步進(jìn)電機(jī)加減速定位控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題描述 </p><p>　　隨著電子技術(shù)，特別是隨大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生而出現(xiàn)的微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類生活發(fā)生了根本性的改變。如果說(shuō)微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，那么可以毫不夸張地說(shuō)，單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來(lái)了一次新的技術(shù)革命。目前，單片機(jī)以其體

2、積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境要求不高、高可靠性、高性能價(jià)格比、開(kāi)發(fā)較為容易，在工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化儀器儀表、辦公自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用，并已走人家庭，從洗衣機(jī)、微波爐到音響、汽車，到處都可見(jiàn)到單片機(jī)的蹤影。因此，單片機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用水平已逐步成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。本課題研究的內(nèi)容就是以單片機(jī)為主要控制元件，通過(guò)控制脈沖信號(hào)來(lái)定位步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　1.2

3、步進(jìn)電機(jī)參數(shù)和特點(diǎn) </p><p>　　1.2.1 基本參數(shù)</p><p>　　1.電機(jī)固有步距角[8]</p><p>　　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，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

4、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)。</p><p><b>　　2.步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)</b></p><p>　　是指電機(jī)內(nèi)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

5、為0.36°/0.72° 。</p><p>　　3. 保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）</p><p>　　是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。</p><p>　　1.2.2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)</p><p>　　1．一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。 </p><

6、p>　　2．步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。 </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 </p><p>　　3．步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。

7、 </p><p>　　當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。</p><p>　　4．步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟

8、動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?。步進(jìn)電機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。</p><p><b>

9、;　　2 總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1 總體設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加減速定位控制功能，設(shè)計(jì)采用的如圖2.1的設(shè)計(jì)框圖。</p><p>　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制，利用AT89C51單片機(jī)作為脈沖分配器，通過(guò)功率接口控制四相步進(jìn)電機(jī)的加減速運(yùn)行。</p><p>　　鍵盤模塊控制步進(jìn)電

10、機(jī)的起動(dòng) 、加速、停止、以及定位等各項(xiàng)功能的選擇。</p><p>　　LCD顯示器上實(shí)時(shí)的顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速和定位功能時(shí)候步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速和總的轉(zhuǎn)數(shù)。</p><p>　　89C51單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作并且充當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候的脈沖分配器。</p><p>　　圖2.1總體設(shè)計(jì)框圖</p><p>

11、;　　2.2 控制系統(tǒng)芯片的選取</p><p>　　2.2.1 單片機(jī)芯片的選取</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)日益發(fā)展，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著集成電路工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了單片機(jī)、DSP,ARM等多種單片機(jī)。</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱

12、單片機(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AT89C51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[6]。51單片機(jī)雖然和DSP,ARM相比處理速度和運(yùn)算速度上都比較慢，但它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，它的速度可以滿足本次實(shí)驗(yàn)的要求，所以我們采用AT89C51這款單片機(jī)。</

13、p><p>　　2.2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的原理及其引腳功能</p><p>　　對(duì)于設(shè)計(jì)中的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用L298N驅(qū)動(dòng)器。L298N 為SGS-THOMSON Microelectronics 所生產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電

14、機(jī)，內(nèi)含二個(gè)H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來(lái)提供模擬時(shí)序信號(hào)。L298N的內(nèi)部邏輯圖如2.3所示[1]。</p><p>　　圖2.3 L298 內(nèi)部邏輯圖[3]</p><p>　　雙列直插式封裝的L298N，共20個(gè)引腳，引腳圖及其引腳功能如

15、下圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 L298N引腳圖[2]</p><p>　　L298N驅(qū)動(dòng)器的引腳功能如表2.1所示。</p><p>　　表 2.1 L298引腳功能</p><p>　　2.2.3 顯示芯片的選取及其引腳功能</p><p>　　對(duì)于顯示模塊選用LM016L液晶顯示器。LM016L液

