電氣工程及其自動化畢業(yè)設(shè)計(jì)步進(jìn)電動機(jī)的微機(jī)控制

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)的微機(jī)控制</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)是一種以脈沖信號為控制信號，以步進(jìn)方式來運(yùn)動的電機(jī)。在國外，一般

3、稱為Stepping motor或者stepper motor。步進(jìn)電機(jī)具有啟停快速、步進(jìn)精確、能直接接收數(shù)字信號的特點(diǎn)，在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。為了使步進(jìn)電機(jī)能夠更加良好地發(fā)揮出自身的特性，對于步進(jìn)電機(jī)的研究一直都在進(jìn)行。這其中，以單片機(jī)為控制核心的控制方式不論在控制的效果、本身的性能還是制作的成本等方面上都顯示出了很強(qiáng)的優(yōu)勢。并且，這種控制方法在軟件和硬件上的研究都出現(xiàn)了一系列的成果。比如驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，控制理論的發(fā)展還有單片機(jī)

4、的發(fā)展等。在現(xiàn)代社會的生產(chǎn)中，越來越重視生產(chǎn)力和生產(chǎn)方式的發(fā)展，其中自動化生產(chǎn)以其高效，便捷，安全，精確等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用在各種領(lǐng)域。而單片機(jī)則以自身的優(yōu)點(diǎn)成功地被應(yīng)用在自動化系統(tǒng)中。</p><p>　　本文首先介紹了步進(jìn)電動機(jī)的一些基本常識，包括特點(diǎn)、分類、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理等。其次著重介紹了三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和三種工作方式。然后，介紹了部分單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的原理和方式。最后通過分析一個(gè)單片機(jī)控制的步進(jìn)

5、電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)來了解單片機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)。本文以介紹的方式加深了人們對步進(jìn)電機(jī)以及單片機(jī)控制系統(tǒng)的了解，并發(fā)掘它們的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)； 原理； 特性； 工作方式； 單片機(jī)控制 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Stepping motors is a pulse sign

6、al for control signal to stepping motor way to exercise. In a foreign country, which generally called Stepping stepper which or. Stepping motor have a start-stop fast, stepping accurate and can directly receive digital s

7、ignal characteristics, in all walks of life widely applied. In order to make the stepping motor can more good to play out of its own characteristics, for stepping motor research has been going on. Among them, the MCU as

8、control core control mode no </p><p>　　This paper firstly introduces the stepping motor some basic knowledge, include features, classification, structure, operation principle, etc. Secondly introduces 3-phas

9、e reaction stepping motor structure, working principle and three way to work. Then, this paper introduces microcontroller control part of the stepper motor principle and ways. Finally by analyzing a single-chip microcomp

10、uter control stepping motor speed control system to understand the advantages of single-chip microcomputer contr</p><p>　　keywords ：Stepping motor; Principle; Character; Working way; Single-chip microcompute

11、r control </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3

12、 論文研究的目的2</p><p>　　第2章 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)、分類3</p><p>　　2.1 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)3</p><p>　　2.2 步進(jìn)電機(jī)的分類3</p><p>　　第3章 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理4</p><p>　　3.1 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)4</p

13、><p>　　3.2 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理和方式5</p><p>　　3.2.1 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理5</p><p>　　3.2.2 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的三種工作方式6</p><p>　　第4章 單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的研究11</p><p>　　4.1單片機(jī)對控制脈沖的分配11<

14、/p><p>　　4.2 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速14</p><p>　　4.3 單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的加減速15</p><p>　　4.4單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的位置16</p><p>　　第5章 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)越性17</p><p>　　5.1 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)速實(shí)例17<

15、/p><p>　　5.2 對單片機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)越性的分析21</p><p><b>　　總結(jié)24</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p><b>　　附錄26</b>&

16、lt;/p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　在現(xiàn)代社會的生產(chǎn)發(fā)展中，人們對于生產(chǎn)過程的精密程度要求越來越高，而生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的廠商對產(chǎn)品的精密工作的能力越來越重視，因?yàn)檫@已經(jīng)極大的影響到生產(chǎn)出的機(jī)械設(shè)備在與其他同類型設(shè)備在市場上的競爭中能否獲得勝

17、利。發(fā)達(dá)國家對于這樣的精密生產(chǎn)加工尤其重視，產(chǎn)品的改革創(chuàng)新與生產(chǎn)的擴(kuò)大與發(fā)展都與之密切相關(guān)。而在生產(chǎn)過程中設(shè)備的精密定位是設(shè)備能否進(jìn)行精密工作的關(guān)鍵。步進(jìn)電動機(jī)便是這精密定位系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)也被稱為階躍式電動機(jī)和脈沖式電動機(jī)。在國外，一般稱為Stepping motor或者stepper motor。它的使用已經(jīng)有80多年的歷史了。步進(jìn)電機(jī)是把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或

18、者直線位移的機(jī)電元件，是一種的數(shù)字控制的電動機(jī)。它實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于單相或者多相的同步電機(jī)，當(dāng)?shù)玫揭粋€(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)會轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，或者前進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)由于運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速，停止僅僅受到給定的脈沖信號的頻率和數(shù)量的影響，而且，步進(jìn)電機(jī)只有周期的誤差卻不會產(chǎn)生誤差的積累，運(yùn)行精度很高。在調(diào)速時(shí)，只需改變輸入脈沖的頻率和數(shù)量就可對步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)啟停、正反轉(zhuǎn)的控制，這是步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。[1]</p><p>　　因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)

19、具有啟停快速、步進(jìn)精確、能直接接收數(shù)字信號的特點(diǎn),所以它在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用范圍很廣。并且由于現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展對于精密加工的要求越來越高，加上現(xiàn)在的步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動技術(shù)在電力電子、微電子、微處理器等技術(shù)的發(fā)展的推動下飛速發(fā)展，使步進(jìn)電動機(jī)能更加廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代社會的各種自動化生產(chǎn)設(shè)備與系統(tǒng)當(dāng)中。并且由于步進(jìn)電動機(jī)在計(jì)算機(jī)及其附帶產(chǎn)品中的不可替代的作用。使得步進(jìn)電動機(jī)的需求量隨著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展而得到飛速的提升，極大地促進(jìn)了步進(jìn)電動機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

20、。比如打印機(jī)，存儲設(shè)備等都出現(xiàn)了步進(jìn)電動機(jī)的身影。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　對于步進(jìn)電機(jī)的研究，國內(nèi)外早已有之。在早期的步進(jìn)電動機(jī)的生產(chǎn)中，一些公司只能生產(chǎn)一些特殊用途的步進(jìn)電動機(jī)，導(dǎo)致很少有人愿意使用，因此當(dāng)時(shí)的步進(jìn)電動機(jī)的產(chǎn)量很低，使用量也很低。直到1975年前后，由于步進(jìn)電動機(jī)在計(jì)算機(jī)終端機(jī)的外圍設(shè)備，查詢機(jī)器等等辦公設(shè)備的大量使用，使得當(dāng)時(shí)

