摘要本文先介紹了混合式步進電機的結構和工作原理，分析了細分驅動對于改善步進電機運行性能的作用，論述了正弦波細分驅動可以實現等步距角、等力矩均勻細分驅動的原理，提出了一種基于H橋和其他分立元件分配脈沖的驅動技術，該方案可實現步進電機的單拍、半拍、雙拍三種工作方式。本文采用控制電路主要由AT89C51單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、液晶顯示電路組成，單片機是控制系統(tǒng)的核心。文中對整個系統(tǒng)的架構及硬件電路和驅動軟件的實現都做了詳細的介紹。關鍵詞單片機；正弦脈寬調制；混合式步進電機；細分驅動THEDESIGNOFSTEPPERMOTORCONTROLLERABSTRACTINTHISPAPER,THEWORKINGPRINCIPLEANDCONFIGURATIONOFTHREEPHASEHYBRIDSTEPPERAREINTRODUCED,THENBASEDONTECHNOLOGIESSUCHASSTEPPERMOTORCONTROLLER,PWMINVERTERANDMICROCONTROLLERINTHETHESIS,WEDEVELOPASINGLECHIPCOMPUTERBASEDDIGITALCONTROLLINGSYSTEMFORATHREEPHASEHYBRIDSTEPPERMOTORTHATISMAINLYCONSTRUCTEDFROMAAT89C51SINGLECHIPCOMPUTERANDST7920ICWHICHISUSEDASTHECOREOFCONTROLPARTSTHESYSTEMSWHOLEARCHITECTURE,THEDESIGNOFHARDWAREANDSOFTWAREAREINTRODUCEDINDETAILKEYWORDSMICROCONTROLLER，SPWM，HYBRIDSTEPPERMOTOR，MICROSTEPPINGDRIVER目錄1緒論11步進電機概述112步進電機的特征113步進電機驅動系統(tǒng)概述214課題研究的主要內容32步進電機驅動系統(tǒng)的方案論證521步進電機驅動系統(tǒng)簡介522步進電機驅動器的特點523混合式步進電機的驅動電路分類和性能比較6231雙極性驅動器與單極性驅動器6232單電壓驅動方式8233高低壓驅動方式9234斬波恒流驅動1024方案的確定113混合式步進電動機驅動控制系統(tǒng)硬件設計1231單片機最小系統(tǒng)1232紅外遙控電路13321紅外發(fā)射電路13322紅外接收電路1533LCD顯示電路1534雙機通訊1735步進電機驅動部分17351單極性步進電機驅動17352雙極性步進電機驅動1836電源電路194軟件設計2141主機LCD顯示菜單程序2142雙機通訊程序2243下位機步進電機驅動程序245驅動器試驗結果2551概述2552試驗內容和結論25總結27致謝28參考文獻291緒論11步進電機概述步進電機是一種將電脈沖信號轉換為角位移或直線運動的執(zhí)行機構，由步進電機及其功率驅動裝置構成一個開環(huán)的定位運動系統(tǒng)。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度即步距角。脈沖輸入越多，電機轉子轉過的角度就越多；輸入脈沖的頻率越高，電機的轉速就越快。因此可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度，從而達到調速的目的。步進電機種類，根據自身的結構不同，可分為常用三大類反應式VR，也稱磁阻式、永磁式PM，混合式HB。其中混合式步進電機兼有反應式和永磁式的優(yōu)點，它的應用越來越廣泛。12步進電機的特征步進電機具有自身的特點，歸納起來有（1）位置及速度控制簡便步進電機在輸入脈沖信號時，可以依輸入的脈沖數量做固定角度的旋轉而得到靈活的角度控制位置控制。因為速度和輸入脈沖的頻率成正比，運轉速度可在相當寬范圍內平滑調節(jié)。（2）可以直接進行開環(huán)控制因為步距誤差不長期累積，可以不需要速度傳感器以及位置傳感器，就能以輸入的脈沖數量和頻率構成具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)。（3）高可靠性不使用電刷，電機的壽命長，僅取決于軸承的壽命。