畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于AT89C51單片機的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計說明書畢業(yè)論文 題 目：基于AT89C51單片機的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)學(xué)生姓名： 學(xué) 號：專 業(yè)：自動化班 級：自動化06-3班指導(dǎo)教師： 基于AT89C51單片機的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)摘要步進(jìn)電機是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，它能按照控制脈沖的要求，迅速起動，制動，正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。具有步距角精度高，停止時能自鎖等特點，因此步進(jìn)電機在自動控制系統(tǒng)中，特別是在開環(huán)的控制系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。本文以單片機和環(huán)形脈沖分配器為核心設(shè)計的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)，通過軟硬件的設(shè)計調(diào)試，實現(xiàn)步進(jìn)電機能根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行自動加減速控制，使控制系統(tǒng)以最短的時間到達(dá)控制終點，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)

2、象；同時它能準(zhǔn)確地控制步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)，啟動和停止。硬件是以AT89C51單片機為核心的控制電路，主要包括：環(huán)形脈沖分配器、鍵盤顯示電路、步進(jìn)電機的驅(qū)動電路等。軟件局部采用C語言編程，主要包括鍵盤顯示程序、步進(jìn)電機的調(diào)速程序、停止判斷程序等。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機控制系統(tǒng)；調(diào)速；單片機Based on AT89C51 Single-chip ComputerStepping Motor Control SystemAbstractStepping motor is a kind of digital control system components. It can achieve quick st

3、art-up, positive inversion, stopping and speed control, according to the control pulse. It has high precision step angle, and can be self-locking when it keeps still. As these characteristics, stepping motor in automatic control system, especially in the open loop control system has been widely appl

4、ied.This article mainly focuses on taking Single-chip Computer and cycle pulse distributor as the core, and designing the stepping motor control system. Through the design of the software and hardware debugging, it realizes controlling the step motors acceleration and deceleration automatically, acc

5、ording to parameter setting. Making the system arrive the end point with the shortest time, but not occur outing of step. Besides it can accurately achieve start-up, positive inversion and shutdown. Hardware takes AT89C51 as the core of control circuit, mainly including: cycle pulse distributor, key

6、board and display circuit, stepping motor driving circuit, etc. Software part adopts the C language programming, mainly including keyboard and display program, stepping motor speed control program, stop judging program, etc.Key words: Stepping motor control system; speed control; Single-chip Compute

7、r目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc264784773 摘要 PAGEREF _Toc264784773 h I HYPERLINK l _Toc264784774 Abstract PAGEREF _Toc264784774 h II HYPERLINK l _Toc264784775 第一章 引言 PAGEREF _Toc264784775 h 1 HYPERLINK l _Toc264784776 1.1 課題提出的背景和研究意義 PAGEREF _Toc264784776 h 1 HYPERLINK l _Toc264784777 1.2 課題的主要

8、研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc264784777 h 2 HYPERLINK l _Toc264784778 1.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc264784778 h 2 HYPERLINK l _Toc264784779 第二章 步進(jìn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計 PAGEREF _Toc264784779 h 3 HYPERLINK l _Toc264784780 2.1 步進(jìn)電機的原理 PAGEREF _Toc264784780 h 3 HYPERLINK l _Toc264784781 2.1.1 三相單三拍通電方式 PAGEREF _Toc264784781 h 3 HYPERLINK

9、 l _Toc264784782 2.1.2 三相雙三拍通電方式 PAGEREF _Toc264784782 h 5 HYPERLINK l _Toc264784783 2.1.3 三相六拍通電方式 PAGEREF _Toc264784783 h 6 HYPERLINK l _Toc264784784 2.2 環(huán)形脈沖分配器 PAGEREF _Toc264784784 h 8 HYPERLINK l _Toc264784785 2.3 續(xù)流電路 PAGEREF _Toc264784785 h 12 HYPERLINK l _Toc264784786 2.3.1 二極管續(xù)流 PAGEREF _T

10、oc264784786 h 13 HYPERLINK l _Toc264784787 2.3.2 二極管電阻續(xù)流 PAGEREF _Toc264784787 h 14 HYPERLINK l _Toc264784788 2.4 步進(jìn)電機驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc264784788 h 15 HYPERLINK l _Toc264784789 2.5 步進(jìn)電機的變速控制 PAGEREF _Toc264784789 h 17 HYPERLINK l _Toc264784790 2.5.1 變速控制的方法 PAGEREF _Toc264784790 h 19 HYPERLINK l _Toc

