畢業(yè)實(shí)習(xí) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文 題 目 ： 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī)控制器 設(shè)計(jì) 年 級(jí)： 2005 級(jí) 專 業(yè)： 機(jī)電一體化技術(shù) 姓 名： 楊 明 學(xué) 號(hào)： 20056427 指導(dǎo)教師： 王世剛 日 期： 黑龍江大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院制 I 摘 要 介紹了步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)的發(fā)展史 ,及國內(nèi)的現(xiàn)狀和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)未來的應(yīng)用前景。并且闡述了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、角度、轉(zhuǎn)矩的控制原理。 本文闡述了一種步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方案，并繪制了原理圖和 寫了程序源代碼。實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、角度的控制，并完成了實(shí)物的制作。這期間主要使用 件繪制原理圖和制板，后通過硬件的調(diào)試驗(yàn)證程序代碼的實(shí)際功能，完成對(duì)控制器的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；控制器 。 of of a to to u of a of of CB a a to of of 9 se .1 on an of of a an of of 目 錄 摘要 第一章、引 言 1 1 1 1 第二章、步 進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 2 2 2 2 3 3 第三章、 片機(jī) 4 4 4 第四章、 控制器電路圖 6 第五章、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理與控制 8 8 8 297/ 8 297芯片簡(jiǎn)介 8 298芯片簡(jiǎn)介 9 297 298 步進(jìn)電機(jī)控制 9 10 第 六 章、 實(shí)現(xiàn) 11 6.1 程序 流程 圖 11 碼 12 第 七 章、 結(jié)構(gòu) 圖 30 結(jié)論 31 參考文獻(xiàn) 32 致謝 33 附錄 34 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 1 第一章、引 言 進(jìn)電機(jī)發(fā)展史 步進(jìn)電機(jī)又稱電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國外一般稱為 。步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，其原始模型起源于 1830年至 1860年間。 1870年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氬弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電動(dòng)。此后，在電話自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。不久又在缺乏交流電源的船舶 和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中廣泛使用。 20 世紀(jì) 60 年代后期，隨著永磁性材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。 在近 30年間，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)迅速地發(fā)展并成熟起來。從發(fā)展趨向來講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能與直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)，以及同步電動(dòng)機(jī)并列，從而成為電動(dòng)機(jī)的一種基本類型。 國步進(jìn)電機(jī)發(fā)展 我國步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究及制造起始于本世紀(jì) 50年代后期。從 50年代后期到 60年代后期，主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)為主。 70年代初期，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)和研究有所突破。除反映在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長(zhǎng)足進(jìn)步外，對(duì)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究發(fā)展到一個(gè)較高水平。 70 年代中期至 80 年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動(dòng)機(jī)不斷被開發(fā)。自80年代中期以來，由于對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品廣泛利用。 1 3 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用前景 目前，隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電動(dòng)機(jī)本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)電機(jī)分類間的界面越來越模糊。步進(jìn)電機(jī)必然會(huì)成為機(jī)電一體化元件組件的必然趨 勢(shì) 。 由于步進(jìn)電機(jī)具有控制方 便、體積小等特點(diǎn)，所以在數(shù)控系統(tǒng)、自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)化儀表、繪圖機(jī)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。微電子學(xué)的迅速發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的普及與應(yīng)用，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊前景，使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復(fù)雜的控制器得以用軟件實(shí)現(xiàn)，既降低了硬件成本又提高了控制的靈活性，可靠性及多功能性。市場(chǎng)上有很多現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)構(gòu)，但價(jià)格都偏高。應(yīng)用 司推出的 芯片可方便的組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器， 并結(jié)合 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 2 第二章、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 進(jìn)電動(dòng)機(jī) 控制 系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 和控制 單元 構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不可分割的三大部分。