（4）具定位保持力矩永磁式、混合式步進電機在停止狀態(tài)下無脈沖信號輸入時，仍具有勵磁保持力矩，故即使不靠機械式的剎車，也能做到停止位置的保持。（5）中低速時具備高轉矩步進電機在中低速時具有較大的轉矩，能夠較同級伺服電機提供更大的扭力輸出。同時，步進電機也有自己的一些缺點步進電機帶慣性負載的能力較差。1不能直接使用普通的交直流電驅動，而必須使用專用設備步進電機驅動器。2輸出轉矩隨轉速的升高而下降。3從應用的角度來看，嚴重制約步進電機的兩個問題是失步和振蕩。由于步進4電機在大多數情況下采用開環(huán)運行的方式，它的主要運行性能完全依賴于驅動器、負載和電機本身。有多種情況會產生失步，比如起動或停止頻率超過突跳頻率，電機高速運行的脈沖頻率超過了最大運行頻率，所帶負載轉矩超過了起動轉矩，共振等。通過改善驅動器的性能，可以減小運行中失步的可能。步進電機的低頻振蕩是另一個需要解決的問題。步進電機在極低頻率下做連續(xù)步進運行，即每改變一次通電狀態(tài)，轉子轉過一個步距角。如果阻尼較小，這種運動是一個衰減的振蕩過程，轉子是按自由振蕩頻率振蕩幾次才衰減到新的平衡位置而停止下來。每來一個脈沖，轉子都從新的轉矩曲線的躍變中獲得一次能量的補充，這種能量越大，振蕩越厲害。當脈沖頻率等于或者接近于電機的自由振蕩頻率時電機會出現嚴重的低頻共振，甚至失步導致無法工作。一般不允許在共振頻率下運行，從驅動器的方面來看，使用細分驅動技術可以有效的克服低頻共振的危害。13步進電機驅動系統(tǒng)概述步進電機的工作必須使用專用設備步進電機驅動器。驅動器針對每一個步進脈沖，按一定的規(guī)律向電機各相繞組通電勵磁，以產生必要的轉矩，驅動轉子運動。步進電機、驅動器和控制器構成了不可分割的3大部分。步進電機驅動系統(tǒng)的性能除與電機自身的性能有關外，在很大程度上取決于驅動器性能的優(yōu)劣。當電機和負載己經確定之后，整個驅動系統(tǒng)的性能就完全取決于驅動控制方法。步進電機驅動方式的發(fā)展先后有單電壓驅動、高低壓驅動、斬波恒流驅動、調頻調壓驅動和細分驅動等1單電壓驅動主要特點是結構簡單、成本低，通常在繞組回路中串接電阻，以改善電路的時間常數來提高電機的高頻特性。缺點是串接電阻將產生大量的熱，對驅動器的正常工作極其不利，尤其是在高頻工作時更加嚴重，因而它只適用于小功率或對性能指標要求不高的步進電機驅動。2高低壓驅動電機每相繞組導通時，首先施加高電壓，使電流快速上升，當電流上升到額定值時，將高電壓切斷，回路電流以低電壓電源維持。這種方式由于電流波形得到了很大改善，電機的矩頻特性較好，起動和運行頻率得到了較大提高。但由于電機旋轉反電勢、相間互感等因素的影響易使電流波形的頂部呈凹形，致使電機的輸出轉矩有所下降且需要雙電源供電。3斬波恒流驅動為了彌補高低壓驅動電路中電流波形的下凹，提高輸出轉矩，人們研制出斬波電路，采用斬波技術使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應增加，故電機的輸出轉矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而斬波恒流驅動應用相當廣泛。4調頻調壓驅動特點是施加在電機繞組的電壓隨工作頻率的變化作相應的改變，步進電機在低頻時工作在低壓狀態(tài)，減少能量的注入，從而抑制振蕩；在高頻時工作在高壓狀態(tài)，使電機有足夠的驅動力矩。因而系統(tǒng)效率、運行特性等都有了明顯改善。5細分驅動它是將電機繞組中的電流細分，由常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電。這樣，繞組中的電流經過若干個階梯上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。雖然細分驅動電路的結構比較復雜，但在不改變電機內部參數的情況下，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一，使步距角不再受電機結構和制造工藝的限制。由于繞組的電流變化幅度也大大減小，從而極大的改善步進電機運行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。近幾年來，由于微處理機技術的發(fā)展，細分驅動技術在驅動器中獲得了廣泛應用。14課題研究的主要內容本課題以設計一套基于單片機和步進電機細分控制技術的步進電機驅動器為主要目標，主要內容有1采用正弦脈寬調制技術、電流跟蹤技術和細分技術實現對電機相電流的控制，以克服傳統(tǒng)驅動技術下步進電機低速振動、存在共振現象、噪音大、高速轉矩小等缺點。