要有過度的過程，基本上有兩種情況的加減速，一種是 均勻增加頻率，另一種就比較隨便了，看著有點像 S型曲線，頻率變換沒有規(guī)律， 而現(xiàn)實中加減速變化，基本選用頻率呈直線變化的去編程，這是因為這樣的

29、變化相 對好編程。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計前面了解了步進(jìn)電機(jī)分類發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)性能和參數(shù)驅(qū)動方式。本章介紹系統(tǒng) 硬件的設(shè)計，圖5為系統(tǒng)的原理框圖。本文選用的步進(jìn)電機(jī)型號為 42BYG0425,通 過單片機(jī)產(chǎn)生脈沖，經(jīng)過連接電路，提供給 TB6560, TB6560在通過一系列的電路 運行在去驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。單片機(jī)通過運行和計算，根據(jù)程序的運行方式，把電機(jī)的 旋轉(zhuǎn)速度傳遞給顯示屏，這樣就能顯示速度了。STC89C52鍵盤控制電路復(fù)位電路單片機(jī)系統(tǒng)原理框圖3.1主控芯片介紹STC89C52是常用的芯片，其內(nèi)有靜態(tài)邏輯操作,可以選擇省電模式。當(dāng)單片機(jī)晶振電路引腳1-8引腳9引腳10-11引腳RXD串口輸入

30、TXD串口輸出不工作時，會暫停 CPU的工作，但是其它系統(tǒng)會繼續(xù)工作。而當(dāng)斷電的時候，不會隨著斷電而失去內(nèi)部的內(nèi)容，而是自動儲存下來。單片機(jī)的引腳有很多，每個引腳都有自己的功能，就是因為有這么多的引腳，才使其功能更強(qiáng)大，表2為各個引腳的功能。表2引STC89C52腳的功能功能通用的I/O接口Rst復(fù)位鍵12-13引腳14-15引腳16-17引腳18-19引腳20引腳21-28引腳29引腳30引腳31引腳32-39引腳40引腳分別是中斷0和中斷1計數(shù)脈沖T0 T1WR寫控制 RD讀控制晶振諧振器地線P2接口 高8位地址中線片外rom時引腳輸出低電平地址鎖存器指令控制器為 P0.7 至U P0.0

31、 口電源輸入端圖6為復(fù)位電路，復(fù)位電路單片機(jī)通電之后，由于出現(xiàn)問題，需要將單片機(jī)復(fù)位，使其中的參數(shù)都恢復(fù)到原先的狀態(tài)。 復(fù)位方式有兩種。其復(fù)位原理是RST為高 電平。如果是通過上電產(chǎn)生高電平，這就是上電復(fù)位。手動復(fù)位就比較容易明白了， 就是直接按下按鍵使其產(chǎn)生高電平。圖6復(fù)位電路晶振電路，在單片機(jī)里有XTAL1和XTAL2這兩個端口。在這兩個引腳上接上 石英晶體，在分別接上兩個電容，電容的另一個引腳在接地，這樣單片機(jī)內(nèi)部的振 蕩器，就能自激振蕩。其晶振一般都可以達(dá)到很高，但是頻率越高，相應(yīng)消耗也就 越大，本次設(shè)計，使用的是 12M的，電容對振蕩的影響不算很大，但還是可以稍 微調(diào)一下的，本次采用

32、的電容大小是 30pF,圖7為晶振電路。圖7晶振電路3.2驅(qū)動電路驅(qū)動板是選擇的是TB6560模式的驅(qū)動板。最高耐壓40V,電流可以達(dá)到3.5A。 板子里面有溫度保護(hù)功能，當(dāng)溫度過高時可以自動斷開電路，使其不至于燒壞板子， 其內(nèi)還含有三個電路，可以對信號進(jìn)行分析進(jìn)行相應(yīng)的控制。步進(jìn)電機(jī)的隔離電路 是光耦隔離，這是為了防止電機(jī)干擾其他電路，而其中的PUL、DIR、EN接口分別接控制脈沖、方向、使能信號。驅(qū)動板的主要芯片就是 BT6560AHQ ,它能完成很多功能，圖8為BT6560AHQ 引腳圖，通過一系列的外部鏈接電路，可以組成TB6560驅(qū)動板。起主要的芯片是BT6560AHQ , BT65

33、60AHQ與各種外圍電路進(jìn)行連接，其中與控制信號的連接是通 過隔離電路連接的，這是為了防止電機(jī)干擾到單片機(jī)，而且隔離還具有整形的作用。 而選用的隔離是6N137高速光耦隔離，這種隔離，能滿足更高頻率的脈沖信號通過， 這樣不會影響到電機(jī)的正常運轉(zhuǎn)。圖 8 BT6560AHQ其內(nèi)部的主電路，主要有驅(qū)動和邏輯控制，在引腳的VMB和VMA應(yīng)該接入電容，來達(dá)到穩(wěn)壓的目的，而其中的 9、12、13、16分別接到電機(jī)的四個接口，在 四個端口的內(nèi)部都有續(xù)流二極。NFA和NFB是輸出中A、B最大電流的定義腳， 其計算公式為)=0,5 S /RNF0)(3.1)由此可以計算出RNF的電阻大小了。其內(nèi)的驅(qū)動板還可以