系統(tǒng)框圖見下 圖 2 圖 22 2 控制單元 控制單元 、 驅(qū)動(dòng)電路為控制系統(tǒng)的核心部分。 控制單元是整個(gè)系統(tǒng)最核心的部分 ,是系統(tǒng)的指揮中心。用于協(xié)調(diào)各部分的運(yùn)行，主要負(fù)責(zé)接收通信端口或輸入電路送來的信息，并對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，譯碼，并做出相應(yīng)的動(dòng)作，發(fā)出控制信號(hào)用以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 控制單元實(shí)質(zhì)上是具有處理能力的微 處理器芯片。 控制單元可以由：?jiǎn)纹瑱C(jī)、 充當(dāng)。 本文 選用由 2 3 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路是負(fù)責(zé)將控制單元送來的微電流信號(hào)進(jìn)行放大用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)， 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)質(zhì)上是功率放大器 。 常 見的 驅(qū)動(dòng)電路 ：?jiǎn)坞妷盒凸Ψ烹娐?、高低壓切換型功放電路、斬波恒流功放電路等再就是采用專用的集成芯片。 本文 采用 298 芯片，由這兩種芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路 具有控制方便、精度高、并且不需要外圍擴(kuò)展。 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 3 2 4 通信端口 通信端口是步進(jìn)電機(jī)控制器與上位 機(jī)（主要是指計(jì)算機(jī)）進(jìn)行通信的接口， 串口采 用 的通信標(biāo)準(zhǔn) 準(zhǔn)。 使用單片機(jī)的 口 與計(jì)算機(jī)的串口（ 9 芯） 相連進(jìn)行通信。 2 5 其它 顯示屏：人機(jī)交互的窗口，使用 晶屏。 輸入電路：用于輸入控制信息，告訴控制器如何運(yùn)轉(zhuǎn)。 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 4 第三章 、 片機(jī) 功耗的 8 位 微處理器芯片，具有16統(tǒng)內(nèi)可編程 述如下 ： 1、 165121 2、 四通道的 3、 兩個(gè)可編程串行 4、 可工作于主機(jī) /從機(jī)模式的 5、 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器 ； 6、片內(nèi) /片外中斷源 ； 7、 32個(gè)雙向 I/單獨(dú)控制 ； 8、 9、 3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器等。 腳 如圖 3 圖 3 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 5 引腳功能簡(jiǎn)述如下： A/ 模擬 /數(shù)字 電源 ; A/ ：晶振； 復(fù)位； A/ D： 雙向 I/ 注： 是一個(gè)高度靈活的串行通訊設(shè)備 ,通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器 的英文縮寫。 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 6 第四章、 控制器電路圖 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 7 原理圖說明 : 本原理圖 ,用 總路線和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)連接，即相同的的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)具有電氣連接。 稱火牛頭）； 98 放大圖見附錄。 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 8 第五章、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理與控制 從廣義上講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。 進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) (圖 5圖 5進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 控制 原理 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)變?yōu)橄鄳?yīng)的直流位移的數(shù)字 /模擬變換器。每當(dāng)電機(jī)繞組接收一個(gè)脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的角度（步距）。 步進(jìn)電機(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，因而只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相序，即可獲得所需要的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 297/ 片簡(jiǎn)介 可產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于兩相雙極或四相單極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。它的心臟部分是一組譯碼器它能產(chǎn)生各種所需的相序，這一部分是由兩種輸入模式控制，方向控制 （ 和 進(jìn)式時(shí)鐘 碼器有四個(gè)輸出點(diǎn)連接到輸出邏輯部分，提供抑制和斬波功能所需 的相序。 生三種相序信號(hào) ，對(duì)應(yīng)于三種不同的工作方式：即半步方式（ 基本步距（ 相激勵(lì)方式；基本步距兩相激勵(lì)方式。 現(xiàn)恒流斬波控制以獲得良好的矩頻特性。 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 9 298 芯片簡(jiǎn)介 電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn) 如繼電器、圓筒形線圈、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，具有兩抑制輸入來使器件不受輸入信號(hào)影響。每橋的三級(jí)管的射極是連接在一起的 ，相應(yīng)外接線端可用來連接外設(shè)傳感電阻。可安置另一輸入電源，使邏輯能在低壓下工作。 5個(gè)引出腳的多瓦數(shù)直插封閉的集成芯片。 297/298 步進(jìn)電機(jī)的控制 98的連接如下 圖 5 圖 5297/298連接圖 這里我 只 使用：半步工作方式和兩相激勵(lì)的基本步距工作方式 。 兩種工作方式見下表 5基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 10 工作方式 半步工作方式 兩相激勵(lì)基本步距 引腳狀態(tài) ， ， 輸出 波形 表 5297半步 /兩相激勵(lì)基本步距工作方式 注：采用基本步距一相激勵(lì)，存在一個(gè)缺點(diǎn)，在電流切換過程即通電狀態(tài)改變過程中，有一瞬間可能所有的定子控制繞組都不通電，電磁轉(zhuǎn)矩瞬間為零，這就使得電磁轉(zhuǎn)距在電機(jī)運(yùn)行中波動(dòng)很大。所以我不采用這種工作模式。 