2用開關電源為驅動器內部電路供電，減小驅動器的體積和重量，提高電源效率。3驅動器的采用分立元件組成單電壓驅動來驅動單極性步進電機用H橋驅動雙極性步進電機，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設計極為簡化。4控制電路主要由AT89C51單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器及液晶顯示芯片ST7920，單片機是控制系統(tǒng)的核心。采用了單排6鍵的鍵盤、液晶顯示芯片ST7920，該芯片能自動完成對顯示的刷新，自帶有中文字庫，使用非常方便。雙機通訊電路，該電路能大大節(jié)省主機CPU的開銷，提高了可靠性和電路的工作效率。2步進電機驅動系統(tǒng)的方案論證21步進電機驅動系統(tǒng)簡介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(tǒng)的性能，除與電機本身的性能有關外，也在很大程度上取決于驅動器的優(yōu)劣。典型的步進電機驅動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅動器和步進電機本體三部分組成。步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進電機驅動器驅動步進電機轉子旋轉一個步距角，即步進一步。步進電機轉速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低。控制器的方向信號決定步進電機的順時針或逆時針旋轉。通常，步進電機驅動器由邏輯控制電路、功率驅動電路、保護電路和電源組成。步進電機驅動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預先設定的電機通電方式產生步進電機各相勵磁繞組導通或截止信號。控制電路輸出的信號功率很低，不能提供步進電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅動器的功率驅動部分。功率驅動電路向步進電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉磁場，驅動轉子運動。保護電路在出現短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅動器和電機的運行。22步進電機驅動器的特點步進電機的驅動特點主要體現在以下幾個方面1各相繞組都是開關工作。多數電機繞組都是連續(xù)的交流或直流供電，而步進電機各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是斷續(xù)的。2步進電機各相繞組都是在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組通電時，電流上升受到限制，因此影響電機繞組電流的大小。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，結果使應該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設計適當的續(xù)流回路。繞組導通和截止過程都會產生較大的反電勢，而截止時的反電勢將對驅動器功率器件的安全產生十分有害的影響，使整個系統(tǒng)的使用受到影響。4電機運行時在各相繞組中將產生旋轉電勢，這些電勢的方向和大小將對繞組電流產生很大的影響。由于旋轉電勢基本上與電機轉速成正比，轉速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電機輸出轉矩隨著轉速升高而下降。5電機繞組中有電感電勢、互感電勢、旋轉電勢。這些電勢與外加電壓共同作用于功率器件。當其疊加結果使電機繞組兩端的電壓大大超過電源電壓時，使驅動器工作條件更為惡化。6混合式步進電機的繞組必須用雙極性電源供電，也就是說，繞組有時需通正向電流，有時需通反向電流。所以，根據以上的特點，步進電機的驅動器必須要保證步進電機繞組有足夠的電壓、電流和正確的波形，而且同時要保證驅動器功率放大器件安全運行，還應有較高的效率、較小的功耗、較低的成本，這就要求選用合適的功率器件合理設計線路。