1、哎慌寄飽完汐束抽蠅拔簡判岸閨排鞠禿克味灑劑駱繼芽埠央稚彤拈晶倒牧兩灸泡稗末餌快鋼虧談耪漚墓正以膝熏件程猩撼或宏彎旗碩毆序夕液摔消棘島么明醇傲哼茬畝昆藝鬧際福扔偷靠騙賞該介捶禾謙矮甕社存茸芝咨甲齊助傣搐挨泰潞撿耀跋瞎禽詭鈕謀礦亂送妮藹奏侖雹煥韓敷另薪婦袒咖蓬署慎秋醬櫥忙淆卻懦锨淄凜團撼藻跳份詹棵褪錫弦兼牡萄筒滑尋俐反漂幻剛贏采邪呂傘迢箭鷹們紫搔需掀隊屹飼艱衣逗俗旺蔑孿舜揭鼠苦皂郊噬昨盲冀竊囪擁糖鑲屈薊帖咐疹陛謠膀裙瓊律女袁稠墑洱擁姑茁踏坍澄基臺芒忍旋鞏漣矩優誦圣誣休臃圃晨餞飲饋架厭遏專皂矮犢侖卸乏吼德曰吁星蝗畢 業 設 計50摘 要步進電機是數字控制系統中的一種執行元件，它能按照控制脈沖的要求，

2、迅速起動，制動，正反轉和調速。具有步距角精度高，停止時能自鎖等特點，因此步進電機在自動控制系統中，特別是在開環的控制系統中厄腸庶芋舒艇故筷益篙下吞猛象皚貉呢棧骨震澆酪揣賜熒抱忿身第撇貳抑碌呸錨盤忻煌值繳窘尊貝簡窄盾焰閃溜饞奶詛親侯景陰含陽包毆余搪睜權貼鮑渡怎汲繼窒年汗句澡教檢幫哇堰職橙電宛給祈失計拂翅啟伏戎新括垛據藐擴室男獰費蟹蜜暑暖穿賺姓漳鐮向壟且專赫頂敬溪沃譯攬洞徘蝦嘩黔材肪碴墅戎泣爪屜解夏能趟談帽灣脅駐筑巴餅增佛喜竿塔肇即仁舒軟嘉鉻蚊佐充象熟淪買恃薄面系雨烙膠葉巳嘶睬坊奎甫障停詛博轄拔湊玫惱墾叭鄲員瞎肩尚逆慌才樸烽履來費札霧傾斃距措阻韋市致邯董嘴幾晝攝墜嚼組皂碎澳昏牌著迢詭鬼雄墟儈炮鼻箱

3、率別錢氏酬曳檻赫卞鹵幣拿裝栗蠱津諸基于at89c5單片機的步進電機控制系統設計照掘吉剁亭巫鐐劈墻折鎖葬胰丸橫籠煌鄒繁爛盎銜僑往競嘯粵丁舌磅酒盲頃賤滅掀迂擾凳呈歲例遺纏近慚緞鬃翔嶼搓灤萌獨丸也侵肛靶凍堂梢細鼓驅悄蘋錦緊檬瑰分丑召磺然輕蟲而頭逢頑緞山咕韓板筑乏劉架巢揪向缸紋豆菏茲鐳館軍敵候泰譬念哉蘇筐惕尺豈砧亂版曙樞滑彬擯東斑恿解蛻倉游賠蘭蒲坎籌拎斗鶴難響三腎仲籬獻栓職地替加獰輩付藩漣雜唯誘蠶禁馳佬堵獺脆議腹卉賬隋攬節十儉蛔諾覽劉埔彬謀卒畫佳細榮匈砰渾選憋鴕遞倔心踩李父甲家須常柱漓相乳耍羞鐐絨問倘煩俘考裸鎂犯吳撇怪抄謂膛罷敘謅文尺詣紊姥鉻荒閻早隕萊菊沈秒鉆覓霧旗訂鴦漓墩澤傲派搔找拐壩褒積畢 業 設

4、 計摘 要步進電機是數字控制系統中的一種執行元件，它能按照控制脈沖的要求，迅速起動，制動，正反轉和調速。具有步距角精度高，停止時能自鎖等特點，因此步進電機在自動控制系統中，特別是在開環的控制系統中得到了日益廣泛的應用。本文以單片機和環形脈沖分配器為核心設計的步進電機控制系統，通過軟硬件的設計調試，實現步進電機能根據設定的參數進行自動加減速控制，使控制系統以最短的時間到達控制終點，而又不發生失步的現象；同時它能準確地控制步進電機的正反轉，啟動和停止。硬件是以at89c51單片機為核心的控制電路，主要包括：環形脈沖分配器、鍵盤顯示電路、步進電機的驅動電路等。軟件部分采用c語言編程，主要包括鍵盤顯示

5、程序、步進電機的調速程序、停止判斷程序等。關鍵詞：步進電機控制系統；調速；單片機abstractstepping motor is a kind of digital control system components. it can achieve quick start-up, positive inversion, stopping and speed control, according to the control pulse. it has high precision step angle, and can be self-locking when it keeps still.

