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1、1绪论1.1 提出问题并拟定设计方案1.1.1 问题的提出传统的步进电机控制方法是由触发器产生控制脉冲来进行控制的，但此种控制方法工作方式单一且难于实现人机交互,当步进电机的参数发生变化时，需要重新进行控制器的设计。并且由传统的触发器构成的控制系统具有控制电路复杂、控制精度低、生产成本高等缺陷。为了克服传统控制器的缺陷，满足工业生产新的控制规定,在此设计一种以单片机为核心的新型控制器。112明确课题任务单片机对步进电机的控制有如下几项规定：(1)为用户使用方便,需要实现人机交互。(2)为实现对不同相数的步进电机进行控制而不更换控制器的规定，需要实现励磁方式的可控性。(3)规定实现步进电机的转速
2、可控和旋转角度可控。(4)规定有足够的控制精度。1.1.3 拟定设计方案通过对控制系统的分析,拟定了如下的设计方案：(1)拟定系统的I/O点数和通道：输入和输出量的拟定:输入量：重要是键盘输入。输出量：步进电机的驱动信号和1.ED数码管显示信号。输入、输出通道的拟定：除了键盘/显示器的输入/输出外,输出通道尚有驱动步进电机信号的输出通道。(2)选择单片机：根据控制系统所规定的控制精度、响应速度、开发环境、I/O点数、输入/输出通道数等情况选择了MCS-51系列的8位单片机8051,其具有4KBRoM和256BRAM,因此不需要进行存储器的扩展。(3)拟定键盘/显示器。本设计需要一个8X2的键盘
3、和一个6位的显示器，它们的接口电路采用8255A。单片机日记：8255A是有Intel公司生产的NMOS器件，输入和输出与TT1.电平兼容。电源电流最大值为120mA,具有3个8位的并行I/O口，有三种工作方式，可通过编程改变其功能，使用灵活，通用性强。因此，本设计键盘和显示部分选用8255A芯片。(4)设计单片机控制系统图:输入数码管显示脉冲分配器步进电机图IT单片机对步进电机控制系统图步进电机接口电路与单片机连接时，为了可靠地实现信号隔离，减少输入输出设备对单片机系统的电信号干扰，需要用光电耦合器。1.2 研究内容和方法本课题的重要任务是设计一个单片机对步进电机进行控制的控制系统，重要研究
4、内容和方法如下。12.1研究内容(1)重要研究内容是通过单片机对步进电机的正转，反转，转速，步距角进行控制。(2)用6位1.ED显示器组成高亮度的显示电路来显示步进电机的转速等运营参数。(3)用8255A作为键盘和显示电路的接口芯片。(4)用PMM8713作为步进电机的接口芯片。(5)设计单片机控制系统的硬件电路。(6)编写控制系统主程序，绘制程序流程图。重要研究方法是：用单片机原理及其接口技术，通过软硬件相结合的方法实现对步进电机的工作状态和工作参数的控制。单片机对步进电机的控制有串行控制和并行控制两种方式。本设计采用的是串行控制方式，此方式下单片机控制系统与步进电机驱动器之间只有两条控制线
5、。一条发出时钟脉冲信号来控制步进电机的转速；另一条发出转向信号控制步进电机的转向。这两个信号都是送入步进电机驱动器的输入端，驱动器中具有环行分派器，对步进电机励磁方式的控制和控制脉冲的分派都是由环行分派器来完毕的。由于单片机控制系统与驱动器之间只有两条控制线，从而使系统结构大为简化。控制系统按速度控制的规定从时钟脉冲控制线发出相应的控制脉冲即可对步进电机的转速进行控制。当需要恒速运营时，就发出恒定频率的控制脉冲；当需要加速运营时，就发出频率递增的控制脉冲；当需要减速运营时，就发出频率递减的控制脉冲；当需要锁定状态时，只需要停止发脉冲就可以了。因此，可以方便地对电动机的转速进行控制。转向控制线可
6、实现对步进电机转向的控制，当输出高电平“1”时，环行分派器按正方向进行脉冲分派，步进电机正向旋转；当输出低电平“0”时，环行分派器按反方向进行脉冲分派，步进电机反方向旋转。1.3 本课题研究的意义传统的步进电机控制方法是由触发器产生控制脉冲来进行控制的，由此种方法构成的控制系统具有电路复杂、灵活性差、控制精度低、生产成本高、调试和维护麻烦等缺陷。在本设计中应用单片机接口技术，使用大规模集成电路PMM8713设计了一种新型的步进电机控制系统，这种控制系统具有集成度高、电路简朴、成本低、控制精度高、调试和维护方便等优点。这种步进电机的接口电路，可以通过对单片机的设定，用同一种电路，实现对各种励磁方
