1、第1章 引言1.1 步進電機控制的現狀步進電機是機電設備中廣泛使用的一種電機，以控制、驅動裝置構成的步進電機伺服系統在經濟型數控機床、機器人、工業過程控制及儀器儀表等領域得到了廣泛的應用。過去由純電路設計的步進電機控制和驅動電路，往往電路結構復雜，使用元器件多而成本高且通用性差。如果采用微型計算技術，以及軟件編程的方法，將會避免復雜電路的設計，降低元器件的成本，使步進電機控制更具有通用性和靈活性。這次設計是基于at89c51單片機的步進電機伺服系統，是以單片機作為步進電動機的下位控制、微機作為上位控制的一套系統，同時采用max232通訊模塊將上位機和下位機兩個部分連接，用以傳輸數據，實現對步進

2、電機轉向、轉速及轉角的有效控制。系統采用mcs-51系列單片機，電路簡單可靠，結構緊湊，整個系統的性能優于傳統的步進電機控制器。對于不同型號的步進電機的控制，不需改變硬件電路，通過修改軟件，即能實現多種控制，靈活方便，通用性強，成本低，具有廣闊的應用領域1。1.2 步進電機的特點步進電動機區別于其他用途電動機的最大特點是，它接收數字控制信號（電脈沖信號），并轉換成與之相對應的角位移或直線位移。它本身就是一個完成數字/模擬轉換的執行元件。而且它可開環位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統與傳統的直流伺服系統相比，其成本明顯降低，幾乎不必進行系統調整，因此，

3、隨著運動控制系統數字化到來，步進電動機的應用日益廣泛。例如，在計算機外圍設備（如打印機、磁盤驅動器、數字繪圖儀、紙帶穿孔機）、現代辦公室設備（如復印機、傳真機）、各種自動機、儀器設備、材料輸送機、數控機床、工業機器人等中獲得大量應用。與之相適應，各國半導體廠商開發生產了大量適用與步進電動機控制的專用集成電路。1.3 本設計需要解決的問題本設計主要解決如下三個問題：1、設計通過硬件實現脈沖分配，用脈沖分配器芯片實現單片機定時器控制脈沖的產生。2、控制電機的轉速和方向的時候，單片機需向脈沖分配器發送步進脈沖和控制旋轉方向的電平信號。3、為了提高電機在啟動時的響應速度，通過高低壓驅動電路,解決了電機

4、繞組電感作用較強產生的脈沖范圍內平均電流太小的問題。1.4 本設計的優越性以往的步進電動機控制中，沒有或極少對相繞組的阻尼問題加以解決，而直接利用單片機實現軟件脈沖分配。在本設計中，通過方案論證、比較，從可行性，實用性等方面加以考慮，使控制方案更加完善。以微機作上位控制、單片機作下位控制的步進電機伺服系統結構合理，可靠性和靈活性高，成本低，能較好地完成多種實時控制任務，具有較好的推廣和應用前景。第2章 步進電機控制原理2.1 步進電機概述步進電機可以對旋轉角度和轉動速度進行高精度控制。步進電機作為控制執行元件， 是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統和精密機械等領域。隨著電子

5、和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用2。步進電機和普通電動機不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。步進電機可分為反應式步進電機（簡稱vr）、永磁式步進電機（簡稱pm）和混合式步進電機（簡稱hb）。其中反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。現階段，反應式步進

6、電機獲得最多的應用。2.2 步進電機基本原理 步進電機兩相鄰磁極間的夾角60。線圈繞過相對的2個磁極，構成一相(a-a，b-b，c-c)。磁極上有5個均勻分布的矩形小齒，轉子上沒有繞組，而有40個小齒均勻分布在其圓周上，且相鄰2個齒之間的夾角為9。當某組繞組通電時，相應的2個磁極就分別形成n-s極，產生磁場，并與轉子形成磁路。如果這時定子的小齒與轉子沒有對齊，則在磁場的作用下轉子將轉動一定的角度，使轉子齒與定子齒對齊，從而使步進電機向前“走”一步。步進電機的驅動電路根據控制信號工作，控制信號由單片機產生。其基本原理作用如下：1控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工

7、作方式，其各相通電順序為a-b-c-a，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制a-b-c-a相的通斷。2 控制步進電機的轉向如果給定工作方式正序通電換相，步進電機正轉；如果按反序通電換相，則電機反轉。3 控制步進電機的速度如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機產生的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速3。2.3 步進電機控制方式如果通過單片機按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機的轉動，從而實現數字角度的轉換。轉動的角度大小與施加的脈沖數成正比，轉動的速度與脈沖頻率成正比，而轉動方向則與脈沖的順序有關。以