16、晶顯示器（LCD）具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、顯示好的特點(diǎn)。點(diǎn)陣字符型液晶顯示器把LCD 控制器、點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)器、字符存儲(chǔ)器集成在一塊印刷電路板上，構(gòu)成便于應(yīng)用的液晶模塊。這類液晶模塊不僅可以顯示數(shù)字、字符，還可以顯示各種圖形符號(hào)以及少量自定義符號(hào)，并且可以實(shí)現(xiàn)屏幕的上下左右滾動(dòng)、文字的閃爍等功能。LM016L 液晶模塊采用HD44780 控制器。HD44780 具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)、閃爍等功能。</p>

17、<p>　　圖2.5 LM016L引腳圖</p><p>　　LM016L 與單片機(jī)MCU（Microcontroller Unit）通訊可采用8 位或者4 位并行傳輸兩種方式。LM016L 液晶模塊的引腳功能見(jiàn)表2.2。[6]</p><p>　　表2.2 LM016L引腳功能表</p><p>　　通過(guò)對(duì)HD44780 寫入控制指令，HD44780

18、 產(chǎn)生顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)LM016L。HD44780的控制指令主要有：清除顯示（Clear Display）、地址歸位（Return Home）、輸入模式設(shè)定（Entry Mode Set）、顯示開(kāi)/關(guān)控制（Display On/Off Control）、功能設(shè)定（Function Set）、設(shè)定 CGRAM 的地址（Set CGRAM Address）、設(shè)定DDRAM 的地址（Set DDRAM Address）、寫 DDRAM/CG

19、RAM（Write Date to DDRAM/CGRAM）、讀忙標(biāo)志和地址（Read Busy Flagand Address）以及從DDRAM 和CGRAM 中讀數(shù)據(jù)（Read Date from DDRAM/CGRAM）。</p><p><b>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><

20、;p>　　3.1.1 AT89C51單片機(jī)主要特性和功能特性</p><p><b>　　主要特性：</b></p><p>　　與MCS-51 兼容</p><p>　　4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器</p><p><b>　　全靜態(tài)工作</b></p><p><

21、b>　　0Hz-24Hz</b></p><p><b>　　三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定</b></p><p>　　128*8位內(nèi)部RAM</p><p><b>　　32可編程I/O線</b></p><p>　　兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器</p><p><

22、;b>　　5個(gè)中斷源</b></p><p><b>　　可編程串行通道</b></p><p>　　低功耗的閑置和掉電模式</p><p>　　片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路</p><p>　　3.1.2 AT89C51引腳分布圖及管腳說(shuō)明 </p><p>　　圖3.1 89

23、C51單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　由上圖可知89C51單片機(jī)共有包括GND,VCC在內(nèi)的40個(gè)引腳下面著重介紹幾個(gè)重要的引腳。</p><p>　　P0口由一個(gè)輸出鎖存器，2個(gè)三態(tài)級(jí)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)電路及控制電路組成。</p><p>　　P1口是一個(gè)準(zhǔn)雙向口，用作I/O口。P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口P1口緩沖器能接收輸出4TTL門

24、電流。P2口比P1口多了一個(gè)MUX開(kāi)關(guān)和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制部分。P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。P3口是一個(gè)多功能端口。P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O

25、口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口?？诠苣_ 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入

26、）P</p><p>　　3.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖</p><p>　　AT89C51單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開(kāi)始工作。單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖3.2所示。89系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)部的斯密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如RST引腳上有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期），則CP

27、U就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。上圖為手動(dòng)復(fù)位電路，通過(guò)接通一個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。</p><p>　　AT89C51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2,兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。電容器C1和C2通常取22pf左右，可穩(wěn)定頻率并對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用。振蕩脈沖頻率范圍為0~24MHz。[4]</p>&

28、lt;p>　　圖3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) </p><p>　　3.2 步進(jìn)電機(jī)加減速定位控制電路的單片機(jī)原理圖</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)加減速定位控制系統(tǒng)的單片機(jī)原理圖如圖3.3所示。[5]</p><p>　　圖3.3 步進(jìn)電機(jī)加減速定位系統(tǒng)的單片機(jī)原理圖</p><p>　　在圖3.3中，U1為單片機(jī)芯片AT89C51，工作于1