21、的步進(jìn)電動機(jī)的產(chǎn)量大大增加，也極大的促進(jìn)了步進(jìn)電動機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)然，對于步進(jìn)電動機(jī)在這些方面的大量使用，也是因?yàn)椴竭M(jìn)電動機(jī)比較適合工作在斷續(xù)的狀態(tài)，還有就是步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路的發(fā)展。比如其中驅(qū)動電路的元器件—晶體管，集成芯片等技術(shù)的發(fā)展，使得生產(chǎn)成本得到下降，步進(jìn)電動機(jī)的整體價(jià)格也隨之下降。[3]</p><p>　　在步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展歷史上，產(chǎn)生了很多種控制方案，也產(chǎn)生了許多的驅(qū)動技術(shù)。就控制方案來說，有基于

22、電子電路的控制方案，有基于單片機(jī)的控制方案，也有基于PLC的控制方案。這里，對于這三種控制方案，我們進(jìn)行簡單的了解。</p><p>　　1.基于電子電路的控制方案：控制步進(jìn)電動機(jī)加減速，正傳反轉(zhuǎn)所需的脈沖的產(chǎn)生、分配全部都是由電子元器件來完成。要對步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)較好的控制，便要對脈沖進(jìn)行放大的處理。因此，在這控制電路中必須要有對脈沖進(jìn)行功率放大的驅(qū)動電路。這樣設(shè)計(jì)出來的控制電路結(jié)構(gòu)簡單，并且功能較強(qiáng)大，對

23、于一般的步進(jìn)電動機(jī)的控制都可以實(shí)現(xiàn)，而且成本低，實(shí)用性較強(qiáng)。但是它的缺點(diǎn)是控制精度不是很高，并且由于使用時(shí)大多會采用集成電路的形式來使用，導(dǎo)致控制功能相對單一，不能輕易變動。</p><p>　　2.基于單片機(jī)的控制方案：采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電動機(jī)的方法，使控制結(jié)合了軟件與硬件，對于步進(jìn)電動機(jī)的控制效果大大增加，使步進(jìn)電動機(jī)的性能也得到極大的提高。由于單片機(jī)的強(qiáng)大的性能，可以簡化步進(jìn)電動機(jī)的控制過程，對步進(jìn)電動機(jī)

24、實(shí)現(xiàn)自動化控制，也可以使步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行精度得到提高，使步進(jìn)電動機(jī)本身性能得到提高。</p><p>　　3.基于PLC的控制方案：可編程控制器（PLC），它的本身有很多優(yōu)點(diǎn)，實(shí)用性強(qiáng)，硬件設(shè)施完善，簡單易學(xué)，運(yùn)行可靠。因此，在自動控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。通過PLC來控制步進(jìn)電動機(jī)可以省掉對步進(jìn)電動機(jī)的專用驅(qū)動設(shè)備，減少硬件的成本，但是由于PLC本身的一些限制，使步進(jìn)電動機(jī)不能在高頻的條件下運(yùn)行，且不能實(shí)現(xiàn)高速控

25、制，而且在速度較高的情況下步進(jìn)電機(jī)的控制精度會降低。</p><p>　　這些控制方案都各有優(yōu)缺點(diǎn)，能較好的適應(yīng)現(xiàn)代社會中不同生產(chǎn)環(huán)境的需求，也能較好的發(fā)揮步進(jìn)電動機(jī)的優(yōu)良特性。當(dāng)然，在這些控制方案中，使用單片機(jī)控制的方案相對的實(shí)用性和對步進(jìn)電機(jī)的控制性能更加突出，所以本設(shè)計(jì)的控制方式采用了單片機(jī)控制。</p><p>　　我國在步進(jìn)電動機(jī)的使用方面，主要以反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為主。在控制系統(tǒng)

26、方面，步進(jìn)電動機(jī)有開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)，和半閉環(huán)控制系統(tǒng)三種。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)在使用過程中需要增加比如反饋部件，控制部件，檢測部件等，對于使用成本大大增加，與步進(jìn)電動機(jī)價(jià)格相對較低的優(yōu)點(diǎn)不符，所以，在實(shí)際的步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)用當(dāng)中使用較少。而開環(huán)控制系統(tǒng)相對簡單，使用較為容易，使用時(shí)所需的成本較低，較為廉價(jià)所以在實(shí)際生產(chǎn)生活中，使用開環(huán)控制系統(tǒng)較為常見。比如步進(jìn)電動機(jī)在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。對于數(shù)控系統(tǒng)來說步進(jìn)電動機(jī)時(shí)不可缺

27、少的重要部件。以單片機(jī)控制系統(tǒng)作為對步進(jìn)電動機(jī)的控制方式，再以步進(jìn)電動機(jī)作為控制的執(zhí)行部件，這樣的組合結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，非常適合在相對要求經(jīng)濟(jì)節(jié)約的數(shù)控系統(tǒng)中使用。而且在使用中配上其他的一些檢測，反饋控制的部件，就可以進(jìn)行精度較高的工作。</p><p>　　在驅(qū)動技術(shù)方面，也產(chǎn)生了單電壓驅(qū)動，以改變電路中的時(shí)間常數(shù)來提高步進(jìn)電機(jī)的高頻特性的方式；高低壓驅(qū)動技術(shù)，加大繞組的電流來控制電機(jī)的出力；恒流斬波驅(qū)動技術(shù)

28、，使用斬波的技術(shù)，改變流過繞組的電流波形，使電流的有效值增加，來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，僅僅改變相應(yīng)繞組的部分電流得到對步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制。國內(nèi)外對步進(jìn)電機(jī)的研究越發(fā)完善，性能越來越強(qiáng)，可以看出步進(jìn)電機(jī)的的發(fā)展前景非常廣闊，對步進(jìn)電機(jī)的研究也顯得非常重要。</p><p>　　1.3 論文研究的目的</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的研究目的是加深人們對于步進(jìn)電機(jī)的了解，包括步進(jìn)電

29、機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)，工作原理與工作特性。著重了解反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作方式與工作原理。最后對于步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速在單片機(jī)控制方式下進(jìn)行介紹了解與分析研究，論證單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的方式存在的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　第2章 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)、分類</p><p>　　2.1 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)有以下這些特點(diǎn)：</p>&

30、lt;p>　　1、步進(jìn)電動機(jī)具有良好的跟隨性，轉(zhuǎn)動過程中不會產(chǎn)生誤差積累。</p><p>　　2、步進(jìn)電動機(jī)的輸入脈沖與轉(zhuǎn)動的角度嚴(yán)格成正比，同樣步進(jìn)電動機(jī)的輸入脈沖的頻率也嚴(yán)格與它的轉(zhuǎn)速成正比。</p><p>　　3、步進(jìn)電動機(jī)和它的驅(qū)動系統(tǒng)可以組成簡單、廉價(jià)的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　　4、步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)較好，對于啟動、停止、正反轉(zhuǎn)以及變

31、速的控制較容易，且在停止時(shí)存在自鎖現(xiàn)象。</p><p>　　5、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動時(shí)，不能直接使用交流或者直流電源，只能使用脈沖電源來驅(qū)動。</p><p>　　6、步進(jìn)電動機(jī)工作時(shí)會有失步和震蕩的現(xiàn)象，需采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。</p><p>　　7、步進(jìn)電動機(jī)的帶慣性負(fù)載能力相對較差，且在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大的噪聲和振動。</p><p>　　

32、8、步進(jìn)電動機(jī)在低速運(yùn)行的情況下也可以獲得較大的轉(zhuǎn)矩，可以在很寬的范圍內(nèi)對速度進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，因此可以直接驅(qū)動負(fù)載而不用減速裝置。</p><p>　　2.2 步進(jìn)電機(jī)的分類</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的種類有很多，有機(jī)械式，電磁式，組合式。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中通常情況下的分類是按照它的轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行的。</p><p>　　永磁式步進(jìn)電動機(jī)（PM型）</p&