8、三相步進電機為例，電流脈沖的施加共有3種方式。單相三拍方式(按單相繞組施加電流脈沖):abc正轉;acb 反轉。雙相三拍方式(按雙相繞組施加電流脈沖):abbcca正轉;accbab反轉。三相六拍方式(單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖):aabbbccca正轉;aacccbbba反轉。單相三拍方式的每一拍步進角為3，三相六拍的步進角則為1.5，因此，在三相六拍下，步進電機的運行反轉平穩柔和，但在同樣的運行角度與速度下，三相六拍驅動脈沖的頻率需提高1倍，對驅動開關管的開關特性要求更加高。2.4 步進電機驅動方法步進電機常用的驅動方式是全電壓驅動，即在電機移步與鎖步時都加載額定電壓。為了防止電機

9、過流及改善驅動特性，需加限流電阻，由于步進電機鎖步時，限流電阻要消耗掉大量的功率，故限流電阻要有較大的功率容量，并且開關管也要有較高的負載能力。所以在此次設計中采用高低壓驅動，這是另一種步進電機的驅動方式，即在電機移步時，加額定或超過額定值的電壓，以便在較大的電流驅動下，使電機快速移步；而在鎖步時，則加低于額定值的電壓，只讓電機繞組流過鎖步所需的電流值。這樣，既可以減少限流電阻的功率消耗，又可以提高電機的運行速度，但這種驅動方式的電路要復雜一些。驅動脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實現。步進電機控制(包括控制脈沖的產生和分配)也可以使用軟件方法，即用單片機以軟件方式驅動步進電機的實現

10、方法。第3章 控制方案論證本設計的重點在于對步進電動機的控制和驅動，設計中被控制的電機為57byg069型號的三相步進電機。3.1 系統控制方案方案一：使用pmm8713脈沖分配器參與控制電機。其原理如圖3-1所示。pmm8713 單 片 機 步進電動機 高低驅動電路 圖3-1方案一原理示意圖 pmm8713是日本三洋電機公司生產的步進電機脈沖分配器。該器件采用dip16封裝，適用于二相或四相步進電機。pmm8713在控制二相或四相步進電機時都可選擇三種勵磁方式（1相勵磁，2相勵磁，1-2相勵磁三種勵磁方式之一），每相最小的拉電流和灌電流為20ma，它不但可滿足后級功率放大器的要求，而且在所有

11、輸入端上均內嵌有施密特觸發電路，抗干擾能力很強。在pmm8713的內部電路中，時鐘選通部分用于設定步進電機的正反轉脈沖輸入法。pmm8713有兩種脈沖輸入法：雙脈沖輸入法和單脈沖輸入法。采用雙脈沖輸入法的連線方式，其中cp、cu兩端分別輸入步進電機正反轉的控制脈沖。當采用單脈沖輸入法時ck為時鐘脈沖輸入，步進電機的正反轉方向由u/d的高、低電位決定。片中的激勵方式控制電路用來選擇采用何種勵磁方式。激勵方式判斷電路用于輸出檢測；而可逆環形計數器則用于產生步進電機在選定的勵磁方式下的各相通斷時序信號4。pmm8713的芯片結構和封裝原理如圖3-2所示。 vdd pmm8713cocu時鐘選通em激

12、 勵 判 斷cp1234可逆環型計數ck2u/dea激勵方式控制rcess圖3-2 pmm8713的芯片結構和封裝原理通過pmm8713脈沖分配器把控制信號自動的分配到電機的各相，既可以接三相、四相電機，又提高了cpu的利用率，使cpu有時間去從事其他工作。使用不同的放大電路和不同參數的器件，可以達到不同的放大要求，放大后能夠得到較大的功率。方案二：使用l298n芯片控制電機。其原理如圖3-3所示。單片機l298n步進電動機圖3-3 方案二原理示意圖l298n芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50v，可以直接通過電源來調節輸出電壓，但在電機已選定的情況下，輸出方

13、式不能靈活地改變，且單片機要不停地發送脈沖，cpu利用率不高。通過對兩種控制方案的比較與論證，方案一充分發揮了硬件的功能，在控制的時候更加直接，反應更加迅速，能提高步進電機啟動時的響應速度，穩定地驅動步進電機，最后得出結論在設計中選用方案一。第4章 系統硬件設計綜合以上選取的方案，總的系統原理示意圖如圖4-1所示。單 片 機 pmm8713 2sd1414 4位鍵盤 保護電路 步進電動機 發光二極管 pc機max232圖4-1 系統原理示意圖本文設計所采用方案原理分析如下（電路原理圖見附錄2）：由鍵盤輸入需要的電機轉向和轉速以及方式控制值，按下確定鍵后，輸入的速度值經程序轉換成十六進制數作為單

14、片機中定時器t1的初值并從二極管中顯示出來，啟動單片機內部定時器t1當定時器產生溢出時，向cpu申請中斷，cpu執行中斷服務程序，變換p1.0的電平。循環地變換p1.0的電平，單片機就可以發出所需頻率的方波控制信號。方波信號頻率決定了電機轉速，方波信號由脈沖分配器的3引腳輸入。電機轉向由單片機的p1.1輸出進行控制，信號送入脈沖分配器，控制脈沖分配器輸出正或反相序的脈沖信號，相序的方向決定電機的轉向，實現了電機的正反轉控制。步進電機各相繞組通電方式控制由單片機的p1.2、 p1.3、 p1.4輸出，信號分別由脈沖分配器的引腳5（ea）、引腳6（eb）、引腳7（c）輸入，其中引腳5和引腳6的輸入