11、264784791 2.6 步進(jìn)電機在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc264784791 h 20 HYPERLINK l _Toc264784792 2.7 本章小結(jié) PAGEREF _Toc264784792 h 22 HYPERLINK l _Toc264784793 第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc264784793 h 23 HYPERLINK l _Toc264784794 3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計原那么 PAGEREF _Toc264784794 h 23 HYPERLINK l _Toc264784795 3.2 控制系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc

12、264784795 h 23 HYPERLINK l _Toc264784796 3.3 主要元件的選擇 PAGEREF _Toc264784796 h 24 HYPERLINK l _Toc264784797 3.3.1 單片機的選擇 PAGEREF _Toc264784797 h 24 HYPERLINK l _Toc264784798 3.3.2 EPROM的選擇 PAGEREF _Toc264784798 h 25 HYPERLINK l _Toc264784799 3.3.3 可逆計數(shù)器的選擇 PAGEREF _Toc264784799 h 27 HYPERLINK l _Toc26

13、4784800 3.4 控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計 PAGEREF _Toc264784800 h 27 HYPERLINK l _Toc264784801 3.4.1 環(huán)形脈沖分配器設(shè)計 PAGEREF _Toc264784801 h 27 HYPERLINK l _Toc264784802 3.4.2 顯示電路設(shè)計 PAGEREF _Toc264784802 h 29 HYPERLINK l _Toc264784803 3.4.3 外部復(fù)位電路設(shè)計 PAGEREF _Toc264784803 h 30 HYPERLINK l _Toc264784804 3.5 控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計 PAGER

14、EF _Toc264784804 h 31 HYPERLINK l _Toc264784805 3.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc264784805 h 31 HYPERLINK l _Toc264784806 第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc264784806 h 32 HYPERLINK l _Toc264784807 4.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計原那么 PAGEREF _Toc264784807 h 32 HYPERLINK l _Toc264784808 4.2 步進(jìn)電機控制系統(tǒng)功能設(shè)計 PAGEREF _Toc264784808 h 32 HYPERLINK l _

15、Toc264784809 4.3 主程序設(shè)計 PAGEREF _Toc264784809 h 33 HYPERLINK l _Toc264784810 4.3.1 主程序工作過程 PAGEREF _Toc264784810 h 33 HYPERLINK l _Toc264784811 4.3.2 主程序工作流程圖 PAGEREF _Toc264784811 h 34 HYPERLINK l _Toc264784812 4.3.3 定時器T0中斷程序流程圖 PAGEREF _Toc264784812 h 34 HYPERLINK l _Toc264784813 4.4 Proteus仿真 PAG

16、EREF _Toc264784813 h 37 HYPERLINK l _Toc264784814 4.5 顯示程序設(shè)計 PAGEREF _Toc264784814 h 39 HYPERLINK l _Toc264784815 4.6 鍵盤程序設(shè)計 PAGEREF _Toc264784815 h 39 HYPERLINK l _Toc264784816 4.7 調(diào)速程序設(shè)計 PAGEREF _Toc264784816 h 41 HYPERLINK l _Toc264784817 4.7.1 20BY步進(jìn)電機參數(shù) PAGEREF _Toc264784817 h 41 HYPERLINK l _T

17、oc264784818 4.7.2 步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系 PAGEREF _Toc264784818 h 41 HYPERLINK l _Toc264784819 4.8 本章小結(jié) PAGEREF _Toc264784819 h 42 HYPERLINK l _Toc264784820 第五章 結(jié)束語 PAGEREF _Toc264784820 h 43 HYPERLINK l _Toc264784821 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc264784821 h 44 HYPERLINK l _Toc264784822 附錄 PAGEREF _Toc264784822 h 46 HYPER

18、LINK l _Toc264784823 附錄A 系統(tǒng)程序C PAGEREF _Toc264784823 h 46 HYPERLINK l _Toc264784824 附錄B 20BY步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速與定時器定時常數(shù)關(guān)系表 PAGEREF _Toc264784824 h 59 HYPERLINK l _Toc264784825 附錄C 控制系統(tǒng)電路圖 PAGEREF _Toc264784825 h 62 HYPERLINK l _Toc264784826 致謝 PAGEREF _Toc264784826 h 63第一章 引言1.1 課題提出的背景和研究意義由于步進(jìn)電機不需要位置傳感器或速度傳感器就