33、gt;<p>　　PM（Permanent Magnet，永久磁鐵）型轉(zhuǎn)子為內(nèi)轉(zhuǎn)子的永磁式步進(jìn)電動機(jī)。轉(zhuǎn)子本身為永磁材料，可作為磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的一樣，所以一般來說步矩角比較大。永磁式步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較大，動態(tài)性能良好。相比反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來說，永磁式功率消耗較低。不過在啟動時(shí)，運(yùn)行的頻率較低，需要正負(fù)脈沖信號的供給。</p><p>　　2. 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)（VR型）</p>

34、<p>　　反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子由硅鋼片或者電工純鐵棒等軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子外表面多齒狀結(jié)構(gòu)，而轉(zhuǎn)子中沒有繞組（轉(zhuǎn)子的齒槽在轉(zhuǎn)動過程中磁阻會發(fā)生變化，因此被稱為變磁阻電機(jī)，簡稱VR）。在它運(yùn)行時(shí)，定子線圈通電，定子的磁極產(chǎn)生磁化，吸引轉(zhuǎn)子齒從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)移動。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)較為簡單，因此生產(chǎn)成本相對較低，可以把步矩角做到很小，但是缺點(diǎn)是動態(tài)性能較差。</p><p>　　混合式步進(jìn)電動

35、機(jī)（HB型）</p><p>　　混合式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)合了反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)和永磁式步進(jìn)電動機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它即有永磁式步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)，也有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步鉅角較小的優(yōu)點(diǎn)。不過它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，使用的成本較高。</p><p>　　由于反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的性價(jià)比相對較高，因此在很多領(lǐng)域中，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)得到廣泛的應(yīng)用，尤其在單片機(jī)控制系統(tǒng)中。</p>&

36、lt;p>　　下面我就著重介紹反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。</p><p>　　第3章 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理</p><p>　　3.1 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　下面是一個(gè)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖：</p><p>　　圖3.1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)</p><p&

37、gt;　　在上圖中我們可以看出，三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)分為轉(zhuǎn)子和定子兩個(gè)部分，它以硅鋼片疊成定子。在定子的鐵心上有6個(gè)大齒，它們的形狀相同，且在每個(gè)大齒上都纏繞著一個(gè)線圈，兩個(gè)相對的大齒為一對，共有3對大齒，每兩個(gè)大齒之間有60°的夾角。這樣的一對大齒上纏繞的線圈串聯(lián)起來就是一相的繞組。這樣的3對大齒就形成3個(gè)繞組。這樣我們可以得出，四相步進(jìn)電動機(jī)就有4個(gè)繞組，五相步進(jìn)電動機(jī)就有5個(gè)繞組……在每個(gè)大齒的內(nèi)表面又均勻分布著多個(gè)小齒

38、，這些小齒的大小相同，它們之間的間距也相同。</p><p>　　轉(zhuǎn)子是圓柱形鐵心形狀的，制作的材料則是軟磁材料，在它的外表面也有和定子磁極上的小齒相同的小齒均勻分布著，它們間距一樣，外形也相似。</p><p>　　兩種小齒的間距都相同，大小形狀也相同，所以，不論轉(zhuǎn)子還是定子上的小齒，它們的齒距角度都可以用下面的公式來計(jì)算，其中的Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。</p><p>

39、<b>　　（3-1）</b></p><p>　　如，轉(zhuǎn)子的小齒數(shù)量為50，那么齒距角就是 </p><p>　　在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意轉(zhuǎn)子的齒數(shù)要能被2整除卻不能被相數(shù)整除，當(dāng)對某一相的繞組進(jìn)行通電，轉(zhuǎn)子自由轉(zhuǎn)動時(shí)，這一相的大齒上附著的小齒就會把轉(zhuǎn)子上相近的小齒吸引過來，使得電動機(jī)轉(zhuǎn)動，直到定子上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒位置對齊為止。而其他幾個(gè)大齒上的小齒則和轉(zhuǎn)子上的小齒

40、錯(cuò)開，形成錯(cuò)齒位，并且要求達(dá)到1/3的齒距。步進(jìn)電動機(jī)能夠正常旋轉(zhuǎn)，就必須要產(chǎn)生錯(cuò)齒，這是前提條件。所以，錯(cuò)齒的結(jié)構(gòu)在步進(jìn)電動機(jī)中必須存在。</p><p>　　反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)是以電磁力來作為電機(jī)運(yùn)動的動力的。轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下被推到最小磁阻也就是最大磁導(dǎo)率的位置，即定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒的位置對齊的時(shí)候，且這時(shí)轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)（如圖3.2 （1）所示）。在三相步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，某一相的磁極達(dá)到最大的磁導(dǎo)率的位置

41、時(shí)，其余的兩相磁極一定沒有達(dá)到最大磁導(dǎo)率的位置，也就是定子小齒和轉(zhuǎn)子小齒位置不對其的時(shí)候（如圖3.2 （2）所示）。</p><p>　　圖3.2 磁導(dǎo)現(xiàn)象表現(xiàn)于定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒之間</p><p>　　3.2 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理和方式</p><p>　　3.2.1 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理</p><p>　　下面是對反

42、應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行原理的分析：</p><p>　　要使電動機(jī)轉(zhuǎn)動，則要對錯(cuò)齒狀態(tài)的那一相通電，然后，在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子便會轉(zhuǎn)動向磁阻最小或者磁導(dǎo)率最大的位置轉(zhuǎn)動，即，轉(zhuǎn)動會趨向?qū)X的狀態(tài)，正是基于這樣的原理，步進(jìn)電動機(jī)才能轉(zhuǎn)動起來。</p><p>　　下面，我們可以通過下面的圖形（圖3.3）來進(jìn)一步了解步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理。</p><p>　　圖3.3

43、步進(jìn)電動機(jī)的工作原理圖</p><p>　　當(dāng)開關(guān)Ka閉合時(shí)，A相的繞組得電，從而使得A相的磁場建立，A相上定子磁極上的小齒同轉(zhuǎn)子上的小齒相對，形成對齒，而在B相與C相上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒則形成錯(cuò)齒。</p><p>　　同理，斷開開關(guān)Ka，閉合開關(guān)Kb，使得B相繞組得電，并建立成磁場。此時(shí)B相的小齒與轉(zhuǎn)子小齒處于錯(cuò)齒狀態(tài)，而轉(zhuǎn)子將會在電磁力的作用下轉(zhuǎn)動，直到轉(zhuǎn)子與B相形成對齒的位置為止

44、。之后，三相定子與轉(zhuǎn)子的狀態(tài)分別是：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動了1/3個(gè)齒距角；A相與最初相比轉(zhuǎn)動了2/3個(gè)齒距角；B相則與轉(zhuǎn)子形成對齒；而C相和轉(zhuǎn)子相錯(cuò)了1/3個(gè)齒距角。</p><p>　　同樣的，將B相斷電之后，與以上的情況相同，C相在開關(guān)Kc閉合之后得電形成磁場，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)動1/3個(gè)齒距角，使得C相的小齒與轉(zhuǎn)子形成對齒現(xiàn)象，同時(shí)，轉(zhuǎn)子與A相之間錯(cuò)開了1/3個(gè)齒距角轉(zhuǎn)子與B相之間也錯(cuò)開了2/3個(gè)齒距角。</p>