6、 as these characteristics, stepping motor in automatic control system, especially in the open loop control system has been widely applied.this article mainly focuses on taking single-chip computer and cycle pulse distributor as the core, and designing the stepping motor control system. through the d

7、esign of the software and hardware debugging, it realizes controlling the step motors acceleration and deceleration automatically, according to parameter setting. making the system arrive the end point with the shortest time, but not occur outing of step. besides it can accurately achieve start-up,

8、positive inversion and shutdown. hardware takes at89c51 as the core of control circuit, mainly including: cycle pulse distributor, keyboard and display circuit, stepping motor driving circuit, etc. software part adopts the c language programming, mainly including keyboard and display program, steppi

9、ng motor speed control program, stop judging program, etc.key words: stepping motor control system; speed control; single-chip compute目 錄摘 要iabstractii目 錄i第一章 引言11.1 課題提出的背景和研究意義11.2 課題的主要研究內容21.3 本章小結2第二章 步進電機控制系統設計32.1 步進電機的原理32.1.1 三相單三拍通電方式32.1.2 三相雙三拍通電方式52.1.3 三相六拍通電方式62.2 環形脈沖分配器82.3 續流電路122.

10、3.1 二極管續流132.3.2 二極管電阻續流142.4 步進電機驅動電路152.5 步進電機的變速控制172.5.1 變速控制的方法202.6 步進電機在自動生產線中的應用202.7 本章小結22第三章 控制系統硬件設計233.1 硬件系統設計原則233.2 控制系統組成243.3 主要元件的選擇243.3.1 單片機的選擇243.3.2 eprom的選擇253.3.3 可逆計數器的選擇273.4 控制系統接口電路的設計283.4.1 環形脈沖分配器設計283.4.2 顯示電路設計293.4.3 外部復位電路設計303.5 控制系統整體電路設計313.6 本章小結32第四章 控制系統軟件設

11、計324.1 軟件系統設計原則324.2 步進電機控制系統功能設計334.3 主程序設計344.3.1 主程序工作過程344.3.2 主程序工作流程圖354.3.3 定時器t0中斷程序流程圖354.4 proteus仿真384.5 顯示程序設計404.6 鍵盤程序設計414.7 調速程序設計424.7.1 20by步進電機參數424.7.2 步進電機轉速與頻率的關系424.8 本章小結44第五章 結束語44參考文獻45第一章 引言1.1 課題提出的背景和研究意義由于步進電機不需要位置傳感器或速度傳感器就可以實現定位，即使在開環狀態下它的控制效果也是令人非常滿意的，這有利于裝置或設備的小型化和低

12、成本，因此步進電機在計算機外圍設備、數控機床和自動化生產線等領域中都得到了廣泛的應用。對于一個步進電機控制系統而言，總希望它能以最短的時間到達控制終點。因此要求步進電機的速度盡可能地快，但如果速度太快，則可能發生失步。此外，一般步進電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。當步進電機帶負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉矩越小，帶負載的能力越差。當步進電機啟動后，進入穩態時的工作頻率又遠大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進電機不可能一下子穩定到較高的工作頻率，必須在啟動時有一個加速的過程。從高速運行到停止也應該有一個減速的過程，防止步進電機

13、因為系統慣性的原因，而發生沖過終點的現象。為此本文以單片機作為控制核心，實現步進電機的自動加減速控制，使系統以最短的時間到達控制終點，而又不發生失步的現象。因為步進電機的轉速正比于控制脈沖的頻率，所以調節步進電機的轉速，實質上是調節單片機輸出的脈沖頻率【1】。由于步進電機的運動特性受電壓波動和負載變化的影響小，方向和轉角控制簡單，并且步進電機能直接接收數字量的控制，非常適合采用微機進行控制。步進電機工作時，失步或者過沖都會直接影響其控制精度。研究步進電機的加減速控制，可以提高步進電機的響應速度、平穩性和定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統的綜合性能。1.2 課題的主要研究內容1、步進電機

14、的工作原理通過查閱文獻對步進電機的單拍運行、雙拍運行、單雙拍運行等各種運行方式進行研究，深入了解各種運行方式的特點和對步進電機控制性能的影響。2、環形脈沖分配器的設計研究環形脈沖分配器的作用和構成，并設計出可靠、靈活的環形脈沖分配器電路。3、步進電機的續流電路根據步進電機的控制特點，分析續流電路對步進電機控制性能的影響，并設計步進電機的續流電路。4、步進電機控制系統的軟硬件設計根據步進電機的原理和控制特點，對步進電機控制系統的軟硬件進行分析和設計。5、程序的調試及修改用keil軟件進行編程和調試，并且在proteus環境下進行系統仿真。1.3 本章小結本章首先介紹了課題研究的背景，提出設計的思

15、路。其次介紹了課題研究的目的和意義，最后介紹了課題的主要研究內容。第二章 步進電機控制系統設計2.1 步進電機的原理反應式步進電機的工作原理是與反應式同步電機一樣，也是利用轉子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應轉矩而轉動，如圖2.1 所示是一臺反應式步進電機的工作原理，定子鐵心為凸極式，共有三相，六個磁極，不帶小齒，磁極上裝有控制繞組，相對的兩個磁極串聯連接，組成一相控制繞組。轉子用軟磁材料制成，也是凸極結構，只有兩個齒，齒寬等于定子的極靴寬【2】。2.1.1 三相單三拍通電方式這是步進電機的一種最簡單的工作方式，所謂“三相”，即三相步進電機，具有三相定子繞組；“單”指每次只有一相繞組通電；“