29、1.0592MHz的時(shí)鐘。單片機(jī)的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7引腳分別與輸入鍵盤的定位、啟動(dòng)、加速、減速、停止、反轉(zhuǎn)端口相對(duì)應(yīng)。通過(guò)判斷上述端口來(lái)確定輸入,以便實(shí)現(xiàn)各種要求的控制功能。P3.0接LM016L的RS端，P3.1接RW端，P3.3接使能端EN。P0.0--P0.7通過(guò)排阻跟芯片LM016L的數(shù)據(jù)端連接。P3.3作為外部中斷0通過(guò)兩個(gè)反向非門與鍵盤電路相連接，提供鍵盤輸入的中斷信號(hào)。P2.0-P2

30、.3作為并行端口來(lái)模擬步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖，同時(shí)充當(dāng)脈沖分配器的功能，給步進(jìn)電機(jī)提供四相八拍的步進(jìn)控制脈沖。</p><p>　　3.3 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)原理圖</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　在電源引腳并聯(lián)一個(gè)0.1uf的小電容目的是1.濾波

31、，引入濾波電容的原因是要獲得平滑穩(wěn)定的電壓，因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔儯运芤种齐妷旱牟▌?dòng)，使電壓變得平穩(wěn)光滑主要作用有兩個(gè)：1.去除器件之間的交流射頻耦合。它能將器件的電源端上瞬間的尖峰、毛刺對(duì)地短路掉。2.去耦：也叫退耦。</p><p>　　芯片L298N的IN1-IN4端跟單片機(jī)的P2.0-P2.3端口連接，作為步進(jìn)電機(jī)的四相步進(jìn)脈沖信號(hào)。感應(yīng)端SENSA和SENSB接地，ENA ENB 端口懸空。輸

32、出OUT1-OUT4跟步進(jìn)電機(jī)的四角上的四個(gè)端口逆時(shí)針依次連接，步進(jìn)電機(jī)的中間兩個(gè)端口直接接高電平。8個(gè)二極管D1-D8為電機(jī)繞組通電后續(xù)流作用。VCC接+5V的電源作為控制端的電源電壓，VSS接+12V的電壓，作為L(zhǎng)298N高壓端電壓，作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓。</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 AT89C51單片機(jī)定時(shí)器/

33、控制器控制</p><p>　　定時(shí)器共有兩個(gè)控制字，有軟件寫入TMOD和TCON兩個(gè)8位寄存器，用來(lái)設(shè)置兩個(gè)T0或T1的操作模式和控制功能。當(dāng)AT89C51系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，連個(gè)寄存器所有位都被清零[7]。</p><p>　　4.1.1 工作模式寄存器TOMD</p><p>　　TOMD用于控制T0和T1工作模式，其各位的定義格式如表4.1所示。</p>

34、<p>　　表 4.1 工作模式寄存器TMOD的位定義</p><p>　　定時(shí)器T1 定時(shí)器T0</p><p>　　其中，低四位用于T0，高4位用于T1。 </p><p>　　4.1.2 控制寄存器TCON</p><p>　　定時(shí)器控制寄存器TCON除可字節(jié)尋址外，各位還可

35、位尋址，各位定義及格式如表4.2所示。</p><p>　　表4.2 控制寄存器TCON的位定義</p><p>　　TCON各位的作用如下。</p><p>　　TF1(TCON.7): T1溢出標(biāo)志位。</p><p>　　TF0(TCON.5): T0溢出標(biāo)志位。其功能和操作情況同TF1。</p><p>　　T

36、R1(TCON.6): T1運(yùn)行控制位?？赏ㄟ^(guò)軟件置1或清0來(lái)啟動(dòng)或關(guān)閉T1.在程序中用指令“SETB TR1”使TR1位置1，定時(shí)器T1便開(kāi)始計(jì)數(shù)。</p><p>　　TR0(TCON.4): T0運(yùn)行控制位。其功能及操作情況同TR1。</p><p>　　TE1,IT1,IT0(TCON.3~TCON.0):外部中斷INT1和INT0請(qǐng)求及請(qǐng)求方式控制位。</p>&l