45、<p>　　C相斷電再將A相通電也是一樣，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)過了1/3齒距角后，與A相定子上的小齒形成對齒，而與B相、C相形成錯(cuò)齒。最終，經(jīng)過這三步的運(yùn)動，三相的狀態(tài)回到最初的時(shí)候，只不過轉(zhuǎn)子總共正好轉(zhuǎn)過了一個(gè)齒距角。</p><p>　　由此可以看出，對各相的繞組通電按照A→B→C→A的順序，則磁場將按照A→B→C的方向轉(zhuǎn)動360°，轉(zhuǎn)子也沿著同樣的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)齒距角。</p><

46、p>　　同理，如果通電的方向相反，即沿著A→C→B→A的順序驚醒通電，那么轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向也將相反。</p><p>　　如果在以上的操作中，對繞組每通電一次定義為一拍，那么對于三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的三組繞組通電一輪就是三拍。轉(zhuǎn)子每走一步需要一拍，而三拍之后轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角。</p><p>　　我們將轉(zhuǎn)子每一拍所轉(zhuǎn)過的角度定義為步距角，計(jì)算公式如下所示：</p>&

47、lt;p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　這其中的N為步進(jìn)電動機(jī)工作的拍數(shù)。</p><p>　　比如，某臺三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子上共均勻分布有40個(gè)小齒，轉(zhuǎn)動了3步，則步矩角 這其中齒矩角為9°，這樣轉(zhuǎn)動了3步，則每一步的步矩角為3°。</p><p>　　由上面的分析可以得出反應(yīng)式

48、步進(jìn)電動機(jī)對于結(jié)構(gòu)是有一定的要求的。</p><p>　　必須能使定子繞組與轉(zhuǎn)子上的小齒形成錯(cuò)齒，因此，定子繞組上磁極上的分度角不允許被齒距角整除。</p><p>　　必須能使定子繞組與轉(zhuǎn)子上的小齒形成對齒，因此，定子繞組磁極上的分度角除以齒距角之后所得余數(shù)應(yīng)當(dāng)是步矩角的倍數(shù)，并且，倍數(shù)的數(shù)值與相數(shù)的數(shù)值不能有公因子。</p><p>　　3.2.2 反應(yīng)式步進(jìn)

49、電動機(jī)的三種工作方式</p><p><b>　　1、單三拍工作方式</b></p><p>　　單三拍工作方式，即對三相步進(jìn)電動機(jī)的繞組按照A→B→C→A的方式通電時(shí)，電機(jī)的工作方式。這其中，每次僅僅對一個(gè)相的繞組通電即單三拍的“單”。而“三拍”則是指磁場要完成一周的旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)完了一個(gè)齒距角，就要進(jìn)行3次換相。同理，對于多相的步進(jìn)電動機(jī)來說，每次僅僅對一個(gè)相的繞

50、組通電，要使磁場完成一周的旋轉(zhuǎn)，就要換相多少次，即多少拍。</p><p>　　對于以單三拍工作方式下的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)來說，它的步矩角可以按照上面的公式（3-2）計(jì)算。</p><p>　　對于在單三拍工作方式下的步進(jìn)電動機(jī)來說，各相通電之后的波形如下圖所示：</p><p>　　圖3.4 單三拍工作方式下的相電壓和相電流的波形</p><p

51、>　　在上圖的波形中，方波表示電壓波形，而兩段指數(shù)曲線則表示電流波形。形成兩段指數(shù)曲線的原因是，步進(jìn)電動機(jī)的繞組有電感，當(dāng)繞組得電時(shí)，電流的快速變化會被電感阻止；通電的繞組斷電時(shí)，在繞組中儲存著的電能會釋放出來形成電流。其中，電流上升曲線的上升時(shí)間是由回路中的時(shí)間常數(shù)決定的。不過這樣的電流卻并不是我們所期望的，我們所期望的電流是像電壓一樣的方波，因?yàn)檫@樣的電流能在繞組得電時(shí)快速產(chǎn)生磁場，而且在斷電時(shí)不會產(chǎn)生干擾磁場對其他磁場產(chǎn)生干

52、擾，這一點(diǎn)不同于其他的電動機(jī)。</p><p>　　我們可以有很多方法實(shí)現(xiàn)這一個(gè)目的，比如一種比較有效的方法就是把一個(gè)電阻串聯(lián)在續(xù)流二極管的回路當(dāng)中。這樣，在繞組斷電時(shí)，繞組中儲存的電能在釋放時(shí)會消耗在續(xù)流二極管回路的電阻上。之后，電流下降的速度會很快，下降的時(shí)間會減少，產(chǎn)生的干擾磁場存在的時(shí)間也會減少，對其他磁場的影響也會大大減小。</p><p><b>　　2、雙三拍工作方

53、式</b></p><p>　　三相步進(jìn)電動機(jī)在通電時(shí)除了采用單三拍的通電方式之外，也會采用其他的通電方式。其中，雙三拍工作方式也是也是比較常見的一種。下面，我們就了解一些關(guān)于雙三拍工作方式的內(nèi)容。</p><p>　　與單三拍的工作方式類似，“三拍”指的就是換相三次才能使磁場旋轉(zhuǎn)一周，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個(gè)齒距角。“雙”則表示的是每次通電時(shí)要兩相同時(shí)進(jìn)行。與前面對單三拍工作方式的推斷

54、類似，雙三拍工作方式下，要使步進(jìn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)，則應(yīng)該對各相按照AB→BC→CA的順序通電。同理，反轉(zhuǎn)時(shí)通電按照BA→AC→CB的順序。</p><p>　　由于雙三拍工作方式與單三拍工作方式相似，轉(zhuǎn)子需要3拍才能轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角。因此，在計(jì)算步距角時(shí)與單三拍時(shí)相同，也是按照前面的公式3-2來計(jì)算。</p><p>　　各相的電壓與電流波形在雙三拍工作方式中如下圖3.5所示</p>

55、<p>　　圖3.5 雙三拍工作方式時(shí)每一相的電壓與電流波形圖</p><p>　　從上圖中可以看出，在每一拍的中，都有兩相的繞組通電，且每一相都有持續(xù)兩拍的通電時(shí)間。因此，我們可以看出，相對于單三拍，雙三拍的工作方式消耗的電能更多，功率更大，當(dāng)然，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩也更大。</p><p>　　與單三拍相比，雙三拍工作方式下各相產(chǎn)生的磁場形狀有明顯的不同，如下圖</p&g

56、t;<p><b>　　3.6所示。</b></p><p>　　圖3.6 雙三拍工作方式下各相的磁場分布</p><p>　　雙三拍工作方式下磁導(dǎo)率最大的時(shí)候，定子與轉(zhuǎn)子并沒有處于對齒的位置，這是雙三拍與單三拍工作方式的另一個(gè)明顯的區(qū)別。具體如下圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 雙三拍工作方式下各相通電時(shí)定子與轉(zhuǎn)