15、決定了電機的節拍方式，引腳7的輸入決定了脈沖的三相或四相輸出。從脈沖分配器的輸出控制系統的驅動電路。此處，以電機繞組的其中一相為例說明驅動部分電路原理，當q1輸出高電平時，高電壓電路的晶體管t9、t2和t1導通（2sd1414中有d1、d2、d3和d4四個晶體管）， uv(24v)電壓就加到繞組l1上。同時，uv和ucc同時加到二極管d9的兩側，低壓側ucc (8v)被迫截止。由此，繞組l1中就會有較大的電流，電流迅速上升，克服了繞組的阻尼作用。當電流值上升到驅動的額定電流值，ne555輸出的短時間脈沖變為低電平，高壓驅動電路中t2和t1就截止，此時，二極管d9導通，低壓驅動電路工作，電機工作

16、在額定電壓下。在q1信號消失前步進電機就完成了一個步距角，再來一個信號步進電機又前進一個步距角，這樣重復以上動作，使電機不停的運轉起來，通過控制繞組的通電頻率就可以控制電機的速度，獲得良好的運行特性。高低壓所需要的窄脈沖由ne555定時器構成的單穩態電路提供，而ne555的觸發脈沖由pmm8713的15 腳提供5。功率晶體管采用達林頓管2sd1414。電路原理圖見附錄2。4.1脈沖分配電路pmm8713眾所周知，在步進電機的控制系統中，主要由步進電機、控制器、驅動對象三個部分組成。早期的步進電機控制器采用分立元件，硬件電路復雜、可靠性差、體積大、價格昂貴，對于不同產品其參數需要重新設計，在推廣

17、應用中受到很大的限制。單板機問世以后，呈現出步進電機控制器被單板機取代的趨勢，但單板機的抗干擾性差，而難以在工業現場中運行，所以這種取代又遇到了新的困難。近年來，mcs296 系列單片機的誕生，尤其是8098單片機及其開發系統的出現為步進電機的控制系統提供了比較理想的機種，但是這種控制系統開發周期相對較長，且需要費用仍然太高。為了克服這些不足，本設計應用到了pmm8713，它工作時不占用cpu 的時間，系統反應快。由于具有這些優點，使得本系統可以廣泛應用于自動機床、機器人控制技術以及需要精確定位的裝置等領域。而且組成本系統步進電機控制器所選用的電子元件均為一般電子元件，性價比高6。4.1.1

18、脈沖分配器的基本原理驅動步進電動機時，需要由單相脈沖電壓得到多相步進電壓，為此，采用脈沖分配電路。圖4-2是晶體管脈沖分配電路，電路中，vt1、vt3、vt5的發射極電阻r1的阻值應確保一個晶體管導通，其余兩個晶體管截止；同時，vt2、vt4、vt6的發射極電阻r2的阻值應確保兩個晶體管導通，另一個晶體管截止，因此，若vt3導通時，vt1、vt5截止，vt2、vt6導通時，vt4截止等。在上述狀態下，若輸入脈沖信號，則通過二極管vd1、vd2、vd3強迫vt1、vt3、vt5全部截止，因此，原來截止的vt1、vt5不變，改變的僅是原來導通的vt3現變為截止。若vt3變為截止，則vt4導通。因此

19、，通過c2使vt6截止，vt5導通，同時c3使vt2導通，但這時，vt4同時導通，不變化的循環狀態到此停止。這樣，輸入一個脈沖信號，導通狀態由vt3轉移到vt5。若再輸入一個脈沖信號，導通狀態由vt5轉移圖4-2 晶體管脈沖分配電路到vt1。也就是說，正步進電壓由u2轉移到u3，再由u3轉移到u1。這就成為產生一個相勵旋轉磁場的三相電源。 4.1.2 pmm8713引腳功能說明pmm8713是由日本sanyo（三洋）電機公司生產的步進電機控制用的脈沖分配器（又稱邏輯轉換器），為雙列直插式16腳單片cmos集成芯片，其管腳圖如圖4-3。圖4-3 pmm8713外部封裝圖pmm8713既可以用于3

20、相控制，又可以用于4相控制。勵磁有1相、2相和1-2相三種方式，通過電路設計可任選其中一種激勵方式。此外，pmm8713還具有單時鐘或雙時鐘工作方式，帶有正反轉控制功能以及初始化復位功能。其內部有1、時鐘選通，2、激勵方式控制，3、可逆環形計數， 4、激勵方式判斷等電路。pmm8713所有輸入端均采用施密特整形電路，因此抗干擾能力強。輸出電流大于20ma，可直接驅動微型步進電機。各引腳功能說明：cu（pin1）、cd（pin2）是雙時鐘工作的時鐘輸入端。cu端接正轉時鐘；cd端接反轉時鐘。ck（pin3）為單時鐘輸入端，此時步進電機的正反轉由u/d（pin4）腳來控制。在電路處于單時鐘輸入控制