7、式下3、4相步进电机的控制和驱动，从而大大提高了接口电路的灵活性和通用性。通过本课题的研究，能全面巩固单片机及其控制技术的相关知识和技能；能掌握步进电机的运营原理及控制方法；能了解芯片的选择、程序的编写、软硬件的配合、各种抗干扰措施的应用等方面的知识。总之，本设计既能结合工业生产生活的实际又能达成本次毕业设计的规定。2控制系统硬件电路的设计2.1单片机最小应用系统设计单片微型计算机(SingIechipmicrocomputer)简称单片机。它把组成微型计算机的各功能部件：中央解决器(CPU),随机存取存储器RA血只读存储器ROM,可编程存储器EPR0M,并行及串行输入/输出(I/O11)接口
8、电路及其它功能部件如定期器/计数器、中断系统等集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机。随着大规模集成电路技术的发展,单片机内还可包含A/D和D/A转换器、高速输入/输出部件、DMA通道、浮点运算等新的特殊功能部件。由于它的结构和指令都是按工业控制规定设计的，特别适合于工业控制及与控制有关的数据解决场合，因而目前应确切称其为微控制器(MiCrOCOntrOller)。由于单片机和普通微机相比，具有小巧、灵活、成本低、可靠性强、面向控制好、易于产品化、适应温度和湿度变化范围宽，能在各种恶劣的环境下工作等独特的优点，使得它在众多需要进行高精度控制的场合得到广泛应用。单片机加上适当的外围器件
9、和应用程序便构成了最小应用系统。最小应用系统设计是单片机应用系统设计的基础。它涉及单片机的选择、时钟系统设计、复位电路设计、简朴I/O扩展、掉电保护等。Cl=IC2；1.*+57XTA1.ltPlXTA1.2p2RSTP380512.1.18051单片机简介（1） 8051单片机的基本结构8位中央解决器CPU振荡器与时序电路4KB程序存储器ROM256B的数据存储器RAM1个可编程串行口4个8位的I/O端口2个16位的定期器/计数器Pl.01VocPl.12PO.0AttPl.23PO.lADPl.34PO.2/ADePl.45PO.3/ADBPl.56PO.4/ADjPl.67PO.5/Af
10、tPl.78PO.6/AIbRST9PO.7/AD?RXD/P3.01080512EAVTXD/P3.111A1.E/PROGfNTP3.212PSENlNTlP3.313P2.7/A15T0/P3.414P2.6A输入OCVTO输出的传导。重要由光电转换元件组成。如图1_2-13所示。图213光电耦合原理图控制输出时，微机输出的控制信号经741.S04非门反相后，加到光电耦合器的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，通过反相加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏三极管截止，输出信号几乎等于加在光敏三极管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极
11、管导通并发光，光敏三极管接受发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。本设计中采用光电耦合器T1.P521-4,它能使输入输出绝缘，从而对地电位差干扰和电磁干扰有很强的克制能力，且速度高、价格低、接口简朴。2.5 步进电动机概述步进电动机是一种将电的脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件，通俗的讲，就外加一个脉冲信号于这种电动机时，它就运营一步。步进电机的种类很多，一般分为反映式、混合式、永磁式、直线式四大类，其中反映式和混合式比较常用。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