19、可以實現(xiàn)定位，即使在開環(huán)狀態(tài)下它的控制效果也是令人非常滿意的，這有利于裝置或設(shè)備的小型化和低本錢，因此步進(jìn)電機在計算機外圍設(shè)備、數(shù)控機床和自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。對于一個步進(jìn)電機控制系統(tǒng)而言，總希望它能以最短的時間到達(dá)控制終點。因此要求步進(jìn)電機的速度盡可能地快，但如果速度太快，那么可能發(fā)生失步。此外，一般步進(jìn)電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。當(dāng)步進(jìn)電機帶負(fù)載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據(jù)步進(jìn)電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉(zhuǎn)矩越小，帶負(fù)載的能力越差。當(dāng)步進(jìn)電機啟動后，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠(yuǎn)大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進(jìn)電機不可能一下子穩(wěn)定到較高

20、的工作頻率，必須在啟動時有一個加速的過程。從高速運行到停止也應(yīng)該有一個減速的過程，防止步進(jìn)電機因為系統(tǒng)慣性的原因，而發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象。為此本文以單片機作為控制核心，實現(xiàn)步進(jìn)電機的自動加減速控制，使系統(tǒng)以最短的時間到達(dá)控制終點，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。因為步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速，實質(zhì)上是調(diào)節(jié)單片機輸出的脈沖頻率【1】。由于步進(jìn)電機的運動特性受電壓波動和負(fù)載變化的影響小，方向和轉(zhuǎn)角控制簡單，并且步進(jìn)電機能直接接收數(shù)字量的控制，非常適合采用微機進(jìn)行控制。步進(jìn)電機工作時，失步或者過沖都會直接影響其控制精度。研究步進(jìn)電機的加減速控制，可以提高步進(jìn)電機的響應(yīng)速度、平穩(wěn)性

21、和定位精度等性能，從而決定了步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的綜合性能。1.2 課題的主要研究內(nèi)容1、步進(jìn)電機的工作原理通過查閱文獻(xiàn)對步進(jìn)電機的單拍運行、雙拍運行、單雙拍運行等各種運行方式進(jìn)行研究，深入了解各種運行方式的特點和對步進(jìn)電機控制性能的影響。2、環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計研究環(huán)形脈沖分配器的作用和構(gòu)成，并設(shè)計出可靠、靈活的環(huán)形脈沖分配器電路。3、步進(jìn)電機的續(xù)流電路根據(jù)步進(jìn)電機的控制特點，分析續(xù)流電路對步進(jìn)電機控制性能的影響，并設(shè)計步進(jìn)電機的續(xù)流電路。4、步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計根據(jù)步進(jìn)電機的原理和控制特點，對步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行分析和設(shè)計。5、程序的調(diào)試及修改用Keil軟件進(jìn)行編程和調(diào)試，并且

22、在Proteus環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)仿真。1.3 本章小結(jié)本章首先介紹了課題研究的背景，提出設(shè)計的思路。其次介紹了課題研究的目的和意義，最后介紹了課題的主要研究內(nèi)容。第二章 步進(jìn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計2.1 步進(jìn)電機的原理反響式步進(jìn)電機的工作原理是與反響式同步電機一樣，也是利用轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反響轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動，如圖2.1 所示是一臺反響式步進(jìn)電機的工作原理，定子鐵心為凸極式，共有三相，六個磁極，不帶小齒，磁極上裝有控制繞組，相對的兩個磁極串聯(lián)連接，組成一相控制繞組。轉(zhuǎn)子用軟磁材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，只有兩個齒，齒寬等于定子的極靴寬【2】。 三相單三拍通電方式這是步進(jìn)電機的一種最簡單的工作方

23、式，所謂“三相，即三相步進(jìn)電機，具有三相定子繞組；“單指每次只有一相繞組通電；“三拍指三次換接為一個循環(huán)，第四次換接重復(fù)第一次情況。當(dāng)A相繞組通電如圖2.1 (a) 所示，而B相和C相不通電時，A相的兩個磁極被勵磁，一個呈N極另一個呈S極，由于磁場對轉(zhuǎn)子鐵心的電磁吸力，使轉(zhuǎn)子軸線對準(zhǔn)A相磁極的軸線。這種現(xiàn)象也可以這樣來理解，A相通電時，轉(zhuǎn)子對定子的相對位置不同，那么磁路的磁阻也不同，使A相磁路的磁阻為最少的轉(zhuǎn)子位置，就是該時的穩(wěn)定平衡位置，即轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子軸線和A相磁極軸線相重合的位置。同樣道理，當(dāng)A相斷開，接通B相時，如圖2.1 (b) 所示，B相磁極對轉(zhuǎn)子的電磁力將使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過60，到