57、子的對齒情況</p><p>　　如上圖所示，當(dāng)AB兩相都得電時(shí)，當(dāng)AB兩相的小齒分別與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開1/6個(gè)齒距角的大小時(shí)，磁導(dǎo)率才能達(dá)到最大，而在這個(gè)時(shí)候，C相的小齒與轉(zhuǎn)子正好錯(cuò)開1/2個(gè)齒距角，如圖3.7.1所示。由上可知，在磁導(dǎo)率達(dá)到最大的時(shí)候，不存在定子與轉(zhuǎn)子的對齒現(xiàn)象。此時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子在A與B′兩相磁極產(chǎn)生的磁場的作用下產(chǎn)生的相互作用電磁力矩恰好大小相等，并且方向相反，如此，轉(zhuǎn)子正好處在平衡狀態(tài)。<

58、/p><p>　　同樣，在給BC兩相通電之后，我們可以發(fā)現(xiàn)在BC兩相的小齒分別與轉(zhuǎn)子小齒形成1/6個(gè)齒距角時(shí)，即A相小齒與轉(zhuǎn)子小齒形成1/2個(gè)齒距角的位置，如圖3.7.2，轉(zhuǎn)子處在平衡狀態(tài)。給CA兩相通電時(shí)也一樣，在CA兩相的小齒分別于轉(zhuǎn)子小齒形成1/6個(gè)齒距角的時(shí)候轉(zhuǎn)子處在平衡狀態(tài)，如圖3.7.3。</p><p>　　雙三拍工作方式下不容易產(chǎn)生失步，這也是雙三拍的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由圖3-5和圖

59、3-7可以看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組得電時(shí)，由于繞組中的電流最大值不同，產(chǎn)生的磁場也不同，導(dǎo)致電磁力的作用方向也不相同，因此，其中一相的電磁力起了阻尼作用。而阻尼作用也會隨著繞組中電流的增大而變大。這樣會對步進(jìn)電動機(jī)工作在低頻區(qū)產(chǎn)生便利。對于單三拍工作時(shí)，由于通電只是對單相進(jìn)行，因此不會產(chǎn)生阻尼作用，步進(jìn)電動機(jī)在低頻區(qū)工作時(shí)，步進(jìn)電動機(jī)能量會隨著通電時(shí)間長而變大，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)生失步的現(xiàn)象。</p><p><

60、b>　　3、六拍工作方式</b></p><p>　　三相步進(jìn)電動機(jī)還有一種比較常見的工作方式，六拍工作方式。這種工作方式也被稱作單三拍法或者1—2相勵(lì)磁法，它是一種單三拍工作方式與雙三拍工作方式交替使用的方法。</p><p>　　對于六拍工作方式來說，與單三拍雙三拍工作方式最大的區(qū)別就是：正傳時(shí)，步進(jìn)電動機(jī)各相繞組通電的順序?yàn)椋篈→AB→B→BC→C→CA。同理，反向

61、轉(zhuǎn)動時(shí)通電順序?yàn)椋篈→AC→C→CB→B→BA。通過上面可以看出，轉(zhuǎn)子要轉(zhuǎn)動一個(gè)齒距角，即磁場完成一周的旋轉(zhuǎn)，對繞組的通電要進(jìn)行6次換相，這便是所謂的“六拍”。</p><p>　　由公式3.1可以得出，轉(zhuǎn)子需要六拍才能轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角，因此，在六拍工作方式下的步矩角要比單三拍和雙三拍工作時(shí)小一半，這樣，六拍工作方式的步進(jìn)精度要比前兩種高出一倍。</p><p>　　下圖是六拍工作方式時(shí)通過

62、各相繞組的電壓和電流波形。</p><p>　　圖3.8 六拍工作方式下各相的電壓電流波形</p><p>　　從上圖可以看出，六拍工作方式中，有三拍采用單相通電，有三拍則是采用雙相通電。而觀察其中某一相的波形可以看出，在六拍周期的方波電壓波形中，分別有三拍連續(xù)通電和斷電。</p><p>　　下面，我們可以列一張表格，對單三拍、雙三拍和六拍三種工作方式的特點(diǎn)進(jìn)行

63、分析。</p><p>　　表3-1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)三種工作方式特點(diǎn)的比較</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)在運(yùn)行時(shí)選擇好的工作方式很重要，對于三種工作方式的特點(diǎn)比較都已經(jīng)在表3-1中列出，從表中的“高頻性能”、“轉(zhuǎn)矩”、“振蕩”、“功耗”等項(xiàng)目可以看出六拍工作方式下步進(jìn)電機(jī)的性能比較好，而單三拍工作方式則較差。因此，在實(shí)際使用中，六拍工作方式對提高步進(jìn)電動機(jī)的工作性能有著很大的幫助

64、。</p><p>　　第4章 單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的研究</p><p>　　單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)是一種結(jié)合了軟件與硬件的一種控制方法，它使用軟件來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電動機(jī)輸入脈沖的分配，使步進(jìn)電動機(jī)的控制效果得到不少的提升。并且，在當(dāng)今社會生產(chǎn)發(fā)展越來越先進(jìn)，自動化控制的程度越來越高，而單片機(jī)以其強(qiáng)大的功能，價(jià)格相對低廉，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)而深受人們的信賴。單片機(jī)在使用過程中還可以增設(shè)大量的外圍

65、設(shè)備，以增加功能：設(shè)置一個(gè)鍵盤對步進(jìn)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，啟動，停止等控制；連接顯示器可以顯示步進(jìn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)等工作時(shí)的狀態(tài)。在單片機(jī)控制下，可以把復(fù)雜的控制過程用自動化控制的方式來實(shí)現(xiàn)，使得控制精度得帶很大的提高。而且在設(shè)計(jì)成功的單片機(jī)電路也可以應(yīng)用于其他多相的步進(jìn)電動機(jī)，使通用性靈活性得到提高。</p><p>　　單片機(jī)對步進(jìn)電動機(jī)的控制時(shí)通過控制信號來完成的，它主要的做用是對步進(jìn)電動機(jī)換相的順序控制，對步進(jìn)電

66、動機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，對步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動速度的控制。</p><p>　　在單片機(jī)對于步進(jìn)電機(jī)換相順序的控制中，我們一般會將換相這個(gè)過程稱為脈沖的分配。步進(jìn)電動機(jī)會嚴(yán)格的按照工作方式來進(jìn)行換相通電。比如三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)在以單三拍工作方式運(yùn)行時(shí)，它的通電換相的順序必須使按照A→B→C的順序來進(jìn)行，并且ABC各相的通電斷電也必須要按照這一順序來進(jìn)行。</p><p>　　對步進(jìn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制

67、。在前面我們已經(jīng)介紹過對于三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的的正反轉(zhuǎn)是各相的的通電順序。比如單三拍工作時(shí)的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，正傳時(shí)通電的順序?yàn)锳→B→C，則對各相按照C→B→A的順序通電，電動機(jī)就會反向旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　對步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動速度的控制。同樣，前面我們提到了要使步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動一步，則需要對步進(jìn)電動機(jī)發(fā)送一個(gè)控制脈沖，步進(jìn)電動機(jī)接到多少的控制脈沖就會轉(zhuǎn)動多少步。而在一定時(shí)間中接受到脈沖控制信號越多，步進(jìn)

68、電動機(jī)轉(zhuǎn)動的速度就越快。</p><p>　　下面，我們來具體的了解下單片機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電動機(jī)的各項(xiàng)的控制的。</p><p>　　4.1單片機(jī)對控制脈沖的分配</p><p>　　這里有兩種方法可以對步進(jìn)電動機(jī)的通電換相也就是脈沖分配進(jìn)行控制，軟件法和硬件法。</p><p><b>　　軟件法</b></p