21、的前提下，當u/d=高電平時，則輸出端輸出正轉脈沖序列；當u/d=低電平時，則輸出端輸出反轉脈沖序列。ea（pin5）和eb（pin6）為激勵方式選擇端。eaeb00時，為雙激勵方式；eaeb11時，為1-2相激勵方式；eaeb01或10(即兩電平相反)時，為單激勵方式。3/4（pin7）為三相或四相選擇控制端。當該腳=0時，為三相輸出；當該腳=1時，為四相輸出，通過該腳可以選擇控制三相或四相步進電機。（pin1310）為4個相驅動端。3相用（=0），4相用端。em（pin14）是激勵方式狀態標志。雙激勵方式該端輸出為高電平；單激勵方式該端輸出為低電平；1-2相激勵時，該端輸出兩倍時鐘周期的脈

22、沖。co（pin15）為輸入時鐘檢測端。當該電路有時鐘脈沖輸入時，在co端可輸出時鐘的同步脈沖。r（pin9）為復位控制端，加低電平使輸出端復位為表1所示的初始狀態。（其中0表示低電平，1表示高電平）。3相輸出時11到13為輸出引腳，4相輸出時10到14為輸出引腳7。表4-1 pmm8713各引腳功能說明 引腳號符號功能說明12345678910111213141516cucdcku/deaebcvssr1234emco輸入脈沖，正轉cw時鐘輸入脈沖，反轉cw時鐘輸入脈沖，(單時鐘方式用)方向轉換，0反轉，1正轉激勵方式控制，eaeb:1112相，002相01，101相3/4相選擇，0-3相，

23、14相地復位端，低電平有效輸出輸出 輸出 輸出激勵監視:01相，12相，脈沖表示12相激勵輸出與時鐘同步脈沖正電源，+4+18v4.2 通信模塊max232電路設計 4.2.1 max232介紹 1max232產品是由德州儀器公司（ti）推出的一款兼容rs232標準的芯片。其供電電壓5v，耗電5ma，外接4個1uf電容，這是一種雙組驅動器/接收器，片內含有一個電容性電壓發生器以便在單5v電源供電時提供eia/tia-232-e電平。每個接收器將eia/tia-232-e電平輸入轉換為5v ttl/cmos電平。這些接收器具有1.3v的典型門限值及0.5v的典型遲滯，而且可以接收30v的輸入。每

24、個驅動器將ttl/cmos輸入電平轉換為eia/tia-232-e電平。所有的驅動器、接收器及電壓發生器都可以在德州儀器公司的linasictm元件庫中得到標準單元。max232的工作溫度范圍為0至70，max232i的工作溫度范圍為-40至85。如果通信距離很短用兩個非門即可。具體方法是將非門串接在單片機與pc之間的rx和tx端。2max232有如下一些主要特點：1. 單5v電源工作。2. linbicmos 工藝技術。3. 兩個驅動器及兩個接收器。4. 30v輸入電平。5. 低電源電流：典型值是8ma。6. 符合甚至優于ansi標準eia/tia-232-e及itu推薦標準v.28。7.

25、esd保護大于mil-std-883（方法3015）標準的2000v。3max232的工作特性：1. 工作溫度（自然通風）范圍內的極限參數（除非另有說明）。2. 輸入電源電壓范圍，vcc-0.3v至6v。3. 正輸出電源電壓范圍，vs+ vcc-0.3v至15v。4. 負輸出電源電壓范圍，vs 0.3v至-15v。5. 輸入電壓范圍，vi：驅動器0.3vvcc+0.3v接收器30v。6. 輸出電壓范圍，vo：t1 out，t2 out vs0.3v至vs+0.3v，7. r1 out，r2 out -0.3v至vcc+0.3v。8. 短路持續時間：t1out，t2out未限制。9. 工作溫度（

26、自然通風）范圍，ta：max232：070。 10. max232i：-4085。11. 存儲溫度范圍，tstg： -65150。12. 引線溫度，離外殼1.6mm(1/16英寸)，10秒260。強度超出所列的極限參數可能導致器件的永久性損壞。這些僅僅是極限參數，并不意味著在極限參數條件下,或在任何其它超出推薦工作條件所示參數的情況下器件能有效地工作,延長在極限參數條件下的工作時間會影響器件的可靠性8。4.2.2 max232原理圖設計將數據采集后，需要及時的上傳到上位機進行相應的處理，所以我們設計了rs-232接口。通過按鍵存儲采集到的數據，之后就可以連接到上位機，將數據發送到上位機的數據窗