12、这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简朴。2.5.1 步进电机的结构和原理本设计中选用的是三相反映式步进电机,下面对其结构和原理作进行简要的说明。图2-14反应式步进电动机的结构示意图反映式步进电机又为磁阻式步进电机，如图2T4所示，这是一台三相电机，定子铁心有硅钢片叠成，定子上有6个磁极（大齿），共有3套控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁心构成，转子上没有绕组，转子只有4个齿，齿宽等于定子的极靴宽。反映式步进电机的是运用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反映转矩而转动的。
13、当A相控制绕组通电,而B相和C相不同电时，由于磁通具有力图走磁阻最小途径的特点，所以转子齿1,3的轴线与定子A极轴线对齐。同理,当断开A相,接通B相时，转子便按逆时针方向转过30度，使转子齿2,4的轴线与定子B轴线对齐。断开B相，接通C相，转子再转过30度，使转子齿1,3的轴线与C极轴线对齐。如此按A-B-C-A顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步步地按逆时针方向连续转动。其转速取决与各控制绕组通电和断电的频率（即输入脉冲的频率），旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。若上述电机通电顺序改为A-C-B-A则电机转向变为顺时针。这种按A-B-C-A方式运营的称为三相单三拍运营。所谓“三相”,
14、指此步进电机具有三相定子绕组；“单”是指每次只有一相绕组通电；“三拍”指三次换接为一个循环，第四次换接反复第一次的情况。除了这种运营方式外，三相步进电机还可以三相六拍和三相双三拍运营。三相六拍运营的供电方式是A-AB-B-BC-C-CA-A这时，每一循环换接6次，共有6种通电状态。三相双三拍的运营方式是AB-BC-CA-AB方式供电。这时，与单三拍运营时同样，每一循环也是换接3次，共有3种通电状态，但不同的是每次换接都同时有两相绕组通电。2.5.2步进电机控制方法步进电机可进行角度控制。每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号Ob表达。当电机按三相单三拍运营，即按A-B-C-A顺序
15、通电时，若开始时是A相通电，转子轴线与A相磁极的齿轴线对齐；换接一次绕组，转子转过的角度为1/3齿距角；转子需走3步，才转过一个齿距角；此时转子轴线又重新与A相磁极的齿轴线对齐。由于转子相邻两齿间的夹角，即齿距角为(式中，ZR为转子齿数)，所以转子每步转过的空间角度(机械角度)，即步距角为式中，N为运营拍数，N=km(k=l,2;m为相数)步进电机也可以进行速度控制。角度控制时，每输入一个脉冲，定子绕组就换接一次，输出轴就转过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。速度控制时，送入步进电机的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电机连续运转，它的转速与脉冲频率成
16、正比。由上面的公式可知，每输入一个脉冲，转子转过的角度是整个圆周的1/(ZliN),也就是转过1/(ZzfN)转，因此每分钟转子所转过的圆周数，即转速为n=W(r/min)(23)ZnN式中，f为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。步进电机具有自锁能力。当控制脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，电机可以保持在固定的位子上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位子上。这样，步进电机可以实现停车时转子定位。2.5.3步进电机的矩频特性作单步运营时的最大允许负载转矩为Tq,但当控制脉冲频率逐步增长时，步进电机所能带动的最大负载转矩值将逐步下降。这就是说，电机连续转动时所产生的最大