23混合式步進電機的驅動電路分類和性能比較與反應式和永磁式相比，混合式步進電機運行特性具有很多優(yōu)點，在國外已是步進電機系列的主流?；旌鲜讲竭M電機的驅動技術在發(fā)展和成熟的過程中出現過各種各樣的驅動電路拓撲結構和驅動方式。根據主電路結構的不同可分為單極性驅動、雙極性驅動、全H橋和多相橋驅動；根據驅動方式的不同又可分為單電壓驅動、高低壓驅動、斬波恒流驅動、調頻調壓驅動、電流細分驅動等。231雙極性驅動器與單極性驅動器混合式步進電機要求雙極性供電，也就是要求電機勵磁繞組有時通正向電流，有時通反向電流。在步進電機發(fā)展的初期，電子技術發(fā)展水平有限，為了簡化驅動電路，采用單極性電路。將電機繞組采取雙線并繞，一相繞組分成二相，其中之二正向通電，另一則反向通電，這樣可單極性供電而達到正、反向勵磁的目的圖1。最簡單的兩相電機單極性驅動電路，只要用四個功率開關管，結構簡單，成本低，電機的繞組在同一時間只能有一半通電，因此繞組的電感小，有利于電機的高速性能；缺點是每次只使用了繞組的一半，中低速運行時轉矩不如整個繞組勵磁的電機。而且電機引線過多，兩相電機需要六個引出端，三相電機需要9個引出端，五相電機則需要15個引出端，使得單極性驅動器與三、五相電機之間連線太復雜，因此僅用于兩相混合式步進電機。圖1單極性驅動電路隨著電子技術的發(fā)展，電子元器件價格的降低，雙極性驅動電路的實現變得容易，成本也增加不多，因此現在絕大多數混合式步進電機使用雙極性驅動。對電機繞組雙向供電的典型結構是H橋式電路，如圖2所示。當開關管T1，T4導通、T2，T3截止時，電流經T1、電機繞組和T4到地；TL，T4截止、T2，T3導通時，電流經T3、電機繞組和T2到地；可見電流方向相反。DL，D2，D3和D4四個二極管組成續(xù)流回路。電機每一相繞組需四只開關管驅動，驅動器成本比較高。電機的相數增多時，H橋式電路需要功率管數多的缺點較為突出，例如五相電機就需要20只功率管。圖2H橋驅動電路多相橋式電路，也叫多相半橋電路，這種電路比H橋減少了一半的晶體管，降低了驅動器的成本、體積和發(fā)熱。采用多相橋式電路時，電機相繞組間通常為星形或多邊形聯接，圖3是三相混合式步進電機繞組二種聯接的例子。星形接法時，二相繞組串聯起來一起跨接到功放電源上，每相繞組的端電壓大約只有功放級電壓的一半，因此系統(tǒng)運行的高頻特性和動態(tài)性能，比用H橋式驅動電路時低。如果想要獲得與H橋驅動相近的性能，則繞組的匝數應減半或加倍相繞組的電壓。電機繞組為三角形聯接時，功放橋的電壓直接加到每一相繞組上，相繞組的電壓較高，高頻運行及動態(tài)響應比星形接法時好，與H橋驅動時相接近。但由于二相繞組的電流同時流經一個功率管，每個開關管的電流最大時約為相電流的二倍，即為H橋驅動或星型接法驅動時的二倍。這兩種接法共同的特點在于，電機三相電流不是獨立可調的，根據基爾霍夫定理，電機三相電流必須滿足一個約束方程0CBAII圖3三相電機多相橋驅動的三角形和星形接法232單電壓驅動方式單電壓驅動方式是指步進電機繞組上加上恒定的電壓V，這種驅動方式的電路相當簡單，流經繞組中的電流以時間常數L/RL為繞組的電感，R為繞組的電阻上升，直到達到額定電流IV/R。當電機高速運行時，流經繞組的電流還未上升到額定電流就被關斷，相應的平均電流減少而導致輸出轉矩下降。為改善高速運行的電機轉矩特性，通常在連接電機繞組的線路中串聯一個無感電阻來減少電氣時間常數，同時成比例的增加電源電壓以保持額定電流不變圖4。單電壓驅動電路的優(yōu)點是電路結構簡單、元件少、成本低、可靠性高。缺點是串入電阻將加大功耗，降低功放電路的功率，必須具備相應的散熱條件才能保證電路穩(wěn)定可靠的工作。所以這種電路一般僅適合于驅動小功率步進電機或對步進電機運行性能要求不高的情況。圖4單電壓驅動233高低壓驅動方式為了改善驅動器的高頻特性，就必須提高導通電流的前沿，即提高電源電壓，但是電壓提高的同時也會使相繞組電流增大，必須加限制電阻，加入電阻后又會引起發(fā)熱，加劇功率的損耗，降低效率。為了解決這些問題，又產生了高低壓驅動電路。高低壓驅動的設計思想是不論電動機的工作頻率如何，在導通相的前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。高低壓驅動的原理線路如圖5所示。