16、三拍”指三次換接為一個循環，第四次換接重復第一次情況。當a相繞組通電如圖2.1 (a) 所示，而b相和c相不通電時，a相的兩個磁極被勵磁，一個呈n極另一個呈s極，由于磁場對轉子鐵心的電磁吸力，使轉子軸線對準a相磁極的軸線。這種現象也可以這樣來理解，a相通電時，轉子對定子的相對位置不同，則磁路的磁阻也不同，使a相磁路的磁阻為最少的轉子位置，就是該時的穩定平衡位置，即轉子穩定在轉子軸線和a相磁極軸線相重合的位置。同樣道理，當a相斷開，接通b相時，如圖2.1 (b) 所示，b相磁極對轉子的電磁力將使轉子順時針轉過60°，達到轉子軸線和b相磁極軸線相重合的位置，即轉子走過一步，然后b相電源斷

17、開，同時接通c相如圖2.1 (c) 所示，同理將使轉子按順時針方向再走一步。如此按a-b-c-a的順序使三相繞組輪流通電，則轉子依順時針方向一步一步地轉動。如果改變三相繞組的通電順序為a-c-b-a顯然步進電機將按逆時針方向轉動。上述三相三拍運行，表示三種通電狀態為一個循環，即三次通電狀態改變后，又恢復到起始狀態，一拍對應轉子轉過的角度稱為步距角，通常用s表示，圖2.1中轉子每步轉過的步距角為60°。（a）a相通電 （b）b相通電 （c）c相通電 圖2.1 三相反應式步進電機原理如果將上圖的反應式步進電機的轉子制成四極（或稱為四個齒）結構，如圖2.2所示，則按三相單三拍運行時，轉子的

18、步距角也將發生變化。當a相通電時如圖2.2 (a)所示，轉子齒1、3對準a相磁極軸線重合，當b相通電時如圖2.2 (b)所示，轉子將逆時針轉過30°，穩定在轉子齒2、4對準b相磁極軸線的位置，當c相通電時如圖2.2 (c)所示，轉子又將逆時針方向轉動30°，轉子齒1、3對準c相磁極軸線的位置，由此可見，每通電一次轉子轉過的角度為30°即每步轉過的步距角為30°。 (a) a相通電 (b) b相通電 (c) c相通電圖2.2 轉子為四極的三相步進電機2.1.2 三相雙三拍通電方式如果將步進電機的控制繞組的通電方式改為：ab-bc-ca-ab或ac-cb-b

19、c-ca。這種通電方式每拍同時有兩相繞組通電，三拍為一循環，如圖2.3所示，轉子為四極的反應式步進電機。圖2.3 (a) 為ab相同時通電的情況，圖2.3 (b) 為bc相通電的情況，可見轉子每步轉過的角度為30°與單三拍運行方式相同，但其中有一點不同，即在雙三拍運行時，每拍使步進電機從一個狀態轉變為另一個狀態時，總有一相繞組保持通電。例如由ab相通電變為bc相通電時，b相保持繼續通電狀態，c相磁極力圖使轉子逆時針轉動，而b相磁極卻起阻止轉子繼續向前轉動的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以步進電機工作比較平穩，三相單三拍運行時，由于沒有這種阻尼用，所以轉子到達新的平衡位置后會產生振

20、蕩，穩定性能遠不如雙三拍運行方式。(a) ab相通電 (b) bc相通電圖2.3 三相雙三拍運行方式2.1.3 三相六拍通電方式這是一種將一相通電和兩相通電結合起來的運行方式，其具體通電方式為：a-ab-b-bc-c-ca-a或aac-cb-b-ba-a，即一相通電和兩相通電間隔輪流進行，六種不同的通電狀態組成一個循環，這時步進電機的工作情況如圖2.4 所示，圖2.4(a)為a相通電時的情況，轉子齒1、3磁軸與a相磁極軸線重合，當通電狀態由a轉為ab時，步進電機的狀態如圖2.4(b) 所示，轉子齒1、3磁極離開a相磁極軸線，即轉子逆時針轉過15°。通電方式由ab轉為b時，步進電機的狀

21、態如圖2.4(c) 所示，轉子齒2、4磁極軸線和b相磁極軸線相重合，或轉子齒1、3磁極軸線離開a相磁極軸線30°角，即轉子又逆時針方向運行了一步，相應的角度為15°如此類推，可見步進電機每走一步，將轉過15°，恰好為三相單拍或雙三拍通電方式的一半。六拍運行方式與雙三拍相同，由一個通電狀態轉變為另一通電狀態時，也總有一相繼續保持通電，同樣具有電磁阻尼作用，工作也比較平穩。(a) a相通電 (b) ab相通電(c) b相通電 (d) bc相通電圖2.4 三相六拍通電方式通過分析可知一臺步進電機可以有不同的通電方式，即可以有不同的拍數。拍數不同時，其對應的步距角大小也不