17、输出转矩T是随脉冲频率f的升高而减少的。T与f两者间的关系曲线称为步进电机运营矩频特性，如图2-15所示。图2-15步进电机的频率特性2.5.4步进电机的启动若步进电机本来静止于某一相的平衡位置上，当一定频率的控制脉冲送入时电机就开始转动，但转速不是一下子就能达成稳定数值的，有一暂态过程，这就是启动过程。在一定负载转矩下，电机正常启动时（不丢步、不失步）所能加的最高控制频率称为启动频率。这也是衡量步进电机快速性能的重要技术指标。启动频率要比连续运营频率低得多。这是由于电机刚启动时转速为0,在启动过程中，电磁转矩除了克服负载转矩外，还要克服转动部分的惯性矩Jd20dt2（j是电机和负载的总惯量）
18、，所以启动时电机的承担比连续运转时要大。假如启动时脉冲频率过高，则转子的速度就跟不上定子磁场的旋转速度，以致第一步后的位置落后于平衡位置，以后各步中转子速度增长不多，而定子磁场仍然以正比于脉冲频率的速度向前转动。因此，转子位置与平衡位置间的距离越来越大，最后转子位置落到动稳定区之外而出现丢步或振荡现象，从而电机不能启动。为了能正常启动，启动频率不能过高，但电机一旦启动以后，假如再逐渐升高脉冲频率，由于这时转子加速度2。/di?较小，惯性矩不大，因此电机仍能升速。显然连续运营频率要比启动频率高。当电机带着一定的负载转矩启动时.，作用在电机转子上的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转矩越大，加
19、速转矩就越小，电机就越不容易启动。只有当每步有较长的加速时间（即较低的控制脉冲频率）时电机才干启动。所以，随着负载的增长，其启动频率时下降的。要提高启动频率，重要有可以从以下三方面考虑:提高电机的转矩；减小电机和负载的惯量；增长电机运营的拍数，使矩角特性移动速度减慢。2.6电源电路设计电源电路如图2T6所示，由变压器、整流桥、滤波电路和稳压块组成。交流220V通过变压器降压到14V左右，通过整流桥整流为脉动的直流。电路中Cl、C2组成了滤波电路，可以起到改善波纹的作用。C3的作用是改善负载的瞬态响应。1.M7805产生的+5v电源是给单片机系统中的各集成块提供+5V电源。1.M7812产生的+
20、12电源是给步进电机接口电路提供所需要的+12V电源。为此系统电源设立了两路供电线路。一路专为+5V电源。变压器次级的交流电经二极管全桥整流电容滤波后得到的直流电压送入1.M7805三端集成稳压块内，输出+5V电压。另一路为+12V电源。为了避免步进电机工作时的强电磁脉冲干扰系统电路正常工作，采用单独的电源为步进电机供电。此电路选用的是1.M7812集成稳压块。表2-2稳压模块参数型号Vin(V)Vout(V)Imax(V)1.M78057.5204.8-5.21.01.M781214.5271112.51.0(1)单片机对步进电机的控制方法:单片机对步进电机的控制有串行控制和并行控制两种方式
21、。本设计采用的是串行控制方式，此方式下单片机控制系统与步进电机驱动器之间只有两条控制线。一条发出时钟脉冲信号来控制步进电机的转速；另一条发出转向信号控制步进电机的转向。这两个信号都是送入步进电机驱动器的输入端，驱动器中具有环行分派器，对步进电机励磁方式的控制和控制脉冲的分派都是由环行分派器来完毕的。由于单片机控制系统与驱动器之间只有两条控制线，从而使系统结构大为简化。控制系统按速度控制的规定从时钟脉冲控制线发出相应的控制脉冲即可对步进电机的转速进行控制。当需要恒速运营时，就发出恒定频率的控制脉冲；当需要加速运营时，就发出频率递增的控制脉冲；当需要减速运营时，就发出频率递减的控制脉冲；当需要锁定状态时，只需要停止发脉冲就可以了。因此，可以方便地对电动机的转速进行控制。转向控制线可实现对步进电机转向的控制，当输出高电平“1”时，环行分派器按正方向进行脉冲分派，步进电机正向旋转；当输出低电平“0”时，环行分派器按反方向进行脉冲分派，步进电机反方向旋转。步进电机接口的原理图如图2-17所示:DlRlVcc图2-17