圖5高低壓驅動電路原理圖圖6斬波驅動電路原理圖1整形電路2脈沖分配器3控制門4高壓前置放大器5低壓前置放大器高低壓驅動可保證在很寬的頻段內繞組都有較大的平均電流，在截止時又能迅速釋放，能夠產生較大的且較穩(wěn)定的電磁轉矩。其優(yōu)點是功耗小，啟動轉矩大，高頻性能較好。但是也存在著低頻振蕩加劇，波形呈凹形，驅動電源和大功率管數量加倍，成本上升的缺點。234斬波恒流驅動恒流斬波驅動控制技術是目前步進電機控制的主流技術之一，斬波電路的出現是為了彌補高低壓驅動電路波形呈凹形的缺陷，使電機的輸出轉矩的平均值基本恒定。同時電機的高頻響應得以提高，共振現象減弱。其電路結構如圖6所示。斬波驅動中，雖然電路較復雜，但是由于驅動電壓較高，電機繞組回路又沒有串入電阻，整個系統(tǒng)功耗下降很多，所以電流上升快。當達到所需要的電流時，由于取樣電阻的反饋作用，使繞組電流基本恒定，從而保證在很大的頻率范圍內電動機的輸出轉矩基本恒定。而輸出轉矩是步進電機的一個重要性能指標，當我們使電機的繞組電流恒定在一個較高的數值時，就可提升電機的輸出轉矩。因此，為克服步進電機在高頻時牽出轉矩下降的問題，很多文獻提出了一些新的恒流斬波驅動設計。但是，恒流斬波技術不能解決步進電機本身所固有的低頻振動問題，無法克服步進電機因受步距角限制而不能實現多種步距角控制的缺陷。只有與單拍和雙拍運行時相對應的兩種步距角。24方案的確定對比上面的各種方案方案，各有各自的優(yōu)缺點。電流滯環(huán)型由于不需要三角載波環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)實現起來比較簡單。而固定開關頻率型在電磁噪聲和輸出電流諧波方面具有優(yōu)勢。在實際的步進電機驅動電路中考慮到成本和驅動電路精度要求的問題，雙極性步進電機采用H橋驅動，單極性步進電機采用分立元件構成的驅動電路驅動。3混合式步進電動機驅動控制系統(tǒng)硬件設計本章在以上章節(jié)的理論分析基礎上，充分從實踐的角度出發(fā)，主要介紹了該混合式步進電機驅動器的硬件設計部分，對硬件電路的總體設計方案及每個主要組成部分的功能及實現方法進行了詳細的論述和分析。系統(tǒng)的框圖如圖7所示主機遙控器液晶顯示從機步進電機圖7系統(tǒng)框圖31單片機最小系統(tǒng)單片機集成度高，具有豐富的內部資源，再加上少量的外圍擴展電路就可以構成體積小、可靠性高、控制功能強且性價比高的控制系統(tǒng)。INTEL公司一直致力于單片機的開發(fā)研究，不斷推出了許多功能更多，使用更方便的單片機系列，1980年在MCS48的基礎之上推出了完善的、典型的單片機系列MCS51。與MCS48系列相比，MCS51系列單片機有更高的集成度，更豐富的指令系統(tǒng)，更好的可擴展性，以后好多系列的的單片機都是基于51核的。8051單片機是MCS51系列單片機中最基礎的單片機型號，廣泛應用己各個工程領域。本系統(tǒng)便采用了此款單片機。圖8給出了它的最小系統(tǒng)電路圖。圖8單片機最小系統(tǒng)32紅外遙控電路紅外線屬于不可見光。與可見光不同，其波長為85011000NM，是人眼看不見的光線。紅外線遙控器已被廣泛使用在各種類型的家電產品上，它的出現給使用電器提供了很多的便利。紅外遙控系統(tǒng)一般由紅外發(fā)射裝置和紅外接收設備兩大部分組成。321紅外發(fā)射電路紅外發(fā)射裝置可由鍵盤電路、紅外編碼芯片、電源和紅外發(fā)射電路組成。該電路采用調幅方式，載波信號頻率采用最常用的38KHZ。當編碼調制信號為高時，有載波信號輸出；但編碼調制信號為低時，載波信號不輸出。已調制的信號為斷續(xù)的等幅信號（調制載波信號），信號波形如圖9所示。圖9信號波形圖調制信號時將指令編碼后輸出的信號。用MC145026做編碼器。電路原理圖如圖10所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE6JUN2008SHEETOFFILEGPRAYAYAV3MYDOCUMENTS業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)YXL業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)DDBDRAWNBY12345678161514131211109RP2RESPACK4213SW1213SW2213SW3213SW4213SW5213SW6213SW7213SW812