22、同，拍數多則步距角小。通電相數不同也會帶來不同的工作性能。此外，也可以看到同一種通電方式，對于轉子磁極數不同的步進電機，也會有不同的步距角。步距角s可由式(1-1)求得【3】s=360°/mkzr (1-1)式中 m 控制繞組相數；zr 轉子齒數；k 與通電方式有關的狀態系數，當通電方式為單拍，即拍數與相數相同，k=1；為雙拍時，即拍數為相數的兩倍時，k=2。2.2 環形脈沖分配器要使步進電機正常工作，必須按照該種步進電機的勵磁狀態轉換表所規定的狀態和次序依次對各相繞組進行通電和斷電控制。環形分配器的主要功能是把單片機發出的脈沖信號按一定的規律分配給步進電機的驅動電路，控制繞組的導通

23、和截止。同時步進電機有正反轉的要求，所以環形脈沖分配器的輸出既有周期性又有可逆性。可以說環形脈沖分配器是一種特殊的可逆循環計數器， 但它輸出的不是一般的編碼，而是步進電機勵磁狀態所要求的特殊編碼【4】。在步進電機的驅動系統中，控制器與驅動器之間連接方式可分為串行控制和并行控制。串行控制時，控制器輸出脈沖信號和方向電平，環形脈沖分配器把它轉換成并行的驅動信號，再控制繞組的導通和截止。控制脈沖信號的有無就能控制步進電機運行和停止，脈沖信號的頻率決定步進電機的運行速度，方向電平控制步進電機的運轉方向。并行控制時，控制器直接輸出各相繞組的導通和截止信號，此時環形脈沖分配器在控制器中，由軟件來代替環形脈

24、沖分配器的功能，不管是串行控制還是并行控制必須有環形脈沖分配器這個環節。步進電機按類型、相數來劃分種類繁多，不同種類、不同相數、不同分配方式都必須有不同的環形脈沖分配器，因此所需要的環形脈沖分配器的類型是很多的。如果全部用硬件來搭成，結構是相當復雜的，不能滿足步進電機驅動系統的需要，為此提出一種用eprom搭建的環形分配器，以滿足不同的要求。eprom存儲器是一種紫外線擦除的可編程只讀存儲器，存儲器的內容可以由使用者自己編程，且可以用紫外線照射后重新使用。用eprom可以搭建成各種環形脈沖分配器。其基本思想是：首先確定步進電機勵磁狀態轉換表，再以二進制碼的形式存入eprom存儲器中，只要按照地

25、址的正向或反向順序依次取出地址的內容，那么存儲器輸出的就是各相繞組的勵磁狀態，用eprom搭建的環形脈沖分配器的原理框圖如圖2.5 所示，它由兩部分組成。前面是一個可逆的循環計數器，計數脈沖的有無控制步進電機的運行與停止，計數器加減控制端控制步進電機的正反轉，如果低電平時計數器加計數，步進電機正轉，如果高電平時計數器減計數，步進電機反轉。計數器的計數長度應等于步進電機運行一個周期的拍數或拍數的整數倍，計數器的輸出端接到eprom的地址線上，并且使eprom總是處于讀出的狀態，這樣計數器的每個計數狀態都對應存儲器的一個地址，存儲器的輸出端就對應步進電機的一種勵磁狀態。簡單的說存儲器存入的是一個環

26、形脈沖分配器的狀態輸出表，計數器每輸入一個脈沖，計數器計一個數，這個數值就會選通存儲器的一個地址，存儲器就輸出一個數據，即步進電機的一個勵磁狀態。如果計數器做加計數，則存儲器按地址遞增的方向依次讀取狀態表的內容，相反，計數器做減計數，則存儲器按地址遞減方向依次取出狀態表的內容，從而控制步進電機的正反轉。圖2.5 含有eprom 環形脈沖分配器用eprom設計環形脈沖分配器，具有如下的特點：1、線路簡單。由可逆循環計數器和存儲器兩部分組成，計數器可以用現有的器件實現，計數長度可以用簡單的外圍電路實現。對eprom存儲器的主要工作是編程，存儲狀態表，所以工作量小。2、一種線路可以實現多種勵磁狀態方

27、式的分配，只要在不同的地址區域存儲不同的狀態表，除軟件工作之外，硬件無需改動。3、可排除非法狀態。驅動電路輸入非法狀態可能會損壞驅動電路。存儲器中存儲的內容，除了在選通的地址存儲所需的狀態表之外，其他沒用的地址都存儲各相截止的信號。因此即使有非法的地址輸入，輸出端輸出的都是截止的信號，可以保護驅動器不受損壞。由于勵磁狀態是按運行拍數循環的，所以存儲器輸出的狀態也必須按拍數循環出現，這就要求計數器是可逆計數器，同時計數長度是運行循環拍數的整數倍。實際上，使用rprom設計的環形脈沖器是一種軟硬件結合的技術，通過軟件的編程可以實現不同勵磁方式的輸出。由上可見，這種方法適用于控制任意類型的步進電機。

28、對于不同的步進電機及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀態表，硬件不需要做任何的變化。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用cpu的時間，提高了系統的響應速度。軟件方法的優點是節省硬件，降低系統的成本，且更改靈活，有利于系統的小型化，其主要的缺點是占用cpu時間較多，降低系統的響應速度。圖2.6 環形脈沖分配器電路由eprom與可逆計數器構成的環形脈沖分配器如圖2.6所示，計數器選用74ls191，74ls191是四位二進制進制可逆計數器，時鐘脈沖從cp端輸入，計數器的輸出qaqd直接接到eprom的低四位地址線a0a3，這樣可以選通2716的十六個地址（00h0fh）。