34、根據(jù)設(shè)置不同，選 擇用不同的細(xì)分方法去調(diào)速，當(dāng)電機(jī)的額定電流為 1.5A的時候，經(jīng)過16細(xì)分，那 電流的變化也就很少了，這樣繞組內(nèi)每次電流的變化也都慢慢增加，旋轉(zhuǎn)力的方向 的變化也就很少，使電機(jī)的振動和噪音都大大減少。而DCY2和DCY1是可以設(shè)置， 可以改變電機(jī)的電流，可以滿足不同的步進(jìn)電機(jī)的要求。而且如果是因為一些外在 原因或者電機(jī)自己的影響產(chǎn)生噪音，就可以設(shè)置這兩個按鍵去衰弱電流，從而減少 噪聲的影響。在芯片里面，還有自動半流的電路，電機(jī)工作時就輸出最大的電流，當(dāng)電機(jī)不工作時就減小電流。而自動半流的芯片是 74CH123,圖9為74CH123引腳連接示 意圖。這是用CLK引腳輸出的脈沖作

35、為觸發(fā)條件的電路，此單穩(wěn)態(tài)電路的反相輸 出，接到了 B上面，當(dāng)電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)的時候就一直保持著低電平，但是當(dāng)沒有驅(qū)動 脈沖時就立馬保持高電平，從而實現(xiàn)自動半流。圖9 74CH123引腳連接示意圖穩(wěn)壓管設(shè)計圖10為穩(wěn)壓管電路圖，本文選用的穩(wěn)壓芯片MC7805,其外部接了四個電容使 其組合成濾波器，其中大容量的電容可以濾出交流部分，還能拉平其內(nèi)的波紋，而 相應(yīng)的小電容則可以過濾掉高頻率的諧波，一些比較尖端的脈沖也可以過濾掉。圖10穩(wěn)壓管電路圖顯示電路設(shè)計本文選用的顯示器是LCD1602,這是一個既可以用來顯示數(shù)字， 又可以顯示字 母的模塊，圖11顯示屏引腳圖。圖11顯示屏的引腳圖本文選用的顯示屏能同

36、時顯示 32個字符，引腳有16個，每個引腳都有不同的 作用，可以顯示兩行，每行最多可以顯示 16個字符，表3為LCD引腳功能。表3 LCD引腳的功能如下表引腳數(shù)功能第1引腳第2引腳第3引腳第4引腳第5引腳VSS表示接地電源VCC接電源的正極，電壓為 5VV0為顯示器對比度調(diào)整端，其接正電源時對比度最弱，接地電源時對 比度最高。當(dāng)引腳為高電平時是數(shù)據(jù)寄存器，反之為指令寄存器。確定讀寫操作，當(dāng)為高電平是讀操作，反之是寫操作。第6引腳第7到14引腳第15到16引腳E為使能端。這8個引腳是數(shù)據(jù)端。15是背光正極，16為背光負(fù)極。按鍵設(shè)計本文中，通過設(shè)置幾個獨立的按鍵，來控制單片機(jī)內(nèi)部的信號。按鍵一邊連

37、接 到I/O 口，一邊去連接電源地，這樣當(dāng)按鍵按下的時候，I/O 口就會由原先的高電 平變成低電平。運行時只要讓程序循環(huán)檢測，當(dāng)檢測到低電平就能判斷按鍵是否按 下了，但是這種按鍵是金屬解除的方式，所以會出現(xiàn)抖動的情況，在程序中加入適 當(dāng)?shù)难訒r環(huán)節(jié)，可以防止由于抖動而產(chǎn)生的按鍵按下的誤操作。圖 12為按鍵電路, 圖中按鍵有四個，第一個按鍵控制啟動停止，第二個控制正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，剛開始的 時候是默認(rèn)為正轉(zhuǎn)，按下在反轉(zhuǎn)，當(dāng)再次按下的時候，就變成正轉(zhuǎn)了。第三個控制 速度加，第四個控制速度減。圖12按鍵電路第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計本文采用的編程軟件是Keil軟件進(jìn)行編程的，這是特意為單片機(jī)語言開發(fā)而開 發(fā)的系統(tǒng)

38、。具操作方便易學(xué)易懂，而里面還存在很多系統(tǒng)，可以進(jìn)行綜合使用，功 能強(qiáng)大很方便使用。主程序設(shè)計在寫程序時，一般都是先對單片機(jī)，或單片機(jī)的一些外圍的電路，先進(jìn)行初始化 處理，有些元器件必須經(jīng)過初始化后才能正常使用，還要重新進(jìn)行一些變量的重新 賦值。初始化完成后然后就進(jìn)入循環(huán)，只有進(jìn)行循環(huán)了，程序才不會運行了一次， 就會退出來，而是進(jìn)入循環(huán)模式，就可以實時的進(jìn)行檢測。而且主函數(shù)上面，最好 不要放置很多代碼，基本上代碼多少進(jìn)行封裝的，然后在主函數(shù)里面調(diào)用，這樣有 利于軟件的運行，而且方便修改，圖 13為主函數(shù)的主流程圖。開始系統(tǒng)初始化按鍵檢測LCD顯示程序圖13主流程圖按鍵子程序在本設(shè)計中按鍵的一端