27、口中。max232通過并口總線和上位機，也就是pc機相連接，通過11腳接單片機（89c51）的txd，12腳接單片機的rxd端口，實現了數據的傳輸和交換，在本設計中max232的電路連接原理圖如圖4-4所示： 圖4-4 max232原理圖4.3反應式步進電動機4.3.1 步進電機基本結構圖4-5 三相步進電機結構示意圖反應式步進電機定子相數m=26，定子極數為2m，圖4-5為一個三相反應式步進電機的示意圖，定子上6個磁極，每個磁極上都套有控制繞組，相對兩磁極的繞組為同一相，轉子上有4個齒，齒寬與定子極靴寬度相等，定、轉子鐵心均為凸極結構，由硅鋼片沖制疊壓而成。步進電動機的結構形式和分類方法較多

28、。按勵磁方式分類，可將步進電動機分為永磁式（pm）、反應式（vb）和混合式（hb）三類。反應式步進電動機結構簡單，使用較多。下面以一種簡單的四相反應式步進電動機為例，簡單說明其工作原理。反應式步進電動機每一步轉過的角度為30或15，步距角較大，如在數控機床中應用根本不能滿足加工精度的要求。因此，實際應用的步進電動機是小步距角電動機9。四相反應式步進電機的結構與三相電機類似，此處為了方便說明步進電機結構，以三相步進為例進行說明，參見圖4-5。四相反應式電機的定子鐵心由硅鋼片疊成，定子上有8均勻分布的磁極，每個磁極上又有若干小齒（本例有5個），各磁極上套有線圈，徑向相對的兩個磁極上的線圈構成一相。

29、轉子也是由硅鋼疊成的，若干小齒（本例為50在圓周上均勻分布）。根據工作要求，定子小齒的齒距必須對于轉子小齒的齒距，且轉子的齒數有一定限制。定義每個小齒所占有的角度為齒距角： (41)式中 齒距角。 轉子小齒數。定子一個極距所對的轉子小齒數為： (42)式中 m相數。設電機為四相四拍通電方式。當a相控制繞組通電時，產生了沿a-a極軸線方向的磁通，由于磁通力圖通過磁阻最小路徑，使轉子受到反應轉矩的作用而轉動，直到轉子齒軸線和定子磁極a-a上的齒軸線對齊為止。因為轉子共有50個齒，每個齒距角，定子一個極距所對的轉子齒數為，不是整數，因此當a-a極下的定、轉子齒軸線對齊時，相鄰兩對磁極b-b和d-d極

30、下的齒和轉子齒必然錯開1/4齒距角，即。如果斷開a相而接通b相，產生沿b-b極軸線方向的磁通，同樣在反應轉矩的作用下，轉子按順時針方向轉過1.8。依此類推，控制繞組按a-b-c-d-a的順序循環通電時，轉子就按順時針方向一步一步連續地轉動起來。每換接一次繞組，轉子轉過1/4齒距角。顯然，如果要使步進電機反轉，只要改變通電順序，即按a-d-c-b-a的順序循環通電時，則轉子便按逆時針方向一步一步地轉動起來，步距角同樣為1/4齒距角，即。如果運行方式改為四相八拍，通電方式為a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a，即單相通電和兩相通電相間隔，步距角為四相四拍運行時的一半，即。當步進電動機運行方式

31、為四相雙四拍，即ab-bc-cd-d-da-ab方式通電時，步距角與四相單四拍運行時一樣，為1/4齒距角，即。由此可見，步進電動機的步距角由轉子齒數、定子相數和通電方式所決定，即： (43) 式中c-狀態系數，用單雙通電方式c=2，用單或雙通電方式時c=1,n-拍數。既然每個控制脈沖使步進電動機轉過一個，電機的實際角位移應為： (44)式中 n-控制脈沖的個數。若步進電動機所加的通電脈沖頻率為f，則其轉速為： (r/min) (45)步進電動機的相數可以是兩相、三相、四相、五相、六相或更多相數。相數和轉子齒數越多，則步距角越小，精度越高。但供電電源和電機結構也越復雜，會增加成本。所以一般最多制

32、成六相，大于六相的步進電動機極為少見10。圖4-6是四相步進電動機的一、二相8拍通電順序。輸入脈沖a相b相c相d相a-相b-相c-相d-相圖4-6 一、二相8拍通電順序圖4-2 三相步進電機結構示意圖4.4 功率驅動電路功率放大電路的種類很多。按照電流流過繞組的方向是單向的還是雙向的，可以把功率放大電路分為雙極性驅動電路和單極性驅動電路兩類。單極性驅動電路適用于反應式步進電動機，而雙極性驅動電路適用于永磁式和混合式步進電動機。本設計中選用單極性驅動電路的高低壓驅動。由于電感的存在，繞組的通電和斷電不能瞬時完成。由于電流上升緩慢會導致電機的啟動時的響應速度不高，采用高低驅動電路則可以解決這個問題