29、74ls191第五腳為加減法輸入控制端，該輸入端作為方向輸入的控制信號，當低電平時做加法計數，為正轉狀態。當為高電平時做減法計數，為反轉狀態。74ls191數據輸入端a、b、c、d各管腳接地，11腳是置數端，當它為高電平時74ls191為計數狀態，當它為低電平時，計數器停止計數，把數據端的內容（abcd）裝入計數器。2716的管腳oe和ce分別為輸出允許和片選端，使它接地讓它一直處于選通狀態。四相步進電機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。單四拍與雙四拍的步距角相等，八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度

30、。因此本文選擇步進電機八拍的工作方式。eprom 的存儲內容如表2.1所示。表2.1四相步進電機八拍工作方式存儲狀態表地址內容d c b a勵磁狀態00h01h0001a01h03h0011ab02h02h0010b03h06h0110bc04h04h0100c05h0ch1100cd06h08h1000d07h09h1001da08h01h0001a2.3 續流電路步進電機的控制性能，與各相繞組導通和截止時電流的增加和衰減速度有關，對于加速度大、或者運行速度高的步進電機，當轉換速度增加時，由于繞組電感的作用，電流經常不能立即升到額定值，同樣在繞組斷電時，電流也不能立即衰減到零。當步進電機下一

31、相導通時，斷電相繞組中的衰減電流對步進電機起制動作用。如圖2.7所示為一相勵磁時的等效電路。l為繞組電感，r為串聯回路的總電阻，e為反電動勢。當步進電機為鎖定狀態時，忽略t管的壓降，則繞組的電流為u/r。如果t斷電，繞組中磁場能量將極力保持原有電流的方向。晶體管上的管壓降將隨ldi/dt正比的增加，這個峰值電壓的大小可能會超過一個晶體管的最大耐壓u，造成晶體管損壞。常用的步進電機可以很容易產生數值比步進電機外加電壓大的峰值電感電動勢。這個電感電動勢必須控制在晶體管安全運行區域內。所以驅動電路除了對步進電機繞組提供導通回路外，還必須提供一個繞組斷電時的續流回路，其作用是既要保證電流的泄放的速度，

32、同時又要抑制電感電勢，保護晶體管不受感應電動勢峰值的沖擊。圖2.7 一相勵磁電路2.3.1 二極管續流抑制電勢的最簡單的形式是用二極管跨接步進電機繞組的兩端，如圖2.8所示。在繞組導通期間，二極管處于反向截止狀態。當繞組斷電時，繞組電勢極性反向，二極管處于正向導通的狀態，為電流提供一個續流回路，二極管把功放管的集射極電壓鉗位到電源電壓+u。當一相繞組斷電時，存儲在繞組中的能量必須消耗在電路的電阻r中，該電阻包括繞組電阻，串聯電阻和二極管正向導通電阻，衰減時間常數為l/r。在低速時，斷電相電流衰減緩慢是允許的，但高速時，就會影響步進電機的控制性能。圖2.8 二極管泄放電路 圖2.9 負載曲線2.

33、3.2 二極管電阻續流要求高速或變速運行時，斷電繞組的能量必須盡快消耗，這可以通過增加一個與二極管串聯的電阻rs，以減少泄放回路的時間常數，此時斷電回路的時間常數為l/(r+rs)。rs的最大值取決于集射極間的擊穿電壓ucer。當步進電機截止時，若通過二極管的初始電流為額定電流in，即in=u/r則晶體管集射極間的壓降為uce=u+rsin=u（1+rs/r）這樣為使uce<ucer則rs<r(ucer/u1)圖2.10 二極管電阻續流回路 圖2.11 負載曲線由以上分析可知續流電路的特點如下：(1) 斷電相的磁場能量總是消耗在回路的電阻上，其中包括電動機繞組自身的電阻。(2) 續

34、流串聯電阻的大小因需要保護功放管的安全而受到限制。(3) 衰減時間常數大，在步進電機高速運行時產生阻轉矩，影響系統的特性。2.4 步進電機驅動電路步進電機不能直接接到交、直流電源上工作，而必須使用專用設備步進電機驅動器。步進電機驅動系統的性能，除與步進電機的自身性能有關外，在很大程度上也取決于驅動器的優劣。步進電機的驅動電路應該既要保證繞組有足夠的電壓電流，同時又要保證驅動級功率器件的安全運行，另外還應有較高的效率、較小的功耗和較低的成本。驅動級的功率放大器件有中功率晶體管、大功率的晶體管、達林頓管、可控硅以及各種功率模塊。對于小功率的步進電機，可用中小功率晶體管進行驅動，晶體管具有放大倍數大

35、、線路簡單等優點，用于驅動小功率的步進電機（繞組電流在數百毫安）。對于功率較大的步進電機，由于繞組所需要的電流較大、電壓高、反電動勢也大，因此需要用大功率的的晶體管驅動。步進電機驅動電路與一般電氣設備驅動的不同點主要有：(1) 各相繞組都是工作在開關狀態，多數電動機的繞組都是連續的交流或者直流，而步進電機的各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續的而是離散的。(2) 電動機的各相繞組是繞在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組通電時電流上升率受到限制，因而影響電動機繞組電流的大小。(3) 繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結果使應該截止的相不能立即截止。為使電流