37、t;p>　　89C51復(fù)位時(shí)，TCON的所有位被清0[7]。 </p><p>　　4.2 控制過(guò)程軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 脈沖分配 </p><p>　　實(shí)現(xiàn)脈沖分配（也就是通電換相控制）的方法有兩種：軟件法和硬件法。軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過(guò)單片機(jī)的I/O向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖，設(shè)定四相八拍工作方式通電換相得

38、：正序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA，反序?yàn)锳-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A</p><p>　　注：P2.0：A相驅(qū)動(dòng)，P2.1：B相驅(qū)動(dòng)，P2.2：C相驅(qū)動(dòng)，P2.3: D相驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　四相八拍控制字如下表4.3所示。</p><p>　　表4.3 四相八拍工作方式的控制字</p><p>　　通過(guò)連續(xù)

39、的向P2.0-P2.3口輸出脈沖，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)不斷的運(yùn)行。</p><p>　　4.2.2 加減速定位曲線設(shè)定</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從A點(diǎn)到B點(diǎn)移動(dòng)的時(shí)，要經(jīng)歷升速，恒速，減速過(guò)程，如果啟動(dòng)時(shí)一次將速度升到給定速度，由于啟動(dòng)頻率超過(guò)極限啟動(dòng)頻率，步進(jìn)電機(jī)就有失步現(xiàn)象，因此會(huì)造成不能正常啟動(dòng)，如果到終點(diǎn)時(shí)突然停下來(lái)，由于慣性作用 ，步進(jìn)電機(jī)會(huì)發(fā)生過(guò)沖現(xiàn)象，會(huì)造成位

40、置精度降低。如果升速非常緩慢的升降速，步進(jìn)電機(jī)雖然不會(huì)發(fā)生失步和過(guò)沖現(xiàn)象，但影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率，所以，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的加減速要有嚴(yán)格的要求，那就是保證在不失步和過(guò)沖的前提下，用最快的速度（或最短的時(shí)間）移動(dòng)到有可能指定位置。為滿足加減速要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行通常按照加減速曲線進(jìn)行。如圖4.1是加減速運(yùn)行曲線。加減速運(yùn)行曲線沒(méi)有 一個(gè)固定的模式，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)得到的。最簡(jiǎn)單的是勻加速和勻減速曲線。 </p><p&g

41、t;　　圖4.1 加減速曲線</p><p>　　用定時(shí)器中斷方式來(lái)控制電動(dòng)機(jī)變速時(shí),實(shí)際上是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。在控制過(guò)程中,為了減少每步計(jì)算裝載值的時(shí)間,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的ROM中,這樣可大幅度減少占用CPU 的時(shí)間,提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。階梯模擬加減速曲線如圖4.2所示。</p><p>　　50r/s

42、 50 r/s</p><p>　　40r/s 40 r/s</p><p>　　30 r/s

43、 30 r/s</p><p>　　20r/s 20 r/s</p><p>　　10r/s 10 r/s</p><p>&l

44、t;b>　　T/S</b></p><p>　　02 4 6 8 10 20 22 24 26 28S</p><p>　　圖4.2 階梯模擬加減速曲線</p><p><b>　　4.3 程序流程圖</b></p>

45、<p>　　4.3.1 主程序流程圖 </p><p>　　主程序主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的資源進(jìn)行全面的管理，協(xié)調(diào)的處理系統(tǒng)的顯示、鍵盤輸入、和步進(jìn)電機(jī)的循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。開(kāi)定時(shí)器和外部中斷以及各個(gè)變量的初始化，最后循環(huán)的執(zhí)行電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程并等待外部中斷。如圖4.3所示。[7]</p><p><b>　　Y</b></p><p><b&

46、gt;　　N</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　Y</b></p><p>　　圖4.3 主程序流程圖</p><p>　　4.3.2 外部中斷0的中斷服務(wù)子程