345109876S1SWDIP5A11A22A33A44A55A/D66A/D77A/D88A/D99RS11CTC12RTC13TE14DOUT15VCC16GND8U1MC145026TRIG2Q3R4CVOLT5THR6DIS7VCC8GND1U3NE555Q19014Q29014L1PH303L2PH303BT1BATTERYBT2BATTERYDPNR110KR2200RR310KR410KR51KR61KR7100KR850KC15100PFC21000PFCP1CAPCP2CAPCP3CAP12J1POWERR1010KVCCVCCVCCVCCVCCVCC1112123134152637485910A9B7C6D14VCC16GND8NC15U274LS147SW6VVCCVCCRESETRESET5V圖10遙控器發(fā)射電路圖中74LS147是優(yōu)先編碼器。從8條數據線（2SW12SW8）輸入的開關狀態(tài)信號被74LS147編碼為4線BCD碼（8421），再送MC145026，形成串行編碼信號輸出到NE555，產生調制、載波輸出。圖中R1，C2和電位器D1配合NE555產生38KHZ的載波信號。MC145026發(fā)送串行編碼脈沖。MC145026的引腳A1A5為地址輸入端，每一位都可設定為0，1和“開路”3個狀態(tài)。圖中僅采用了0和“開路”這兩個狀態(tài)，MC145026的地址設置應與解碼器MC145027配對，否則不能解碼。紅外發(fā)射電路板用4節(jié)5號電池供電。紅外發(fā)射電路板到接收器（在主板上）的距離應在10M以內，以保證信號的可靠收/發(fā)。322紅外接收電路紅外接收設備可由紅外接收電路、紅外解碼芯片、電源和應用電路組成。接收振蕩頻率應與發(fā)射振蕩頻率相同?？紤]到用集成電路（HS0038A2）做紅外接收頭，其載波頻率為38KHZ。與MC145026編碼器配套的解碼器為MC145027。接收電路原理圖如圖11所示圖11遙控器接收電路圖中HS0038A2是集成紅外接收頭。因為它的輸出信號與解碼器的輸入信號反向，故加三極管Q1作為反相器。當MC145027收到信號并解碼成功后，其VT端出現高電平，同時輸出解碼后的4位數據（HD0HD3）。將VT信號反向，即可產生中斷信號（INT0），向CPU申請中斷。在中斷服務子程序中安排從輸入端口讀取這4位數據（HD0HD3）。33LCD顯示電路ST7920是臺灣矽創(chuàng)電子公司生產的中文圖形控制芯片，它是一種內置1286412漢字圖形點陣的液晶顯示控制模塊，用于顯示漢字及圖形。該芯片共內置8192個中文漢字（1616點陣）、128個字符的ASCII字符庫（816點陣）及64256點陣顯示RAM（GDRAM）。為了能夠簡單、有效地顯示漢字和圖形，該模塊內部設計有2MB的中文字型CGROM和64256點陣的GDRAM繪圖區(qū)域；同時，該模塊還提供有4組可編程控制的1616點陣造字空間；除此之外，為了適應多種微處理器和單片機接口的需要，該模塊還提供了4位并行、8位并行、2線串行以及3線串行等多種接口方式。利用上述功能可方便地實現漢字、ASCII碼、點陣圖形、自造字體的同屏顯示，所有這些功能（包括顯示RAM、字符產生器以及液晶驅動電路和控制器）都包含在集成電路芯片里，因此，只要一個最基本的微處理系統(tǒng)就可以通過ST7920芯片來控制其它的芯片。ST7920的主要技術參數和顯示特性如下電源VDD2755V5V內置升壓電路，一般無需負壓；功耗正常模式450，睡眠模式3A，低功耗模式30A；顯示內容128列64行；顯示顏色黃綠；顯示角度600鐘直視；LCD類型STN；與MCU接口8位并行3位串行；配置有LED背光顯示功能；帶有自動啟動復位按鈕RESET；軟件功能設置畫面清除、光標顯示隱藏、光標歸位、顯示打開關閉、顯示字符閃爍、光標移位、顯示移位、垂直畫面旋轉、反白顯示、液晶睡眠喚醒、關閉顯示、自定義字符、睡眠模式等。原理圖如圖12所示圖12顯示電路原理圖34雙機通訊在計算機冗余控制和分布式測控系統(tǒng)中，主要采用串行通信方式進行數據傳輸。8051單片機自備串行接口，為機間通信提供了極為便利的條件。雙擊通信也稱為點對點的通信，用于雙機冗余控制單片機和單片機之間交換信息，也用于單片機和通用微機間的信息交流。在本設計中由于液晶顯示占用了80C51的大量資源，考慮到端口擴展與存儲器擴展的成本問題，采用雙機通信既方便又實惠。