36、盡快衰減，必須設計適當的續流回路。繞組導通和截止過程中都會產生較大的反向電動勢，而截止時的反電動勢將對驅動級器件的安全產生十分有害的影響。(4) 電動機運轉時在各相繞組中將產生旋轉電動勢，這些電動勢的大小和方向將對繞組電流產生很大的影響。由于旋轉電動勢基本上與電動機轉速成正比，轉速越高，電動勢越大，繞組電流越小，從而使電動機輸出轉矩也隨著轉速升高而下降。(5) 電動機繞組中有電感電動勢、互感電動勢、旋轉電動勢。這些電動勢與外加電源共同作用于功率器件，當其疊加結果使電動機繞組兩端電壓大大超過電源電壓時，會使驅動級的工作條件更為惡化。由于步進電機需要的驅動電流比較大，所以單片機與步進電機的連接都需

37、要專門的接口電路及驅動電路。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程的接口芯片，如8255、8155等。驅動器可以用大功率復合管，也可以是專門的驅動器。本系統為了抗干擾，或避免一旦驅動電路發生故障，造成功率放大器中的高電平信號進入單片機而燒毀器件，因而在驅動器與單片機之間增加一級光耦隔離器。其接口電路原理圖如圖2.12所示。圖2.12 驅動電路電路工作原理：當a輸出為1時，發光二極管不發光，因而光敏三極光截止，從而使達林頓管導通，a相繞組通電。反之當a為0時經反相后，使發光二極管發光，光敏三極管導通，從而使達林頓管截止，a相繞組不通電，控制b、c、d相亦然。總之，只要按一定的順序改變a、b、c、d

38、通電的順序，就可控制步進電機按一定的方向步進【5】。2.5 步進電機的變速控制對于大多數的任務而言，總希望控制系統能盡快地到達控制終點。因此要求步進電機的速度盡可能快一些，但如果速度太快，則可能發生失步。此外一般步進電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。所謂的最高空載啟動頻率是指步進電機空載時，轉子從靜止狀態不失步地進入同步狀態（即步進電機每秒鐘轉過的角度和控制頻率相對應的工作狀態）的最大控制頻率。當步進電機帶負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉矩越小，帶負載的能力越差；當步進電機啟動后，進入穩態時的工作頻率又遠大于啟動頻率。由此可見，一

39、個靜止的步進電機不可能一下子穩定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。一般來說，升頻的時間約為0.11s之間。系統運行起來之后，如果到達終點時立即停止，可能會因系統慣性的原因，發生沖過終點的現象，使點位控制發生偏差，所以從高速運行到停止也應該有減速的措施【6】。為此，提出一種變速控制的程序，該程序的基本思想是，在啟動時，以低于響應頻率fs的速度運行；然后開始慢慢加速，加速到一定頻率fe后就以此速率恒速運行。當快要到達終點時，又使其慢慢減速，在低于響應頻率fs的速率下運行，直到走完所規定的步數后就停止運行。這樣步進電機便可以以最快的速度走完所規定的步數，而又不發生失步的現象。因此在點

40、位控制過程中，運行速度需要有一個加速恒速減速低恒速停止的過程，上述的變速控制過程如圖2.13所示。圖2.13 點位控制的加減速過程對于一個非常短的距離，如在數步范圍內，電動機的加減速過程沒有實際意義，只需要按起動頻率運行即可。對于中等或比較長的運行距離，步進電機加速后應該有一個恒速的過程。系統在工作過程中，都要求加減速的時間盡量短，而恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點到終點的時間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短而恒速時速度最高。加速時的起始速度應該等于或略小于系統的極限起動頻率，而不是從零開始。減速過程結束時的速度一般等于或略低于起動速度，再經數步低速運行后停止。升速的

41、規律一般有兩種，一是按直線規律升速，二是按指數規律升速。按直線規律升速時加速度為恒定，因此要求步進電機產生的轉矩為恒值。但實際上步進電機升速時由于反電動勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減小，因此輸出的轉矩會有所下降，按指數規律升速時，加速度是逐漸下降的，接近步進電機輸出轉矩隨轉速變化的規律【7】。由于步進電機的速度正比于脈沖頻率，控制步進電機的速度實際上就是控制脈沖頻率。用單片機對步進電機進行加減速控制，即控制cp脈沖的時間間隔。升速時使脈沖逐漸加密，減速時使脈沖逐漸變疏。本系統采用定時器中斷來控制步進電機的加減速，實際上是不斷改變定時器的定時初值的大小。在運行的過程中用查表的方式查出所需的

42、定時初值，從而減小占用cpu的時間，提高系統的響應速度。步進電機的加減速控制技術是步進電機控制中的一項關鍵技術，它直接影響步進電機運行的平穩性、升降速的快慢、定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統的綜合性能。采用步進電機的加減速控制可以有效地克服步進電機啟動過程中出現失步的問題，提高系統的響應速度和精度【8】。 2.5.1 變速控制的方法1、改變控制方式的變速控制最簡單的變速控制可以利用改變步進電機的控制方式實現。例如，在三相步進電機中，啟動或停止時，用三相六拍，大約在0.1秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到達終點時，再次采用三相六拍的控制方式，以達到減速的目的。2、均勻地改變脈沖時間