24、達(dá)轉(zhuǎn)子軸線和B相磁極軸線相重合的位置，即轉(zhuǎn)子走過一步，然后B相電源斷開，同時接通C相如圖2.1 (c) 所示，同理將使轉(zhuǎn)子按順時針方向再走一步。如此按A-B-C-A的順序使三相繞組輪流通電，那么轉(zhuǎn)子依順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動。如果改變?nèi)嗬@組的通電順序為A-C-B-A顯然步進(jìn)電機將按逆時針方向轉(zhuǎn)動。上述三相三拍運行，表示三種通電狀態(tài)為一個循環(huán)，即三次通電狀態(tài)改變后，又恢復(fù)到起始狀態(tài)，一拍對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，通常用s表示，圖2.1中轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的步距角為60。aA相通電 bB相通電 cC相通電 圖2.1 三相反響式步進(jìn)電機原理如果將上圖的反響式步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子制成四極或稱為四個齒結(jié)構(gòu)，如

25、圖2.2所示，那么按三相單三拍運行時，轉(zhuǎn)子的步距角也將發(fā)生變化。當(dāng)A相通電時如圖2.2 (a)所示，轉(zhuǎn)子齒1、3對準(zhǔn)A相磁極軸線重合，當(dāng)B相通電時如圖2.2 (b)所示，轉(zhuǎn)子將逆時針轉(zhuǎn)過30，穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子齒2、4對準(zhǔn)B相磁極軸線的位置，當(dāng)C相通電時如圖2.2 (c)所示，轉(zhuǎn)子又將逆時針方向轉(zhuǎn)動30，轉(zhuǎn)子齒1、3對準(zhǔn)C相磁極軸線的位置，由此可見，每通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為30即每步轉(zhuǎn)過的步距角為30。 (a) A相通電 (b) B相通電 (c) C相通電圖2.2 轉(zhuǎn)子為四極的三相步進(jìn)電機 三相雙三拍通電方式如果將步進(jìn)電機的控制繞組的通電方式改為：AB-BC-CA-AB或AC-CB-BC-CA。這種

26、通電方式每拍同時有兩相繞組通電，三拍為一循環(huán)，如圖2.3所示，轉(zhuǎn)子為四極的反響式步進(jìn)電機。圖2.3 (a) 為AB相同時通電的情況，圖2.3 (b) 為BC相通電的情況，可見轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的角度為30與單三拍運行方式相同，但其中有一點不同，即在雙三拍運行時，每拍使步進(jìn)電機從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)時，總有一相繞組保持通電。例如由AB相通電變?yōu)锽C相通電時，B相保持繼續(xù)通電狀態(tài)，C相磁竭力圖使轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動，而B相磁極卻起阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以步進(jìn)電機工作比擬平穩(wěn)，三相單三拍運行時，由于沒有這種阻尼用，所以轉(zhuǎn)子到達(dá)新的平衡位置后會產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性能遠(yuǎn)不如雙三拍運

27、行方式。(a) AB相通電 (b) BC相通電圖2.3 三相雙三拍運行方式 三相六拍通電方式這是一種將一相通電和兩相通電結(jié)合起來的運行方式，其具體通電方式為：A-AB-B-BC-C-CA-A或AAC-CB-B-BA-A，即一相通電和兩相通電間隔輪流進(jìn)行，六種不同的通電狀態(tài)組成一個循環(huán)，這時步進(jìn)電機的工作情況如圖2.4 所示，圖2.4(a)為A相通電時的情況，轉(zhuǎn)子齒1、3磁軸與A相磁極軸線重合，當(dāng)通電狀態(tài)由A轉(zhuǎn)為AB時，步進(jìn)電機的狀態(tài)如圖2.4(b) 所示，轉(zhuǎn)子齒1、3磁極離開A相磁極軸線，即轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過15。通電方式由AB轉(zhuǎn)為B時，步進(jìn)電機的狀態(tài)如圖2.4(c) 所示，轉(zhuǎn)子齒2、4磁極軸線和