33、。4.4.1 高低壓驅動電路基本原理1、高低壓驅動電路。高低壓驅動的基本思路是不論電動機工作的頻率如何，在繞組通電的開始由高壓供電，使繞組中電流迅速上升，而后用低壓來維持繞組中的電流。高低壓驅動電路的原理如圖4-7所示。當要求某相繞組通電時，開關管vt1和vt2的基極都有信號電壓輸入。高壓控制脈沖uh與低壓控制脈沖ul同時起步，但高壓控制脈沖寬度要窄得多。兩個控制脈沖使開關管vt1和vt2同時導通，于是高電壓uh為電動機繞組供電。這時，二極管vd2承受反向電壓處于截止狀態，使得低電壓ul不對繞組起作用。在高電壓作用下，繞組中電流i快速上升，電流波形的前沿很陡。當脈沖uh降為低電平時，vt1圖4

34、-7 高低壓驅動原理圖截止，高電壓被切斷，低電壓ul通過二極管vd2為繞組繼續供電。由于繞組電阻小，回路中又沒串聯電阻，所以低電壓只需要數伏即可為繞組提供較大電流。當要求繞組斷電時，vt2基極上的信號電壓消失，于是vt2截止，繞組中的電流經二極管vd1和二極管vd2放電，電流迅速下降。采用高低壓切換型驅動電路，電機繞組上不需要串聯電阻，所以電源功耗比較小。高低壓驅動電路可以使相繞組的電流迅速上升并達到額定值，在關斷時電流又能迅速泄放，因此改善了電機啟動時的響應速度。由于這種驅動電路在低頻時繞組通電周期長，繞組電路有較大的過沖，所以低頻時電機的振動噪聲較大。因此，對于不同的應用要求可選用不同的驅

35、動電路。例如：單電壓驅動電路結構簡單，功放元件少、成本低。但是效率低，只適用于驅動小功率步進電動機或用于性能指標要求不高的場合11。1、高低壓驅動電路波形如4-8所示： 圖4-8 高低壓驅動電路波形圖4.4.2 高低壓電路的觸發信號高電壓所需要的短時間脈沖由ne555定時器構成的穩態電路提供，而ne555的觸發脈沖由pmm8713的15腳提供。ne555引腳1接地；引腳2接觸發脈沖vi；引腳3輸出脈沖vo；引腳4接高電平，否則輸出為低電平；引腳5接電容后再接地；引腳6、引腳7分別接可調電阻和可調電容，電容電壓vc；引腳8接電源。ne555的外部封裝如圖4-9所示。圖4-9 ne555定時器當觸

36、發脈沖vi下降沿到達，使vi跳變到1/3vcc以下時，vo跳變成高電平，電路進入暫穩態，與此同時，vcc經r、rp開始向電容c充電。當充電至vc=2/3vcc時，若此時輸入端的觸發脈沖已消失，vi回到了高電平，于是輸出vo返回到低電平，同時電容c迅速放電，直到為零，電路恢復穩態，圖4-10畫出了在觸發信號作用下vc和vo的相應波形。 vovcvittt0002/3vcc圖4-10 電壓波形圖tw輸出脈沖的寬度tw等于暫穩態的持續時間，而暫穩態的持續時間取決于外接電阻和電容的大小。由圖4-10可知，tw等于電容電壓在充電過程中從0上升到2/3vcc所需要的時間，因此得到：=rcln3=1.1rc

37、 （4-6）4.5 4位鍵盤電路在設計中，使用了4位鍵盤，單片機的p0口前4位為鍵盤的接口，設計要求中只需要4個鍵對步進電機的狀態進行控制。如果為了性能在后面的功能擴展可以采用4*4鍵盤，但是本設計出于簡單明了的角度出發，同時為了節約器件，仔細論證后決定才用4位鍵盤作為輸入設備12。電路圖如圖4-11所示：圖4-11 4位鍵盤電路4.6 二極管顯示電路方案方案一：數碼管串行接法。原理示意圖如圖4-12。74ls164 單片機 數碼顯示管 串口i/o輸出 圖4-12 方案一原理示意圖此原理可以顯示2位數字，用74ls164作為顯示驅動，其中帶鎖存，使用串行接法可以節約i/o口資源，發送數據時容易

38、控制，但是其采用的是一個芯片和數碼管，成本過高。方案二：二極管并行接法。原理示意圖如圖4-13。三極管和電阻保護電路二極管顯示二極管顯示二極管顯示二極管顯示三極管電阻保護電路三極管電阻保護電路三極管電阻保護電路三極管電阻保護電路單片機圖4-13 方案二原理示意圖二極管并行接法。直接采用二極管顯示方法，同時在二極管前面連接三極管和保護電阻，構成回路，能夠起到保護的作用，在各個小電路接入單片機的相應引腳。由于方案一中采用芯片控制數碼管顯示，造價和成本都更高。方案二中采用二極管、三極管和保護電阻構成回路，降低了整個硬件部分的成本，且電路連接清晰明了，發光二極管發出的不同顏色的光更加直觀。比如：電機啟