47、序流程圖</p><p>　　外部中斷0服務(wù)程序功能通過(guò)中斷方式判斷端口INT0[9]，如果脈沖下降沿就開(kāi)始檢測(cè)鍵盤輸入端口P1口，通過(guò)與程序中的設(shè)定值來(lái)進(jìn)行比較確定是哪個(gè)功能鍵按下，然后再通過(guò)固化的各種情況執(zhí)行對(duì)應(yīng)的中斷程序，在啟動(dòng)時(shí)候是檢測(cè)到啟動(dòng)按鍵時(shí)候直接給主程序中循環(huán)執(zhí)行的標(biāo)志變量賦1直接啟動(dòng)正轉(zhuǎn)程序的執(zhí)行，啟動(dòng)時(shí)候轉(zhuǎn)速設(shè)定為10r/s，并啟動(dòng)顯示程序，顯示“0605044218 LXG Speed：1

48、0r/s”當(dāng)檢測(cè)到停止鍵按下時(shí)，直接將主程序中循環(huán)執(zhí)行的標(biāo)志變量賦0，停止單片機(jī)向外發(fā)送脈沖，并啟動(dòng)顯示,“Testing…”在加減速的時(shí)候是每檢測(cè)到一次按鍵按下時(shí)中斷程序便開(kāi)始執(zhí)行，并與按下按鍵前的速度狀態(tài)進(jìn)行比較確定下一檔給出的的速度值即給出主程序中P2口送出脈沖之間的延時(shí)時(shí)間，并在LCD上顯示執(zhí)行的結(jié)果，當(dāng)按下定位鍵后，鎖定其他的各個(gè)按鍵并且轉(zhuǎn)向定時(shí)器T0的中斷服務(wù)程序，來(lái)實(shí)現(xiàn)加減速定位的功能。實(shí)現(xiàn)鍵盤控制的各個(gè)功能。</p

49、><p><b>　　2</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　Y</b></p>

50、<p><b>　　Y</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　NY</b></p><p><b>　　Y</b></p>&l

51、t;p><b>　　4</b></p><p><b>　　4</b></p><p><b>　　4</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p&g

52、t;<b>　　3</b></p><p><b>　　4</b></p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p><

53、;b>　　YY</b></p><p><b>　　4</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p>　　圖4.4外部中斷0服務(wù)程序流程圖</p><p>　　4.3.3 定時(shí)

54、器T0的中斷服務(wù)程序</p><p>　　當(dāng)檢測(cè)到鍵盤中是定位鍵按下時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)定位過(guò)程中的離散模擬加減速控制，就設(shè)置用定時(shí)器T0來(lái)控制定位過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)速度的變化，即給單片機(jī)P2口發(fā)送脈沖的頻率，通過(guò)設(shè)定變化過(guò)程中每個(gè)速度檔的運(yùn)行時(shí)間來(lái)控制加減速過(guò)程中的加速度的變化，具體過(guò)程是步進(jìn)電機(jī)從低速不失步地加速啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)5檔階梯加速過(guò)程0r/s-10r/s-20r/s-30r/s-40r/s -50r/s達(dá)到高速恒速運(yùn)

55、行50r/s，并且在LCD液晶顯示屏幕上實(shí)時(shí)的顯示Locate 900r Speed: 50 r/s運(yùn)行10s后在將達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)，步進(jìn)電機(jī)減速運(yùn)行，經(jīng)過(guò)5檔階梯減速50r/s-40r/s-30r/s-20r/s -10r/s-0r/s最后準(zhǔn)確的停在目標(biāo)位置上，而不會(huì)發(fā)生過(guò)沖現(xiàn)象。定位結(jié)束后在LCD液晶顯示屏幕上顯示 “Stopping…” 。并且通過(guò)計(jì)算定位過(guò)程中的各個(gè)速度段的時(shí)間累積和來(lái)確定總的定位步數(shù)，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，并且在