28、B相磁極軸線相重合，或轉(zhuǎn)子齒1、3磁極軸線離開A相磁極軸線30角，即轉(zhuǎn)子又逆時針方向運行了一步，相應(yīng)的角度為15如此類推，可見步進(jìn)電機每走一步，將轉(zhuǎn)過15，恰好為三相單拍或雙三拍通電方式的一半。六拍運行方式與雙三拍相同，由一個通電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪煌姞顟B(tài)時，也總有一相繼續(xù)保持通電，同樣具有電磁阻尼作用，工作也比擬平穩(wěn)。(a) A相通電 (b) AB相通電(c) B相通電 (d) BC相通電圖2.4 三相六拍通電方式通過分析可知一臺步進(jìn)電機可以有不同的通電方式，即可以有不同的拍數(shù)。拍數(shù)不同時，其對應(yīng)的步距角大小也不同，拍數(shù)多那么步距角小。通電相數(shù)不同也會帶來不同的工作性能。此外，也可以看到同一種通

29、電方式，對于轉(zhuǎn)子磁極數(shù)不同的步進(jìn)電機，也會有不同的步距角。步距角s可由式(1-1)求得【3】s=360/mKZR (1-1)式中 m 控制繞組相數(shù)；ZR 轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K 與通電方式有關(guān)的狀態(tài)系數(shù)，當(dāng)通電方式為單拍，即拍數(shù)與相數(shù)相同，K=1；為雙拍時，即拍數(shù)為相數(shù)的兩倍時，K=2。2.2 環(huán)形脈沖分配器要使步進(jìn)電機正常工作，必須按照該種步進(jìn)電機的勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表所規(guī)定的狀態(tài)和次序依次對各相繞組進(jìn)行通電和斷電控制。環(huán)形分配器的主要功能是把單片機發(fā)出的脈沖信號按一定的規(guī)律分配給步進(jìn)電機的驅(qū)動電路，控制繞組的導(dǎo)通和截止。同時步進(jìn)電機有正反轉(zhuǎn)的要求，所以環(huán)形脈沖分配器的輸出既有周期性又有可逆性?？梢哉f環(huán)形脈

30、沖分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計數(shù)器， 但它輸出的不是一般的編碼，而是步進(jìn)電機勵磁狀態(tài)所要求的特殊編碼【4】。在步進(jìn)電機的驅(qū)動系統(tǒng)中，控制器與驅(qū)動器之間連接方式可分為串行控制和并行控制。串行控制時，控制器輸出脈沖信號和方向電平，環(huán)形脈沖分配器把它轉(zhuǎn)換成并行的驅(qū)動信號，再控制繞組的導(dǎo)通和截止?？刂泼}沖信號的有無就能控制步進(jìn)電機運行和停止，脈沖信號的頻率決定步進(jìn)電機的運行速度，方向電平控制步進(jìn)電機的運轉(zhuǎn)方向。并行控制時，控制器直接輸出各相繞組的導(dǎo)通和截止信號，此時環(huán)形脈沖分配器在控制器中，由軟件來代替環(huán)形脈沖分配器的功能，不管是串行控制還是并行控制必須有環(huán)形脈沖分配器這個環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機按類型、相數(shù)來

31、劃分種類繁多，不同種類、不同相數(shù)、不同分配方式都必須有不同的環(huán)形脈沖分配器，因此所需要的環(huán)形脈沖分配器的類型是很多的。如果全部用硬件來搭成，結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，不能滿足步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)的需要，為此提出一種用EPROM搭建的環(huán)形分配器，以滿足不同的要求。EPROM存儲器是一種紫外線擦除的可編程只讀存儲器，存儲器的內(nèi)容可以由使用者自己編程，且可以用紫外線照射后重新使用。用EPROM可以搭建成各種環(huán)形脈沖分配器。其根本思想是：首先確定步進(jìn)電機勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，再以二進(jìn)制碼的形式存入EPROM存儲器中，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址的內(nèi)容，那么存儲器輸出的就是各相繞組的勵磁狀態(tài)，用EPROM搭建

32、的環(huán)形脈沖分配器的原理框圖如圖2.5 所示，它由兩局部組成。前面是一個可逆的循環(huán)計數(shù)器，計數(shù)脈沖的有無控制步進(jìn)電機的運行與停止，計數(shù)器加減控制端控制步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)，如果低電平時計數(shù)器加計數(shù)，步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)，如果高電平時計數(shù)器減計數(shù)，步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)。計數(shù)器的計數(shù)長度應(yīng)等于步進(jìn)電機運行一個周期的拍數(shù)或拍數(shù)的整數(shù)倍，計數(shù)器的輸出端接到EPROM的地址線上，并且使EPROM總是處于讀出的狀態(tài)，這樣計數(shù)器的每個計數(shù)狀態(tài)都對應(yīng)存儲器的一個地址，存儲器的輸出端就對應(yīng)步進(jìn)電機的一種勵磁狀態(tài)。簡單的說存儲器存入的是一個環(huán)形脈沖分配器的狀態(tài)輸出表，計數(shù)器每輸入一個脈沖，計數(shù)器計一個數(shù)，這個數(shù)值就會選通存儲器的一個地