39、動用綠顏色，電機停止用紅顏色，便于觀察。故在這個設計中的顯示部分采用方案二。本設計顯示部分使用的是二極發光管，發光二極管不能直接接入到單片機上面，需要有外加的保護電路，每一個發光二極管的保護電路由一個電阻和一個三極管構成回路，再接入單片機89c51相應的端口，從而達到對二極管的保護作用13.其電路原理圖如4-14所示。圖4-14 二極管顯示電路第5章 系統軟件設計5.1 上位主機部分軟件設計 本設計中單片機控制系統的程序流程圖如5-1所示。上位主機部分的主要功能包括用戶界面管理、步進電機運行狀態監視、故障顯示、設定通訊協議、指令格式及發送控制指令等，采用vc+編寫。yyn初始化串口輸入控制命令

40、暫存控制命令發送連接信號計時發送指令顯示出錯信息返回可發送否計時滿否再發送指令n圖5-1上位主機發送指令的程序流程圖用戶輸入指令后，由計算機查詢單片機是否可以接收指令，若可以接收，則發送用戶的指令，如果此時單片機還沒空，就計時等待一段時間，在等待期間，不斷詢問單片機是否可以接收命令，如果計時滿，單片機還不能接收指令，則報告出錯信息，并顯示給用戶。每當發送一條指令后，用戶可以選擇是否繼續發送，即用戶可以預先編制一系列的控制指令，連續發送，通過步進電機控制執行機構完成一系列連貫的動作。5.2 下位機控制單片機部分軟件設計下位控制程序的主要功能包括串口初始化、定時器1初始化并設定相應的傳送波特率、中

41、斷接收指令、指令解釋、電機驅動以及返回指令等。它負責從上位計算機接收指令，并解釋指令，然后將其轉換成控制信號，從并行口輸出到功率放大電路14。單片機控制步進電機的具體程序流程圖5-2所示。開 始 串口初始化查詢按鍵有無按鍵ny根據按鍵控制電機設置顯示標志n查命令標志是否準備好y根據命令控制電機并顯示 圖5-2 單片機控制程序流程圖在進行通信連接的時候，max232接收到上位機的數據時，內部有一個中斷程序來判別是否接收，并按其進行相應的中斷運行程序，其程序流程圖如圖5-3所示。開始接受串口數據通訊標志是否準備好nyy是否55h接受并存儲數據命令nn是否01hy置通訊標志置命令準備好標志清通訊標志

42、中斷返回圖5-3 中斷程序流程圖結合上述流程圖的邏輯控制思想，可以寫出其核心之一的電機驅動的子程序，如下:void moto-run (distance，rate，command)unsign intdistance，rate; /distance，rate分別表示轉動脈沖數和轉速bitcommand; /commamd=1正轉，commamd=0反轉unsign charplus8=0x01，0x03，0x02，0x06，0x04，0x0c，0x08，0x09;/正unsign charmenus8=0x01，0x09，0x08，0x0c，0x04，0x06，0x02，0x03;/反unit

43、 round;if (n!=2) /n記錄上一次的轉向，n=2為初始值、n=1正轉、n=0反轉 if (command!=n) k=8-k+2; /轉動方向與上次不同時的位置換算 distance=k+distance; if (command) for (round=k;round7) p1=plusround%8; k=round%8+1;n=1; /k記錄當前的停留位置 elsep1=plusround; k=round+1;n=1; delay (rate); else for (round=k;round7) p1=menusround%8; k=round%8+1;n=0; els

44、e p1=menusround; k=round+1;n=0; delay (rate); 綜合整理上述思想，可以得出完整的程序設計或函數，詳見附錄1。下位控制程序從上位主機接收的每一條指令都包含轉動脈沖數、轉速、轉向等參數，分別存放在變量distance、rate、command中，每執行完一條指令后，用變量k、n記錄當前位置及轉向，以便下一條指令執行時，能由當前位置繼續運轉。數組plus、menus當前存放四相步進電機在四相八拍工作方式下的正反轉控制模型。若控制不同相數的步進電機在不同的工作方式下運轉，只需改變此控制模型及相應的參數即可。由此可見，其靈活性及適應性明顯優于傳統的步進電機控制

45、器15。5.3 結論通過論證表明：以pc機作為上位控制、單片機作為下位控制，中間通過max232及其相關電路進行連接通信的步進電機伺服系統結構合理，可靠性，靈活性高，成本低廉，能夠較好的完成多種實時控制任務，同時具有很強的擴充性能，有較好的推廣和應用前景。第6章 系統綜合調試6.1 綜合調試準備工作6.1.1 調試準備工作調試環境溫度：常溫。目的是為了保證max232正常工作，應該讓其處在允許工作溫度值范圍內的環境內，以達到最好的調試效果。調試儀器及軟件：數字萬用表，串口調試助手。6.1.2 硬件調試硬件調試的目的是在綜合調試前，逐步檢驗各個硬件部分連接是否正確，是否能夠正常工作。主要調試以下