69、><p>　　軟件發(fā)，就是完全通過按照預(yù)定的步進(jìn)電動機(jī)控制方式與控制要求來設(shè)計(jì)的單片機(jī)程序，控制單片機(jī)的I/O接口發(fā)出控制脈沖 ，發(fā)往驅(qū)動電路，再由驅(qū)動電路來控制步進(jìn)電動機(jī)。</p><p>　　圖4.1 單片機(jī)控制三相步進(jìn)電動機(jī)的接口電路圖</p><p>　　如上圖便是一個(gè)三相步進(jìn)電動機(jī)由單片機(jī)控制的具體的實(shí)例，這里采用的單片機(jī)型號是AT89C51，這時(shí)屬于51單

70、片機(jī)系列的一種，與8051、MSC51等51單片機(jī)的功能作用大致相同，不過前者是后者的升級版，在功能方面有些加強(qiáng)，不過在程序上卻是可以兼容的。</p><p>　　在這里我們使用8051單片機(jī)來對單片機(jī)的軟件法進(jìn)行了解。對于步進(jìn)電動機(jī)，使用多相的步進(jìn)電動機(jī)會更具有普遍性，因此下面我們利用五相步進(jìn)電動機(jī)在十拍的工作方式下作為執(zhí)行元件來設(shè)計(jì)。</p><p>　　五相步進(jìn)電動機(jī)在十拍的工作方式

71、下對繞組通電換相的順序：正傳時(shí)AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB,反轉(zhuǎn)時(shí)則是倒過來AE→AED→ED→EDC→DC→DCB→CB→CBA→BA→BAE?？偣餐姞顟B(tài)有十種。在這里，我們使用8051單片機(jī)的P1.0—P1.4這5個(gè)接口來傳輸對步進(jìn)電動機(jī)的控制信號。我們把繞組通電定義為0，斷電則定義為1，那么各相通斷電就可以用數(shù)字代替，再把這10個(gè)狀態(tài)用10個(gè)十六進(jìn)制的控制字表示，得出下面的表格。</

72、p><p>　　其中P1.0—P1.4分別代表五相中的A B C D E相。</p><p>　　表4.1步進(jìn)電動機(jī)五相十拍工作時(shí)各相通電狀態(tài)輸入單片機(jī)的控制字</p><p>　　在單片機(jī)中，這10個(gè)控制字就代表了步進(jìn)電動機(jī)的“十拍”，將這10個(gè)控制字輸入到P1接口，則步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路會接收到單片機(jī)輸出的控制信號，對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行控制。每當(dāng)輸入一個(gè)控制字，步進(jìn)電動

73、機(jī)就運(yùn)動一拍10個(gè)控制字都輸入一遍，步進(jìn)電動機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角。這就是單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的原理。把步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動了第幾拍用狀態(tài)計(jì)數(shù)器R0來表示，定義正傳時(shí)R0+1，反轉(zhuǎn)時(shí)R0-1，則可以設(shè)計(jì)出以下程序：</p><p><b>　　正傳時(shí)：</b></p><p>　　CW: INC R0</p><p>　　CJN

74、E R0，#0AH,ZZ</p><p>　　MOV R0，#00H</p><p>　　ZZ: MOV A,R0</p><p>　　MOV DPTR,#ABC</p><p>　　MOVC A,@A+DPTR</p><p&g

75、t;　　MOV P1，A</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　ABC: DB 0FCH, 0F8H, 0F9H, 0F1H, 0F3H</p><p>　　DB 0E3H, 0E7H, 0E6H, 0EEH, 0ECH</p><p>　　反轉(zhuǎn)時(shí)的程序也類似：<

76、;/p><p>　　CWW: INC R0</p><p>　　CJNE R0，#0AH,ZZ</p><p>　　MOV R0，#00H</p><p>　　FZ: MOV A,R0</p><p>　　MOV DP

77、TR,#ABC</p><p>　　MOVC A,@A+DPTR</p><p>　　MOV P1，A</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　不過軟件法在實(shí)際的使用過程中會產(chǎn)生一些問題，比如在步進(jìn)電動機(jī)的工作過程中，使用了軟件法則單片機(jī)會不停產(chǎn)生控制脈沖，單片機(jī)

78、的時(shí)間會大量的被占用，這樣會導(dǎo)致單片機(jī)不能再進(jìn)行其他的工作，比如檢測等等。所以，人們有研究出了硬件法以彌補(bǔ)軟件法的缺點(diǎn)。</p><p>　　脈沖分配用硬件來實(shí)現(xiàn)</p><p>　　對于步進(jìn)電動機(jī)的通電換相所需的控制信號，硬件法是以專用的脈沖分配芯片來完成的。</p><p>　　這種脈沖分配芯片有很多種類，其中一種8713芯片在單片機(jī)控制系統(tǒng)中使用較為常見，這里

79、我們就以這種芯片來介紹。8713芯片是一種專門用于三相和四相步進(jìn)電動機(jī)控制的一種芯片。對于三相四相的步進(jìn)電動機(jī)，可以選擇不同的工作方式：單三拍、雙三拍、六拍、單四拍、雙四拍、八拍。</p><p>　　8713芯片可以有單時(shí)鐘輸入或者雙時(shí)鐘輸入兩種方式可以選擇。并且在控制功能方面也有正反轉(zhuǎn)控制，復(fù)位，改換工作方式等功能。在芯片內(nèi)部設(shè)有斯密特整形電路，使芯片的抗干擾能力得到提高。</p><p&

80、gt;　　下面表格是8713芯片的各個(gè)引腳的功效說明</p><p>　　對于8713芯片與單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動之間的接線如下圖所示</p><p>　　圖4.2 步進(jìn)電動機(jī)四相八拍工作方式下8713芯片接線圖</p><p>　　如上圖所示的8713芯片接線圖中，是基于步進(jìn)電動機(jī)的四相八拍工作方式來連接的。在使用單時(shí)鐘的方式輸入信號，在上表中所示8713的各個(gè)等引

81、腳的功能，我們可以根據(jù)上面的表格來連接。這種硬件法在脈沖分配上使用了8713芯片，減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。</p><p>　　4.2 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速</p><p>　　又上面的分析可以得出，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動是由接收到脈沖，從而轉(zhuǎn)動的，那么我們可以加快對于脈沖的發(fā)送，從而加快步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度。這就是對步進(jìn)電動機(jī)速度的調(diào)節(jié)原理。而對于單片機(jī)的軟件法來說，可以通過調(diào)節(jié)輸入控制字的速度

82、來調(diào)節(jié)步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，而對于芯片法，可以通過改變輸入脈沖信號的方式來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　在上面的分析中,我們可以得出兩種對步進(jìn)電動機(jī)調(diào)速的方法。</p><p>　　使用軟件的方法延時(shí)，不過這種方法會占用很多的單片機(jī)時(shí)間內(nèi)存，使用效果不是很好。</p><p>　　二、是使用定時(shí)器中斷。這種方法只要調(diào)節(jié)中斷程序中的定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)就行了，這樣