硬件電路原理圖如圖13所示圖13雙機通訊電路原理圖35步進電機驅動部分351單極性步進電機驅動單極性步進電機單相驅動電路原理圖如圖14所示圖14單極性步進電機驅動電路AT89C2051將控制脈沖從P1口的P14P17輸出，經74LS14反相后進入9014，經9014放大后控制光電開關，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號進行電壓和電流放大，驅動步進電機的各相繞組。使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉、反轉、加速、減速和停止等動作。圖中L1為步進電機的一相繞組。AT89C2051選用頻率12MHZ的晶振，選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小AT89C2051對上位機脈沖信號周期的影響。圖3中的RL1RL4為繞組內阻，50電阻是一外接電阻，起限流作用，也是一個改善回路時間常數的元件。D1D4為續(xù)流二極管，使電機繞組產生的反電動勢通過續(xù)流二極管（D1D4）而衰減掉，從而保護了功率管TIP122不受損壞。在50外接電阻上并聯一個200F電容，可以改善注入步進電機繞組的電流脈沖前沿，提高了步進電機的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯的200電阻可減小回路的放電時間常數，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時間變小，也起到提高高頻工作性能的作用。352雙極性步進電機驅動單相驅動電路如圖15所示圖15雙極性步進電機驅動電路圖中A0A3為一對控制線圈電流的一個方向，A2A4為一對控制線圈電流的另一個方向。36電源電路LM2575系列是美國國家半導體公司生產的3A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓電路，它內含固定頻率振蕩器（52KHZ）和基準穩(wěn)壓器（123V），并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩(wěn)壓電路。LM2575系列開關穩(wěn)壓集成電路的主要特性如下最大輸出電流3A；最高輸入電壓LM2575為40V，LM2575HV為60V；輸出電壓33V、5V、12V、15V和ADJ（可調）等可選；振動頻率52KHZ；轉換效率7588（不同電壓輸出時的效率不同）；控制方式PWM；工作溫度范圍40125工作模式低功耗/正常兩種模式可外部控制；工作模式控制TTL電平兼容；所需外部元件僅四個（不可調）或六個（可調）；器件保護熱關斷及電流限制；封裝形式TO220或TO263。LM2575內部包含52KHZ振蕩器、123V基準穩(wěn)壓電路、熱關斷電路、電流限制電路、放大器、比較器及內部穩(wěn)壓電路等。為了產生不同的輸出電壓，通常將比較器的負端接基準電壓（123V），正端接分壓電阻網絡，這樣可根據輸出電壓的不同選定不同的阻值，其中R11K（可調ADJ時開路），R2分別為17K（33V）、31K（5V）、884K（12V）、113K（15V）和0（ADJ），上述電阻依據型號不同已在芯片內部做了精確調整，因而無需使用者考慮。將輸出電壓分壓電阻網絡的輸出同內部基準穩(wěn)壓值123V進行比較，若電壓有偏差，則可用放大器控制內部振蕩器的輸出占空比，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。硬件電路如圖16所示圖16電源電路4軟件設計41主機LCD顯示菜單程序開始選擇步進電機極性選擇步進電機工作方式確定啟動選擇2雙極性ORDERNUM1選擇1單極性ORDERNUM0選擇1單拍WORKNUM0選擇2半拍WORKNUM1選擇3半拍WORKNUM2選擇1正轉RUNFLAG0RUNPATH0選擇2反轉RUNFLAG0RUNPATH1選擇3停止RUNFLAG1選擇4加速選擇5減速RUNFLAG是否為0RUNFLAG是否為0與從機通訊否否取消取消DELAYTIME減小50DELAYTIME增加50圖17主機LCD顯示菜單程序42雙機通訊程序設置波特率啟動定時器1設串行口工作模式發(fā)送請求“AA”B機允許發(fā)送指針初始化校驗清零發(fā)送一個數據字節(jié)并求校驗和數據塊已發(fā)送完發(fā)送檢查和B站接收正確返回NNN圖18發(fā)送程序圖19接收程序43下位機步進電機驅動程序開始與主機通訊獲得運行參數啟動步進電機并等待中斷確定中斷改變的參數RUNFLAG變?yōu)?RUNPATH反向DELAYTIME改變停止電機轉動停止電機轉動，并等待中端延時1S中斷程序中斷程序圖20從機程序圖21從機中斷程序5驅動器試驗結果這章節(jié)主要是列出幾組所測試的混合式步進電機驅動器的相關波形圖，以及一些主要的分析結果。