46、幾個部分：1. 發光二極管調試：在連接好器件后，將發光二極管電路接入電源電路中，檢查每一個二極管能夠正常工作，能否正常發光。2. 輸入部分硬件調試：將鍵盤電路獨立接入回路中，測試鍵盤的按鍵是否正常。3. 串口通信調試：對rs-232通信串口輸入一個電壓信號值，觀察輸出脈沖是否正確，確定rs-232通信串口能否正常工作。6.1.3 軟件調試軟件調試的目的就是檢驗程序編寫是否正確，能否驅動整個系統完成設定的動作，完成設計要求提出的步驟和實現相關的功能。其具體的步驟是：1. 仿真器調試：設置斷點，單步運行，若出現錯誤，則檢查或者修改程序內容。2. 串口調試：借用軟件串口調試助手調試，測試沖口是不是能

47、夠正常完成通信任務，實現相應的功能。3. 電機驅動模塊調試：提取電機驅動模塊程序，逐步執行，確認電機能夠正常工作。4. 指示電路軟件調試：提取二極管指示電路的驅動程序，逐步執行，確認每一個發光二極管能夠正常工作。6.1.4 軟件硬件綜合調試 軟件硬件綜合調試的目的就是檢驗這次課題設計是不是達到了任務書要求的功能，起具體步驟是：1. 安裝調試軟件，編譯一個小的子程序，測試軟件是不是可以正常工作，同時熟悉軟件的運行環境和界面。2. 連接器件，將器件完整連接在pcb板上面，并放置在試驗臺上。3. 連接串口通信線，把連接上位pc機和下位單片機的通信串口線正確連接，并 保證通訊正常。4. 調入完整的程序

48、，并放入存儲器中。5. 設置參數，開始運行程序。6. 觀察調試結果并綜合分析16。6.2 調試結論將軟件和硬件綜合進行調試，可以觀察到，電機在上位機軟件的驅動下，數據信息能夠準確傳送到單片機中，單片機可以根據程序或者設定要求完成部分動作。但是有的時候會突然停止運行，其原因是缺少一些保護電阻，不能嚴格控制電路中需要的額定電流，造成輸入電壓不穩定，高于或者低于相關控制芯片的工作電壓，造成部分器件不能夠正常工作。在進行綜合調試的時候，顯示二極管有時不能夠正常發光，其原因是缺少部分器件，不能對二極管形成必要的電壓保護，使得實際電壓超出二極管的額定電壓值，造成二極管工作不正常，個別發光二極管被燒壞掉。

49、經過綜合調試，學習到了很多東西，也掌握了不少的試驗技巧。但是由于某些原因，最終沒有調試出設計任務書要求的最終結論。 第7章 結束語在本文中，介紹了一種基于單片機的步進電機控制方案。設計中，主要采用了硬件實現步進電機控制的方法，用單片機、脈沖分配器pmm8713及555定時器結合部分軟件編程，實現對步進電機的啟動、停止、正反轉等控制。設計大大簡化了控制系統的軟件編程；同時采用了高低壓驅動電路，提高了電機的響應速度。信號分配模塊中引用了電機控制專用集成電路的pmm8713脈沖分配器的功能原理說明。利用此元件可實現脈沖的自動分配，進而實現相繞組電流的通斷，減少了cpu的負擔，主機可以有更多的時間從事

50、其他工作。另外還可以控制電機的正反轉控制以及三相、四相電動機的不同方式的輸出17。通過本次設計，對單片機、電動機、等許多種元器件的原理以及使用都有了清晰的認識，設計中詳盡的介紹了各種元件的原理、管腳、以及使用范圍，并配上各種圖形，有利于理解和分析。在對專業知識的認知上也有了更加深刻的理解，對知識理解和鞏固都起了重要的作用，在做設計中培養的積極面對困難，不逃避，迎難而上解決問題的決心將受益終生，對作者今后的工作和學習都大有裨益。致 謝首先感謝我的導師老師，他對我的幫助是最大的，開始階段給我查找了很多相關的資料，對我進行系統構思有很大的幫助，不論是什么時候，只要我找他指導，他都放下手頭的事情，和我

51、一起探討遇到的疑難。還有我們電信系自動化教研室的全體老師們，他們嚴謹細致、一絲不茍的作風給我樹立了很好的榜樣，我在今后的學習和工作中以他們為楷模，做好每一件事情；他們細致的指導和耐心的講解給予我無盡的啟發，使得我在后面的過程中能夠很好的完成論文。當然還有給我無私幫助的同學，作為同窗好友，在四年的學習生活中留下了很多美好的回憶，真心的感謝所有幫助我完成論文的老師和同學，謝謝你們！在論文即將完成之際，我內心很想在此表達他們對我的無私的幫助，從開始進入課題到論文的順利完成，再次向那些給予我幫助和知道的老師、朋友、同學致以我最誠摯祝福和最衷心的感謝！同時也感謝我們的母校學院，在母校的懷抱中我們走過了人生中重要的一段旅程，祝愿母校的發展日益輝煌，學風濃厚，源遠流長！參考文獻1 潘新民, 王顏芳. 單片微型計算機實用系統設計m. 北京：人民郵電出版社，1992.2 林良養. 電機學與拖動基礎m. 廣東：華南理工大學出版社，2006: 13