83、對于單片機(jī)時(shí)間的占用比較少，對于很對單片機(jī)都比較使用，實(shí)用性比較高。下面我們來詳細(xì)的了解這種方法的具體信息。</p><p>　　這種方法主要是利用了定時(shí)器來完成的，這里的定時(shí)時(shí)間常數(shù)是利用單片機(jī)機(jī)器周期與給定的脈沖頻率通過計(jì)算得出的。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到了，P1.0的電平就會在中斷程序執(zhí)行時(shí)改變，這樣，用于調(diào)速的方波信號的頻率就得到改變，使步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速改變。下面，我們以定時(shí)器T0，工作方式1來設(shè)計(jì)一個(gè)中斷程序。這里

84、把時(shí)間常數(shù)儲存于內(nèi)部RAM 30H 和31H中。那么程序設(shè)計(jì)為</p><p>　　AA： CPL P1.0</p><p>　　PUSH ACC</p><p>　　PUSH PSW</p><p>　　CLR TR0</p><p>　　MOV A, TL0</p>

85、<p>　　ADD A,#08H</p><p>　　ADD A,30H</p><p>　　MOV TL0，A</p><p>　　MOV A,TH0</p><p>　　ADDC A,31H</p><p>　　MOV TH0，A</p><p&g

86、t;　　SETB TR0</p><p>　　POP PSW</p><p>　　POP ACC</p><p><b>　　RET1</b></p><p>　　要求調(diào)解轉(zhuǎn)速的指令可以通過外接一個(gè)鍵盤，通過鍵盤來發(fā)出指令，這樣通過程序來根據(jù)既定的速度值來計(jì)算時(shí)間常數(shù)并且儲存到30H和31H中，這樣

87、運(yùn)行程序時(shí)就能改變脈沖信號的頻率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。在采用這種方法的同時(shí)，不會產(chǎn)生與軟件法那樣的缺點(diǎn)，所以這種方法的使用較為普遍。</p><p>　　4.3 單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的加減速</p><p>　　在上面我們介紹了用單片機(jī)來控制步進(jìn)電動機(jī)的速度，但是轉(zhuǎn)速不可能突變，而且在工作中，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也不可能總是保持著恒定的速度，會有一個(gè)加減速的過程，這個(gè)過程也需要進(jìn)行控制。下面，我們

88、就討論一下步進(jìn)電動機(jī)的加減速的問題。</p><p>　　當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)工作時(shí)，總會先加速，再勻速，最后減速，不能直接進(jìn)入勻速的狀態(tài)，也不能突然停止，否則會造成步進(jìn)電動機(jī)的不正常運(yùn)行，影響工作精度的同時(shí)對步進(jìn)電動機(jī)造成損壞。不過如果加減速太慢，又會影響生產(chǎn)效率，所以，步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行前后一定要有在保證安全運(yùn)行前提下的最快速度的加減速。下面我們就來介紹這個(gè)過程。</p><p>　　圖4.3

89、步進(jìn)電動機(jī)的速度曲線</p><p>　　上面是步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行時(shí)比較常見的速度曲線，這樣的曲線一般是從實(shí)驗(yàn)或者實(shí)際中得到了，并沒有固定的模式。在上圖中，有勻加速和變加速兩種方式，在勻加速時(shí)，加速度不變，但由于步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系不是線性的，那么在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)速增加轉(zhuǎn)矩會下降，而轉(zhuǎn)矩不足會使電機(jī)失步，因此，這在實(shí)際中這種曲線不是好的選擇。而非勻加速曲線在實(shí)際中運(yùn)用的情況比較普遍。</p>&l

90、t;p>　　在實(shí)際當(dāng)中，非勻加減速的情況還有幾種特殊的情況。比如，需要步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動的距離很短，則電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度升不到最高，所以這種情況不需要加減速；如果需要步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的路程較近，則有加減速，但是不需要?jiǎng)蛩?；只有距離較遠(yuǎn)的情況才會需要?jiǎng)蛩俚倪^程。而勻速時(shí)，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速會盡可能高，來提高工作效率。</p><p>　　上面已經(jīng)介紹了單片機(jī)是如何對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的控制的，對于51系列單片機(jī)來說，它的定時(shí)

91、器屬于+1定時(shí)器，所以，在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速增加或者降低時(shí)，定時(shí)常數(shù)要相應(yīng)地增加或減小。</p><p>　　單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的位置</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)在工作過程中，總是從一個(gè)位置運(yùn)動到另一個(gè)位置，這樣，我們也可以通過對位置的控制來控制步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行。這也是步進(jìn)電動機(jī)的一個(gè)特點(diǎn)，它只要簡單的開環(huán)控制就能夠使步進(jìn)電機(jī)完成比較精確的運(yùn)行，在實(shí)際中使用較為廣泛。</p>

92、<p>　　在位置控制中，有兩個(gè)重要參數(shù)。</p><p>　　第一個(gè)參數(shù)，步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前的位置，也叫絕對位置。這個(gè)參數(shù)是有極限的，它不能超過步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動范圍，否則就必須發(fā)出警報(bào)。</p><p>　　第二個(gè)參數(shù)，從絕對位置到步進(jìn)電機(jī)的目的地的距離，可以計(jì)算出電機(jī)需要走的步數(shù)，在通過鍵盤來輸入到單片機(jī)中。</p><p>　　這種控制方法，我們可以通過對

93、電機(jī)運(yùn)動步數(shù)的控制來實(shí)現(xiàn)，電機(jī)走過一步，則總的步數(shù)減1，等電機(jī)完成工作，剩余的步數(shù)為0。這時(shí)，可以用這個(gè)0作為一個(gè)控制信號，來控制步進(jìn)電動機(jī)停止工作。當(dāng)然，這里也需要對步進(jìn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)做出設(shè)置，反轉(zhuǎn)時(shí)步數(shù)-1，這樣就可以用控制位置的方式對步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行做出控制。</p><p>　　第5章 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)越性</p><p>　　前面已經(jīng)大致上介紹了單片機(jī)對步進(jìn)電動機(jī)工作中

94、的幾個(gè)重要方面的控制，包括步進(jìn)電機(jī)通電換相、步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及運(yùn)行時(shí)的速度控制等。下面，我們就以一個(gè)單片機(jī)控制下的步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)來具體的了解單片機(jī)控制的優(yōu)越性。</p><p>　　5.1 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)速實(shí)例</p><p>　　在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，由于步進(jìn)電動機(jī)啟停頻繁，如果控制不恰當(dāng)，就會造成步進(jìn)電動機(jī)的過沖和失步等現(xiàn)象。因此，對于步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)速控制一直是研究的重點(diǎn)之

95、一。由于單片機(jī)控制有著功能強(qiáng)大，使用性強(qiáng)，控制精確且穩(wěn)定性和可靠性高，適應(yīng)能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以，單片機(jī)一直是作為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的核心，對步進(jìn)電機(jī)的高性能穩(wěn)定工作起到非常重要的作用。</p><p>　　這里，我們通過對一個(gè)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的部分接線圖和器件圖簡單的介紹，來大致了解單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，并且從中了解單片機(jī)控制的優(yōu)越性。</p><p>　　下面是這個(gè)系統(tǒng)

96、的硬件接線圖</p><p>　　圖5.1步進(jìn)電機(jī)硬件接線框圖</p><p>　　其中，這里對單片機(jī)采用的是AT89C51 ，驅(qū)動電路使用的是恒流斬波驅(qū)動電路，電機(jī)使用的是三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。顯示芯片使用的是CD4511芯片，鍵盤使用的是設(shè)計(jì)的電路。其中芯片與鍵盤電路如下圖5.2和5.3所示。</p><p>　　圖5.2 CD4511芯片的管腳</