介紹了驅動器的控制面板并用圖片展示了所做的驅動器的外殼和內部電路板結構?？傊畯母鞣矫孑^詳細的說明了所研制的驅動器的性能特點。51概述這部分主要是對該二相混合式步進電機驅動器的性能進行測試，檢測它是否能完成設定的一些任務，是否能達到預定的技術指標。主要測試內容包括工作電壓范圍檢測；工作電流范圍檢測；電機正/反轉經測試論證，結果表明該驅動器基本滿足設定的功能要求，性能良好。實驗儀器1兩相混合式步進電動機本體實物圖如下圖22所示。圖22二相混合式步進電動機本體2高性能二相混合式步進電機驅動器3UTB數字萬用表46A直流電源，生產廠家石家莊無線電十廠5直流電流表，生產廠家上海第二電表廠6TDS220示波器，生產廠家TEKTRONIX52試驗內容和結論1工作電壓范圍檢測調節(jié)系統(tǒng)輸入電壓，觀察電路各部分能否正常工作，方法就是用萬用表測試供電電路主要元器件的電壓輸出。測試結果表明，當系統(tǒng)輸入電壓為12V50V時，電機空載運轉正常，系統(tǒng)中的各種電源工作可靠，符合系統(tǒng)預設要求。2工作電流范圍檢測測試結果表明電機工作電流在5A以下均能正常工作。3驅動方向檢測由遙控器通過控制菜單發(fā)出正/反轉運行指令，電機能按照指令要求以正確的方向運行?？偨Y1、本文所做的主要工作總結如下1理論方面對主要的幾種步進電動機的結構、工作原理和優(yōu)缺點及步進電動機的應用和研究概況進行了總結。重點對四相式步進電機，研究了它的結構特點、運行特性和數學模型的建立。對步進電機傳統(tǒng)的和新型的各種驅動方式進行了分析和比較。2硬件方面很好地運用了單片機和可編程邏輯器件進行控制，運用光電隔離、提高了電路的抗干擾能力。對整個系統(tǒng)的軟件也進行了優(yōu)化設計。3通過外部遙控器輸入正/反轉運行信號和不同的運行方式信號對系統(tǒng)性能進行測試，得出相應的結論。2、本論文的一些創(chuàng)新之處1采用遙控器進行運行方式的控制。2能控制單極性跟雙極性兩種步進電機。3系統(tǒng)無論是在硬件還是軟件系統(tǒng)中都采用模塊化的設計方法。這使得系統(tǒng)擴展起來比較方便，系統(tǒng)可移植性高，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，具有廣泛的適應性。致謝本設計是在張懷宇老師的精心指導下完成的，在設計過程中，老師提供了大量的設計資料，給予了無微不至的關懷與幫助。從她那里，我感覺不僅僅學到的是專業(yè)知識，還學習到了工作的態(tài)度以及對事業(yè)的追求，這將對以后出身社會，參加工作起著非常重要的作用。她引導著我走向理想的彼岸，向著成功的高峰不斷進取，克服一個有又一個挫折，直奔喜悅的大堂。在此，向他們以及支持和幫助過此次設計編寫的人表示衷心的感謝。最后還要感謝大學三年來所有的老師，為我們打下電氣專業(yè)知識的基礎；同時還要感謝所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設計才會順利完成。最后感謝宜賓技術學院學院三年來對我的大力栽培。參考文獻1孫孝年淺析步進電機驅動器與步進電機的相互關系J世界電子元器件,1999,336372王曉明電動機的單片機控制M北京北京航空航天大學出版社，200253趙影電機與電力拖動M北京國防工業(yè)出版社，200674孫建忠，白鳳仙特種電機及其控制M北京中國水利水電出版社，20055周明安，朱光忠，宋曉華等步進電機驅動技術發(fā)展及現狀J機電工程技術，2005,34216176王鴻枉步進電機控制技術入門M上海同濟大學出版社，199071927王衛(wèi)，馮培松一種新穎的三相混合式步進電機驅動器的設計J電工技術，1995,120228趙奉先提高步進電機運行速度的研究儀表技術與傳感器，2000,245469王宗培，趙書韜，任雷等混合式步進電機的研究一J電工技術雜志，199