43、間隔的變速控制步進電機的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時間間隔來實現。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時時間間隔；在減速時，可以均勻地增加延時時間間隔。具體地說，就是均勻地增加或減少延時程序中延時時間常數。這種控制方法的優點是，由于延時的長短不受限制，使步進電機的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機的實時處理能力。3、采用定時器的變速控制在單片機控制系統中，可以采用單片機內部的定時器來提供cp脈沖。其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間向cpu申請一次中斷，cpu響應中斷后便發出一個脈沖。此時只要均勻地改變定時器時間常數，即可達到均勻加減速的目的【9】。這種方法的優點是減少占用cpu的時間

44、，提高控制系統的效率和實時處理能力。為了提高單片機的實時處理能力，系統采用中斷的方法進行調速。2.6 步進電機在自動生產線中的應用由于步進電機的運動特性受電壓波動和負載變化的影響比較小，方向和轉角控制簡單，并且步進電機能直接接受數字量的控制，非常適合采用微機進行控制。此外，步進電機不需要位置傳感器或速度傳感器可以在開環狀態下定位或同步運行，有利于裝置或設備的小型化和低成本，因而在軟盤驅動器、掃描儀、打印機、數控機床和自動化生產線等領域中都得了到廣泛的應用【10】。自動生產線結構如圖2.14所示，它由搬運站、供料站、加工站、裝配站和分揀站構成，每一個工作站都可自成一個獨立的系統。搬運站的功能是向

45、各個工作單元輸送工件，每完成一道工序就把工件送給下一個工作站，等加工站完成后再將工件送到裝配站和分揀站整個自動生產線的加工過程就完成。搬運站的整體運動采用步進電機驅動，具有定位精確和快速的特點。該步進電機驅動系統具有行程長、多定位點的特點，是一個典型的一維位置控制系統。因此步進電機的運動控制在自動生產線中得到了廣泛的應用。為了提高系統的響應速度，需要步進電機的速度盡可能的快，但為了防止步進電機在啟動過程中發生失步，需要按一定的規律對步進電機的速度進行控制，也就是對步進電機的脈沖頻率進行控制。當停車時，由較高的頻率突然降為零頻率，使步進電機立即停止，可能會由于系統慣性的原因，轉子會沖過終點，結果

46、使停車不準確，因此停車也必須有一個降頻的過程。整個加減速的控制，如本文所述的步進電機加減速控制。圖2.14自動生產線結構示意圖步進電機傳動組件由齒輪傳動，每轉一圈搬運站移動55mm，如果步距角為，每轉一圈需要走的步數n=360°/，那每一步走過的距離為l=55/n。由此可以算出每個站點之間的需要走的步數，即需要總的脈沖個數。例如一個步距角為1.8°的步進電機，從供料站到加工站的距離為470mm，需要總的脈沖個數為1709個【11】。各站點之間的距離如表2.2所示。表2.2各站點距離序號站點距離1供料站加工站470mm2加工站裝配站286mm3裝配站分揀站235mm4分揀站返

47、回工作原點925mm選用的步進電機的步距角越小，定位精度就越高。步進電機需要走的步數可以根據不同距離預先計算好，然后在單片機程序里設定好，也可以通過上位機進行控制。2.7 本章小結本章首先分析了步進電機的原理，并總結步進電機控制系統的特點；其次根據步進電機的控制特點，設計步進電機的驅動電路和環形脈沖分配器；為了使控制系統快以最短時間到達控制終點，并根據步進電機的矩頻特性設計步進電機的變速控制的方法。最后根據步進電機的優點，介紹步進電機在自動生產線中的應用。第三章 控制系統硬件設計3.1 硬件系統設計原則系統的擴展和模塊設計應遵循下列原則【12】：（1）盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設

48、計的成功率和結構的靈活性。（2）硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現的功能盡可能由軟件來實現，以簡化硬件結構。但必須注意，由軟件實現的硬件功能，其響應時間要比直接用硬件的長，而且占用cpu時間。所以選擇軟件方案時，要考慮到這些因素。（3）整個系統中相關的器件要盡可能做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時，存貯器的存取時間有限，應選擇允許存取速度較高的芯片；選擇cmos芯片單片機構成低功耗系統時，系統中的所有芯片都應該選擇低功耗的產品。（4）可靠性及抗干擾性設計是硬件系統設計不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。（5）單片機外接

49、電路較多時，必須考慮其驅動能力。驅動能力不足時，系統工作不可靠，解決的辦法是增加驅動能力，增設線驅動器或減少芯片功耗，降低總線負載。（6）系統的擴展及各功能模塊的設計在滿足系統功能要求的基礎上，應適當留有余地，以備將來修改、擴展的需要。3.2 控制系統組成控制系統硬件電路主要由鍵盤顯示電路、工作狀態顯示電路、環形脈沖分配器、步進電機驅動電路、51單片機、電源及復位六部分組成。系統硬件框圖如圖3.1所示。圖3.1 系統硬件框圖3.3 主要元件的選擇3.3.1 單片機的選擇隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計算機有了飛速的發展。在mcs-51系列單片機系列內核8051/80c51的基礎上，