制機(jī)制 98組成的完整系統(tǒng)， 通過不同的連接可以 驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電動(dòng)和驅(qū)動(dòng)四相步進(jìn)電機(jī) （ 可承受的最高電壓為 45V，每相電流 可 達(dá) 2A）。單片機(jī)（簡(jiǎn)稱 出時(shí)鐘信號(hào)、正反轉(zhuǎn)信號(hào)、工作模式信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、使能信號(hào)及控制信號(hào)。 1和取 0時(shí)轉(zhuǎn)向相反。 每一個(gè)脈沖的下降沿，電機(jī)產(chǎn)生一步步進(jìn)。 1時(shí) 是半步模式，為 0時(shí)是基本步距。（具體組合方式見表 5為 0時(shí)，控制 為 1時(shí)控制 為 0時(shí)， A， B， 都為 0。 為 0時(shí)，脈沖分配器回到初狀態(tài)（ 298雙 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。電路中，5引腳上的兩個(gè)電阻用來調(diào)節(jié) 斬 波器電路的參考電壓。該電壓通過管腳 13、 14所反饋的電位的大小比較，來確定是否進(jìn)行斬波控制，以達(dá)到控制電機(jī)繞組電流峰值、保護(hù)步進(jìn)電機(jī)的目的。 綜上所述：步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于 位移取決于 矩大 小 則取決于參考電壓 小。 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 11 第六章 、實(shí)現(xiàn) 6.1 程圖 初 始 化讀 串 口 程 序 K 4 按 下 否 ?N“ 歡 迎 信 息 ! ” K 4 按 下 否 ?A D C 子 程 序 頻 率 設(shè) 定 子 程 序“ 1 . S e t f r e q u e n c y ? ”“ 2 . S e t m o d e ? ” K 4 按 下 否 ? 選 擇 子 程 序k e y 1 _ t e m p | | k e y 2 _ t e m 方 式 子 程 序執(zhí) 行 子 程 序 K 4 按 下 否 ?片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 12 序 代碼 /* #_#297_297_0F 0C 0_297_297_297_297_W 297_297_297_ /# #于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 13 # /半步工作 # /基本步距 # /工作方式字符串宏 # # # #+ #- #EI #LI #_#_#00 # 50 #0 /#1 2 3 4 # 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 14 #*束 )* /* n,vn,n1,n2,000,+,1,0=,0=,0=; 0=0=000000000,ky,; /*束 )* /* # 0if( /是否有鍵按下 ,無返回 0,有進(jìn)入 0; 1 ; 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 15 0; 2 ; 0; 3 ; 0; 4 ; ); /*束 )* /* # /方向寄存器 # /數(shù)據(jù)寄存器 #0 /0 #_H 0 /_L 0 /產(chǎn)生一個(gè)下降沿 _); /必須 =2_L; 0 /清高四位 ( /發(fā)送高四位 0x):(0x) ; 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 17 _6); /延時(shí) =15ms _ /=; _00); /=100us ; ; x,y, y0?(0x):(0x) ; x,y, y0?(0x):(0x) ; ),* ; 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 18 /清屏子函數(shù) ,0, ); /*束 )* /* #WM( /脈沖控制函數(shù) ; ; 000000/(10000)*(2*N) ; if(,0,.! ) ; ,0,.!) ; ; 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 19 /*束 )* /* # /半步工作方式 /兩相激磁基本步距 /297_1( ; n=0 / : ; : ; ,0,); /正反方向選擇 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 20 +: -: ,0,); ,0, ); / 式執(zhí)行子函數(shù) 297_2( ; / : ; : ; ,0,); /正反方向選擇 +: -: ,0,); n=n*2; /調(diào)用 /*束 )* 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 21 /* #*輸出比較匹配 */ /中斷服務(wù)程序 ，脈沖數(shù)、頻率控制 ） ; /脈沖計(jì)數(shù)器 ; /加速間隔 n)& ; /是否達(dá)到 /脈沖數(shù) ,是關(guān)閉 斷 if() (& /減速階段 if(*N) (=10000)? 10000 : ; /恒速階段 /*束 )* 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 22 /* # /頻率設(shè)定子函數(shù) ; /清屏 ,0,1000; ) ; if(4) ; if(2) =58)?1:() ; 000=10000)?1000:(000); if(3) 7:() ; if(1) (19)?0:(1) ; 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 28 ,0, ); /刷新光標(biāo)位置 if(4) ; ,0,.? ); ; /計(jì)算脈沖數(shù) !=4) ; / /測(cè)試 /; /; /) ,0,); /歡迎信息 ,1,; /作者信息 )!=4) ; /下否 ? ) ; /初始化關(guān)鍵變量 ; ,0,); /菜單信息 )!=4) ; /下否 , 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 29 ,1,); ; /脈沖速度 (頻率 )設(shè)定子函數(shù)調(diào)用 ; /清屏 ,0,); /設(shè)定模式 ? )!=4) ; /下否 ? ; /模式選擇子函數(shù)調(diào)用 ; /模式設(shè)定子函數(shù)調(diào)用 /設(shè)置完波型模式退出循環(huán) ; /工作方式子函數(shù)調(diào)用 ; /工作方式設(shè)定子函數(shù)調(diào)用 !=4) ; /*束 )* 基于 片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī) 控制 器 30 結(jié) 論 本文設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 ,應(yīng)用 和 98集成電路構(gòu)成。減少了少圍器件，可靠性高、占空間少、裝配成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過 設(shè)計(jì)周期和成本，獨(dú)到之處在于使用了液晶屏做為人機(jī)交互的界面，可以通過液晶屏顯示的信息知道當(dāng)前電機(jī)的狀態(tài) ； 并且使用單片機(jī)的相位相頻修正 沖源，可以方便的控制電動(dòng)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)過的角度并且精度較高。 脈沖頻率的 精度與單片機(jī)的 000000/f， 實(shí)際應(yīng)用時(shí)可將，精確度高的峰值固化在 由于本人當(dāng)前的知識(shí)水平有限，