33、址，存儲器就輸出一個數(shù)據(jù)，即步進(jìn)電機的一個勵磁狀態(tài)。如果計數(shù)器做加計數(shù)，那么存儲器按地址遞增的方向依次讀取狀態(tài)表的內(nèi)容，相反，計數(shù)器做減計數(shù)，那么存儲器按地址遞減方向依次取出狀態(tài)表的內(nèi)容，從而控制步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)。圖2.5 含有EPROM 環(huán)形脈沖分配器用EPROM設(shè)計環(huán)形脈沖分配器，具有如下的特點：1、線路簡單。由可逆循環(huán)計數(shù)器和存儲器兩局部組成，計數(shù)器可以用現(xiàn)有的器件實現(xiàn)，計數(shù)長度可以用簡單的外圍電路實現(xiàn)。對EPROM存儲器的主要工作是編程，存儲狀態(tài)表，所以工作量小。2、一種線路可以實現(xiàn)多種勵磁狀態(tài)方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲不同的狀態(tài)表，除軟件工作之外，硬件無需改動。3、可排除非

34、法狀態(tài)。驅(qū)動電路輸入非法狀態(tài)可能會損壞驅(qū)動電路。存儲器中存儲的內(nèi)容，除了在選通的地址存儲所需的狀態(tài)表之外，其他沒用的地址都存儲各相截止的信號。因此即使有非法的地址輸入，輸出端輸出的都是截止的信號，可以保護(hù)驅(qū)動器不受損壞。由于勵磁狀態(tài)是按運行拍數(shù)循環(huán)的，所以存儲器輸出的狀態(tài)也必須按拍數(shù)循環(huán)出現(xiàn)，這就要求計數(shù)器是可逆計數(shù)器，同時計數(shù)長度是運行循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。實際上，使用RPROM設(shè)計的環(huán)形脈沖器是一種軟硬件結(jié)合的技術(shù)，通過軟件的編程可以實現(xiàn)不同勵磁方式的輸出。由上可見，這種方法適用于控制任意類型的步進(jìn)電機。對于不同的步進(jìn)電機及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。跟軟件的

35、方法相比，需要增加硬件的本錢，但軟件簡單，速度快，少占用CPU的時間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。軟件方法的優(yōu)點是節(jié)省硬件，降低系統(tǒng)的本錢，且更改靈活，有利于系統(tǒng)的小型化，其主要的缺點是占用CPU時間較多，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。圖2.6 環(huán)形脈沖分配器電路由EPROM與可逆計數(shù)器構(gòu)成的環(huán)形脈沖分配器如圖2.6所示，計數(shù)器選用74LS191，74LS191是四位二進(jìn)制進(jìn)制可逆計數(shù)器，時鐘脈沖從CP端輸入，計數(shù)器的輸出QAQD直接接到EPROM的低四位地址線A0A3，這樣可以選通2716的十六個地址00H0FH。74LS191第五腳為加減法輸入控制端，該輸入端作為方向輸入的控制信號，當(dāng)?shù)碗娖綍r做加法計數(shù)，

36、為正轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)為高電平時做減法計數(shù)，為反轉(zhuǎn)狀態(tài)。74LS191數(shù)據(jù)輸入端A、B、C、D各管腳接地，11腳是置數(shù)端，當(dāng)它為高電平時74LS191為計數(shù)狀態(tài)，當(dāng)它為低電平時，計數(shù)器停止計數(shù)，把數(shù)據(jù)端的內(nèi)容ABCD裝入計數(shù)器。2716的管腳OE和CE分別為輸出允許和片選端，使它接地讓它一直處于選通狀態(tài)。四相步進(jìn)電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。因此本文選擇步進(jìn)電機八拍的工作方式。EPROM 的存儲內(nèi)容如表2.1所示。表2.1四相步進(jìn)電機八