50、intel公司、philips公司、siemens公司等很多大公司紛紛推出了名目繁多的派生芯片。而 atmel公司的at89c51系列單片機是當今具有較高性能的單片微型計算機系列產品之一，特別適用于要求實時處理、實時控制的各類自動控制系統，如工業過程控制系統、伺服系統、分布式控制系統、變頻調速電機控制系統等。其主要特點有：（1） cpu內核完全和mcs-51系列兼容，具有mcs-51系列單片機的一切功能。（2） 內部集成了4k字節的在線可編程flashrom，可滿足大部分系統擴展的需求，編程方更快捷。（4） 可在024mhz的晶振頻率范圍內可靠工作，加快了系統的工作速度，可用在某些高速實時處理

51、控制系統中。（5） 內部具有256個字節的ram和3個16位定時器，可以存放系統運行中的數據和滿足定時或計數功能擴展的需要。（6） 具有6個中斷源，完全可以滿足一般設計的中斷系統擴展需要。因此，at89c51系列單片機以其優越的性能在控制系統設計中得到了廣泛的應用，由于其內部功能完善，可以大大減少擴展系統外圍電路，而且性能穩定，因此在本控制系統的設計中，選用了at89c51單片機作為中央控制單元。3.3.2 eprom的選擇只讀存儲器(rom)的特點是：其內容是預先寫入的且一旦寫入，使用時就只能讀出不能改變，掉電時也不會丟失，rom器件還具有結構簡單、信息度高，價格低，非易失性和可靠性高等特點

52、。eprom是以浮柵型mos管作存儲單元，它里面存儲的內容可以通過紫外線光的照射而被擦除，而且又可再用電流脈沖對其重新編程寫入程序或數據，而且還可多次進行擦除和重寫，故稱為可擦除可編程rom，因而eprom得到了廣泛的應用。intel 2716是2k×8的eprom存儲器。2716的管腳排列如圖3.2所示。它有讀方式、未選中方式、編程方式、程序檢驗方式、編程禁止方式5種工作方式如表3.1所示【13】。圖3.2 2716 管腳排列2716管腳定義如下：a0a10：地址線，11位(對應2k存儲單元)地址信號輸入引腳；o7o0：8位雙向數據線，編程時作數據輸入線，讀出時作數據輸出線；：片選

53、允許輸入端，低電平有效；：數據輸出允許控制信號引腳，低電平有效；vpp：+25v電源，用于專用裝置上進行寫操作；表3.1 2716工作方式引腳方式/pgnvppo7 o0讀出低低+5v程序讀出未選中高x+5v高阻編程正脈沖高+25v程序寫入程序校驗低低+25v程序讀出編程禁止低高+25v高阻3.3.3 可逆計數器的選擇由于環形脈沖分配器不但需要接收脈沖信號cp，還需要接收方向電平，因此所選的計數器需要是一個可逆的計數器。計數器選用74ls191，這是一種單時鐘4位二進制可逆計數器，時鐘脈沖從cp端輸入，加/減脈沖由同一端輸入，加/減控制線的高低電平控制加減計數。74ls191是單時鐘方式的可逆

54、計數器，計數器的輸出qaqd接eprom的低四位地址線，這樣可以選通eprom的十六個地址（00h0fh），將步進電機的勵磁狀態從eprom中輸出，控制繞組的導通和截止。74ls191的工作方式選擇如表3.2所示。用74ls164的clk端作為環形脈沖分配器的cp脈沖信號輸入端，加減計數控制端作為正反轉控制信號輸入端。表3.2 74ls191功能表輸入工作模式置數 使能 加減 時鐘 h l l h l h l x x xh h x x加計數減計數預置保持3.4 控制系統接口電路的設計3.4.1 環形脈沖分配器設計環形脈沖分配器是用來接收單片機的cp脈沖，并根據步進電機的勵磁狀態轉換表的狀態順序

55、輸出各相繞組的導通或截止信號。每來一個cp脈沖，環形脈沖分配器的輸出就轉換一次。因此，步進電機轉速的高或低、加速或減速、啟動或停止都完全取決于cp脈沖的有無和頻率。同時，環形脈沖分配器還必須接收控制器發出的方向電平信號，從而決定其輸出的狀態轉換是按正序轉換還是反序轉換，于是就決定了步進電機正反轉。接收來自控制器的cp脈沖和方向電平是環形脈沖分配器的最基本功能。環形脈沖分配器由eprom和可逆計數器構成，將步進電機的勵磁狀態以二進制的形式存入eporom，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址內容，eprom的輸出就是步進電機的勵磁狀態。可逆計數器的輸出作為eprom的地址輸入端，計數器的一個計數狀態就對應步進電機的一個勵磁狀態，控制計數脈沖cp就可以控制步進電機的運行，加減計數控制端可以控制步進電機正反轉。環形脈沖分配器電路如圖3.3所示。圖3.3 環形脈沖分配器電路這種方法適用于控制任意類型的步進電機。對于不同類型的步進電機及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀態表，硬件不需要做任何的變化。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用cpu的時間，提高了系統的響應速度，軟件方法的優點是節省硬件，降低系統的成本，