56、定位的執(zhí)行過(guò)程中鎖定了其他的加減速等按鍵，確保了定位過(guò)程的正確執(zhí)行。</p><p><b>　　5 仿真過(guò)程</b></p><p>　　KeilC與Proteus連接仿真調(diào)試[8]</p><p>　　Proteus里加載可執(zhí)行文件，左鍵雙擊AT89C52原理圖，點(diǎn)擊加載可執(zhí)行文件“步進(jìn)電機(jī).HEX”。</p><p&g

57、t;　　單擊仿真運(yùn)行開(kāi)始按鈕，我們能清楚地觀察到每一個(gè)引腳的電頻變化，紅色代表高電頻，藍(lán)色代表低電頻。其運(yùn)行情況如圖5.1-5.4所示。</p><p>　　圖5.1 定位加速過(guò)程</p><p><b>　　圖5.2 正轉(zhuǎn)加速</b></p><p><b>　　圖5.3 反轉(zhuǎn)減速</b></p><

58、p>　　圖5.4 定位結(jié)束過(guò)程</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　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，是一種特殊的電動(dòng)機(jī)。由于其精確性以及其良好的性能在實(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)AT89C51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)的硬件電路以及軟件的設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)

59、電機(jī)的控制。</p><p>　　本文首先對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了概述，然后就控制系統(tǒng)中芯片的選取做了詳細(xì)的說(shuō)明，本設(shè)計(jì)選擇用L298N作為接口驅(qū)動(dòng)芯片，用LM016L做顯示芯片，在Proteus上設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)的硬件連接電路，并根據(jù)實(shí)情況考慮了電磁隔離和繞組的導(dǎo)通續(xù)流等。在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的程序流程圖并用C程序設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)的控制程序，并用Keil進(jìn)行調(diào)試，然后在Proteus上進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了本次設(shè)

60、計(jì)所需的各種功能。系統(tǒng)中采用并行控制,用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。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)、加減速、停止等功能,采用中斷方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序,完成對(duì)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)，并且用定時(shí)器控制定位過(guò)程，在定位過(guò)程中簡(jiǎn)單設(shè)置了加減速過(guò)程的模擬階梯曲線，來(lái)控制加減速的整個(gè)過(guò)程。</p><p>　　該設(shè)計(jì)的唯一不足是固化的加減速過(guò)程中的加減速時(shí)間

61、，不能通用于各種不同的加速度控制系統(tǒng)，且在定位過(guò)程中由于脈沖漏發(fā)等出現(xiàn)小偏差時(shí)候不能進(jìn)行檢測(cè)，所以還有待進(jìn)一步的將該系統(tǒng)完善成為具有傳感器位置檢測(cè)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　用軟件代替環(huán)形分配器,通過(guò)對(duì)單片機(jī)的設(shè)定,用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng),大大提高了接口電路的靈活性和通用性;本次設(shè)計(jì)雖然只是實(shí)現(xiàn)單一功能的應(yīng)用，但是它可以作為一種通用模塊應(yīng)用，通過(guò)改變并行輸出口可以滿足多種不同的相數(shù)的

62、步進(jìn)電機(jī)控制，改變模擬階梯曲線的參數(shù)可以滿足多種不同應(yīng)用條件下的定位。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中發(fā)揮這不可替代的作用。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　這次的課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問(wèn)題，在理解及設(shè)計(jì)課題過(guò)程中得到老師的細(xì)心指導(dǎo)，得到很多實(shí)用的知識(shí)，在此我表示感謝！同

63、時(shí)，對(duì)給過(guò)我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示衷心的感謝</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]吳顯鼎.模擬電子技術(shù)[M].南開(kāi)大學(xué)出版社,2010年版</p><p>　　[2]蔣華勤.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社,2009年版.</p><p>　　[3]宋家友,樂(lè)

64、麗琴.數(shù)字電子技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,2011年版.</p><p>　　[4]王質(zhì)樸,呂云朋.MCS-51單片機(jī)原理接口及應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2009年版.</p><p>　　[5]邱關(guān)源,羅先覺(jué).電路[M]第五版.北京市：高等教育出版社,2006年6月版.

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