37、拍工作方式存儲狀態(tài)表地址內(nèi)容D C B A勵磁狀態(tài)00H01H0001A01H03H0011AB02H02H0010B03H06H0110BC04H04H0100C05H0CH1100CD06H08H1000D07H09H1001DA08H01H0001A2.3 續(xù)流電路步進(jìn)電機的控制性能，與各相繞組導(dǎo)通和截止時電流的增加和衰減速度有關(guān)，對于加速度大、或者運行速度高的步進(jìn)電機，當(dāng)轉(zhuǎn)換速度增加時，由于繞組電感的作用，電流經(jīng)常不能立即升到額定值，同樣在繞組斷電時，電流也不能立即衰減到零。當(dāng)步進(jìn)電機下一相導(dǎo)通時，斷電相繞組中的衰減電流對步進(jìn)電機起制動作用。如圖2.7所示為一相勵磁時的等效電路。L為繞

38、組電感，R為串聯(lián)回路的總電阻，E為反電動勢。當(dāng)步進(jìn)電機為鎖定狀態(tài)時，忽略T管的壓降，那么繞組的電流為U/R。如果T斷電，繞組中磁場能量將竭力保持原有電流的方向。晶體管上的管壓降將隨Ldi/dt正比的增加，這個峰值電壓的大小可能會超過一個晶體管的最大耐壓U，造成晶體管損壞。常用的步進(jìn)電機可以很容易產(chǎn)生數(shù)值比步進(jìn)電機外加電壓大的峰值電感電動勢。這個電感電動勢必須控制在晶體管平安運行區(qū)域內(nèi)。所以驅(qū)動電路除了對步進(jìn)電機繞組提供導(dǎo)通回路外，還必須提供一個繞組斷電時的續(xù)流回路，其作用是既要保證電流的泄放的速度，同時又要抑制電感電勢，保護(hù)晶體管不受感應(yīng)電動勢峰值的沖擊。圖2.7 一相勵磁電路 二極管續(xù)流抑制

39、電勢的最簡單的形式是用二極管跨接步進(jìn)電機繞組的兩端，如圖2.8所示。在繞組導(dǎo)通期間，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)繞組斷電時，繞組電勢極性反向，二極管處于正向?qū)ǖ臓顟B(tài)，為電流提供一個續(xù)流回路，二極管把功放管的集射極電壓鉗位到電源電壓+U。當(dāng)一相繞組斷電時，存儲在繞組中的能量必須消耗在電路的電阻R中，該電阻包括繞組電阻，串聯(lián)電阻和二極管正向?qū)娮?，衰減時間常數(shù)為L/R。在低速時，斷電相電流衰減緩慢是允許的，但高速時，就會影響步進(jìn)電機的控制性能。圖2.8 二極管泄放電路 圖2.9 負(fù)載曲線 二極管電阻續(xù)流要求高速或變速運行時，斷電繞組的能量必須盡快消耗，這可以通過增加一個與二極管串聯(lián)的電阻Rs，以

40、減少泄放回路的時間常數(shù)，此時斷電回路的時間常數(shù)為L/(R+Rs)。Rs的最大值取決于集射極間的擊穿電壓Ucer。當(dāng)步進(jìn)電機截止時，假設(shè)通過二極管的初始電流為額定電流In，即In=U/R那么晶體管集射極間的壓降為Uce=U+RsIn=U1+Rs/R這樣為使UceUcer那么RsR(Ucer/U1)圖2.10 二極管電阻續(xù)流回路 圖2.11 負(fù)載曲線由以上分析可知續(xù)流電路的特點如下：(1) 斷電相的磁場能量總是消耗在回路的電阻上，其中包括電動機繞組自身的電阻。(2) 續(xù)流串聯(lián)電阻的大小因需要保護(hù)功放管的平安而受到限制。(3) 衰減時間常數(shù)大，在步進(jìn)電機高速運行時產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩，影響系統(tǒng)的特性。2.4

41、步進(jìn)電機驅(qū)動電路步進(jìn)電機不能直接接到交、直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備步進(jìn)電機驅(qū)動器。步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與步進(jìn)電機的自身性能有關(guān)外，在很大程度上也取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。步進(jìn)電機的驅(qū)動電路應(yīng)該既要保證繞組有足夠的電壓電流，同時又要保證驅(qū)動級功率器件的平安運行，另外還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗和較低的本錢。驅(qū)動級的功率放大器件有中功率晶體管、大功率的晶體管、達(dá)林頓管、可控硅以及各種功率模塊。對于小功率的步進(jìn)電機，可用中小功率晶體管進(jìn)行驅(qū)動，晶體管具有放大倍數(shù)大、線路簡單等優(yōu)點，用于驅(qū)動小功率的步進(jìn)電機繞組電流在數(shù)百毫安。對于功率較大的步進(jìn)電機，由于繞組所需要的電流較大、電壓高、反電動勢也