97、p><p>　　圖5-1 CD4511芯片數(shù)字的顯示表</p><p>　　圖5.3 鍵盤電路</p><p>　　如上圖5.2和5.3所示，這是用于顯示電路的CD4511芯片和用于輸入的鍵盤電路。CD4511芯片主要是用于顯示步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)的，如轉(zhuǎn)動速度，芯片主要進(jìn)行編譯和驅(qū)動。顯示器的使用方法主要有兩種，一種是動態(tài)法，另一種是靜態(tài)法。如果靜態(tài)法，會占

98、用單片機(jī)本身的多個(gè)端口，這是一個(gè)缺點(diǎn)，而使用了動態(tài)法，占用端口較少，則不會產(chǎn)生這個(gè)缺點(diǎn)。鍵盤電路也是一樣。鍵盤電路主要用于對單片機(jī)輸入信號，來控制步進(jìn)電機(jī)的工作，比如正傳反轉(zhuǎn)，啟動停止等，也是重要的部分。而使用了動態(tài)掃描的方法之后，同樣可以節(jié)約單片機(jī)的端口的使用。</p><p>　　驅(qū)動電路采用了恒流斬波驅(qū)動電路，可以解決電路中由于單電壓而使電流過大，電源效率較低，高頻響應(yīng)較差等缺點(diǎn)，具體電路圖見附錄。<

99、/p><p>　　下圖為這個(gè)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主流程圖，如圖所示，系統(tǒng)通電之后，必須要求對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行初始化，防止使系統(tǒng)出現(xiàn)問題。之后，便可以等待按鍵來操作步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行了。</p><p>　　圖5.4 系統(tǒng)主流程圖</p><p>　　下面是系統(tǒng)的運(yùn)行流程框圖，在初始參數(shù)都設(shè)定完成，以及顯示電路和鍵盤電路等都就位之后，始步進(jìn)電機(jī)就可以開始工作了。主要的方法是按下鍵

100、盤，單片機(jī)得到信號，于是輸出脈沖，經(jīng)過驅(qū)動電路，來控制步進(jìn)電機(jī)的具體的動作。這其中的脈沖輸出方式是按照中斷程序中的設(shè)定來的。</p><p>　　圖5.5 系統(tǒng)運(yùn)行主流程圖</p><p>　　如圖5.6是系統(tǒng)待機(jī)的主流程圖，這里主要是系統(tǒng)處在待機(jī)狀態(tài)下，對于顯示電路和鍵盤電路狀態(tài)的測試，判斷顯示和鍵盤電路狀態(tài)是否正確，是否就位。</p><p>　　圖5.6

101、系統(tǒng)待機(jī)主流程</p><p>　　下面是系統(tǒng)具體的中斷流程圖</p><p>　　圖5.7 設(shè)計(jì)中的中斷流程圖</p><p>　　設(shè)計(jì)中的程序部分，這里只做簡略說明。程序由主程序，調(diào)速控制程序和定時(shí)器中斷程序組成。而主程序的功能是各個(gè)參數(shù)的設(shè)定以及初始化，子程序的調(diào)用。調(diào)速程序控制的是脈沖輸出和定時(shí)器啟停。定時(shí)器中斷程序設(shè)置了加減速和換檔標(biāo)志。而其中的加減速判

102、斷則以剩余檔（臺階）數(shù)和剩余臺階內(nèi)步數(shù)來判斷。</p><p>　　5.2 對單片機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)越性的分析</p><p>　　該系統(tǒng)集中的對步進(jìn)電機(jī)的多種控制條件的要求，性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，在實(shí)際應(yīng)用中所有預(yù)期的功能都能正常實(shí)現(xiàn)，并且運(yùn)行穩(wěn)定。其中，該系統(tǒng)能夠?qū)\(yùn)行方式進(jìn)行設(shè)定；對運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)定，對運(yùn)行方向和步數(shù)進(jìn)行控制，最后，可以對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，使系統(tǒng)的功能得到完善。</p&g

103、t;<p>　　單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的基本原理的回顧，在第四章中，我們較為詳細(xì)的了解了單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的原理，這里，我們再簡要的回顧一下。步進(jìn)電動機(jī)在接收到脈沖信號之后才會轉(zhuǎn)動，那么加快脈沖信號的發(fā)送就可以使步進(jìn)電機(jī)加速轉(zhuǎn)動。而對步進(jìn)電動機(jī)速度的控制方法，這里又有兩種方法可以選擇，軟件法和硬件法。不過在前面的介紹中，軟件法有一個(gè)較大的缺陷，就是會大量占用單片機(jī)的時(shí)間，所以大多數(shù)時(shí)候，我們會選擇硬件法。硬件法是利用了單片

104、機(jī)中的定時(shí)器中斷的方法。這種方法在調(diào)節(jié)定時(shí)器時(shí)間常數(shù)，是脈沖頻率隨著加減速而改變，這樣占用的單片機(jī)時(shí)間較少，并且實(shí)用性強(qiáng)。</p><p>　　對于步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行過程的速度曲線，這里采用勻加減速速度曲線。并且，這里給出了一種新的方法來對加減速過程進(jìn)行處理。以加速為例：如圖5-8，加速時(shí)f可以按公式</p><p><b>　?。?-1）</b></p>

105、<p>　　來計(jì)算。其中，f為步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)的頻率。這里，如果用改變定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)的方法來控制速度，由于編程和單片機(jī)本身資源的問題，會造成不便，所以，這里再對步進(jìn)電機(jī)加速過程進(jìn)行處理，如下圖5.9所示。這里把步進(jìn)電機(jī)加速過程作離散處理，用階梯形的曲線來代替原來的速度曲線。假設(shè)Δt足夠小，則這條階梯式曲線可以近似看做原來的直線。</p><p>　　圖5.8 勻加減速過程

106、 圖5.9 階梯形加速</p><p>　　那么，對于階梯式曲線，可以表示為</p><p><b>　　（5-2）</b></p><p>　　其中為步進(jìn)電動機(jī)最高速度時(shí)頻率。再假設(shè)階梯共有N檔，則每一檔中的頻率</p><p><b>　?。?-3） </b></p><

107、;p>　　其中k為檔數(shù)（1、2、3…）每一檔中步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行的步數(shù) （5-4）</p><p>　　那么加速過程中總共的步數(shù)為 （5-5）</p><p>　　根據(jù)上面的計(jì)算，在編寫程序時(shí)，要求用步進(jìn)電機(jī)加速的時(shí)間算出每一檔需要走多少步。程序中，對于一檔的步數(shù)，走完一步就減去1，到剩余為0時(shí)，進(jìn)行下一檔的運(yùn)

108、行，同樣在檔數(shù)到達(dá)0的時(shí)候，加速的過程就完成了。</p><p>　　在設(shè)置每一檔中步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)時(shí)，要符合步進(jìn)電機(jī)正常且高速運(yùn)行的條件。一般為8到16之間。</p><p>　　下面是定時(shí)常數(shù)的計(jì)算。從公式（5-3）可以得出每一檔中，定時(shí)器的周期可以表示為</p><p><b>　　（5-6）</b></p><p&

109、gt;　　如果使用單片機(jī)晶振頻率 ，而且定時(shí)器是16位的，那么</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　那么用C語言來表示定時(shí)器的值 （5-9）</p><p><b&