39、接地，另一端接上 I/O 口。當(dāng)按鍵按下的時候，按鍵的另一端是接地，所以高電平就變成了低電平，圖14為按鍵流程圖。否否否第5章系統(tǒng)仿真與調(diào)試系統(tǒng)的仿真通過Proteus進(jìn)行仿真，經(jīng)過對仿真電路的搭建和硬件電路的調(diào)試，組成了以 單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，通過仿真可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)可以旋轉(zhuǎn)，而且顯示器顯示轉(zhuǎn)速、 轉(zhuǎn)速等級、轉(zhuǎn)速正反轉(zhuǎn)情況。通過按鍵電路去改變旋轉(zhuǎn)的等級，進(jìn)而改變步進(jìn)電機(jī) 的速度，使電機(jī)能從最小等級的幾十轉(zhuǎn)每分鐘，調(diào)速到最大級別的五百多轉(zhuǎn)。按下 復(fù)位按鍵電路能正常復(fù)位。并且計算機(jī)輸送到顯示屏里面的旋轉(zhuǎn)速度也顯示的正確，圖15為步進(jìn)電機(jī)的仿真示意圖。圖15仿真原理圖系統(tǒng)的調(diào)試在進(jìn)行過仿真之后，就

40、開始做實物了，首先根據(jù)電路圖畫出相對應(yīng)的PCB板,然后對元器件進(jìn)行焊接，焊接時不要把元器件直接焊接到PCB板上，因為這樣很容易就損害到單片機(jī)。焊接完成之后，在通過對每個模塊的調(diào)試，看看每個模塊是 否能正常工作，從而完成整個設(shè)計的工作，表 4調(diào)試方法法和結(jié)果表4調(diào)試方法與結(jié)果調(diào)試模塊調(diào)試方法和結(jié)果開機(jī)后能夠初始化，然后按下啟動看能否顯示正反轉(zhuǎn)情況，能否顯示轉(zhuǎn)速，能顯示轉(zhuǎn)速的檔位，并且按下按鍵看能否正確改變。結(jié)果開機(jī)正常，初始顯示模塊化時，顯示初始化數(shù)據(jù)，在電機(jī)工作時，能正確顯示結(jié)果并且按下復(fù)位時， 一切都恢復(fù)到原先的狀態(tài)。按下啟動，看看電機(jī)能不能正常工作，按下加減速按鍵，看看電機(jī)能不能按鍵模塊正

41、常加減速，按下復(fù)位，結(jié)果發(fā)現(xiàn)按鍵都能正常工作。復(fù)位模塊按下復(fù)位進(jìn)行實驗，結(jié)果單片機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)。復(fù)位模塊正常?？偨Y(jié)本文詳細(xì)介紹了步進(jìn)電機(jī)的特點、分類、驅(qū)動方式、細(xì)分電流變化的計算。通 過Proteus軟件，進(jìn)行相應(yīng)電路圖的設(shè)計，并畫出PCB板，利用單片機(jī)的強(qiáng)大功能， 把幾個硬件電路聯(lián)合起來組成的系統(tǒng)，來實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速的控制。通過 Keil 軟件進(jìn)行相應(yīng)的軟件編程，完成單片機(jī)的程序編程。使其能通過鍵盤電路，去控制 脈沖的頻率，去控制步進(jìn)電機(jī)的加減速變化。根據(jù)傳遞的正反轉(zhuǎn)信號，去改變繞組 的通電順序。電機(jī)的運行有很多方式，而本次步進(jìn)電機(jī)的運行方式是二相四拍運行，如文檔對你有用，請下載支持！這種運行電流大，相對應(yīng)輸出的力矩也就大。本文還重點總結(jié)出了幾種驅(qū)動方案，其中重點說了細(xì)分驅(qū)動， 和細(xì)分驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)和功能， 細(xì)分驅(qū)動電流的計算方法。細(xì)分驅(qū)動可以使步進(jìn)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)的時候更穩(wěn)定， 運行比較平穩(wěn)， 而且還能減少噪音，最后還能通過顯示器時刻顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于時間和水平的限制，步進(jìn)電機(jī)的控制還不是很完善，在現(xiàn)在的自動化工廠中， 對定位的要求很是嚴(yán)格， 所以可以加入控制定位的功能， 根據(jù)輸入的脈沖數(shù)量， 來達(dá)到精準(zhǔn)定位。參考文獻(xiàn)史敬灼.步進(jìn)電動機(jī)伺服控制技術(shù)M. 北京:科學(xué)出版社,2007:50-78.孫進(jìn)平 , 張大鵬 , 丁金濱 .