42、大，因此需要用大功率的的晶體管驅(qū)動。步進(jìn)電機驅(qū)動電路與一般電氣設(shè)備驅(qū)動的不同點主要有：(1) 各相繞組都是工作在開關(guān)狀態(tài)，多數(shù)電動機的繞組都是連續(xù)的交流或者直流，而步進(jìn)電機的各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是離散的。(2) 電動機的各相繞組是繞在鐵心上的線圈，所以都有比擬大的電感。繞組通電時電流上升率受到限制，因而影響電動機繞組電流的大小。(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(jié)果使應(yīng)該截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過程中都會產(chǎn)生較大的反向電動勢，而截止時的反電動勢將對驅(qū)動級器件的平安產(chǎn)生十分有害的影

43、響。(4) 電動機運轉(zhuǎn)時在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢，這些電動勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電動勢根本上與電動機轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電動勢越大，繞組電流越小，從而使電動機輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。(5) 電動機繞組中有電感電動勢、互感電動勢、旋轉(zhuǎn)電動勢。這些電動勢與外加電源共同作用于功率器件，當(dāng)其疊加結(jié)果使電動機繞組兩端電壓大大超過電源電壓時，會使驅(qū)動級的工作條件更為惡化。由于步進(jìn)電機需要的驅(qū)動電流比擬大，所以單片機與步進(jìn)電機的連接都需要專門的接口電路及驅(qū)動電路。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程的接口芯片，如8255、8155等。驅(qū)動器可以用大功率復(fù)合管，也可以是

44、專門的驅(qū)動器。本系統(tǒng)為了抗干擾，或防止一旦驅(qū)動電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號進(jìn)入單片機而燒毀器件，因而在驅(qū)動器與單片機之間增加一級光耦隔離器。其接口電路原理圖如圖2.12所示。圖2.12 驅(qū)動電路電路工作原理：當(dāng)A輸出為1時，發(fā)光二極管不發(fā)光，因而光敏三極光截止，從而使達(dá)林頓管導(dǎo)通，A相繞組通電。反之當(dāng)A為0時經(jīng)反相后，使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，從而使達(dá)林頓管截止，A相繞組不通電，控制B、C、D相亦然?？傊灰匆欢ǖ捻樞蚋淖傾、B、C、D通電的順序，就可控制步進(jìn)電機按一定的方向步進(jìn)【5】。2.5 步進(jìn)電機的變速控制對于大多數(shù)的任務(wù)而言，總希望控制系統(tǒng)能盡快地到達(dá)控制終點

45、。因此要求步進(jìn)電機的速度盡可能快一些，但如果速度太快，那么可能發(fā)生失步。此外一般步進(jìn)電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。所謂的最高空載啟動頻率是指步進(jìn)電機空載時，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)不失步地進(jìn)入同步狀態(tài)即步進(jìn)電機每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度和控制頻率相對應(yīng)的工作狀態(tài)的最大控制頻率。當(dāng)步進(jìn)電機帶負(fù)載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據(jù)步進(jìn)電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉(zhuǎn)矩越小，帶負(fù)載的能力越差；當(dāng)步進(jìn)電機啟動后，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠(yuǎn)大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進(jìn)電機不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。一般來說，升頻的時間約為0.11s之間。系統(tǒng)運行起來之

46、后，如果到達(dá)終點時立即停止，可能會因系統(tǒng)慣性的原因，發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象，使點位控制發(fā)生偏差，所以從高速運行到停止也應(yīng)該有減速的措施【6】。為此，提出一種變速控制的程序，該程序的根本思想是，在啟動時，以低于響應(yīng)頻率fs的速度運行；然后開始慢慢加速，加速到一定頻率fe后就以此速率恒速運行。當(dāng)快要到達(dá)終點時，又使其慢慢減速，在低于響應(yīng)頻率fs的速率下運行，直到走完所規(guī)定的步數(shù)后就停止運行。這樣步進(jìn)電機便可以以最快的速度走完所規(guī)定的步數(shù)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。因此在點位控制過程中，運行速度需要有一個加速恒速減速低恒速停止的過程，上述的變速控制過程如圖2.13所示。圖2.13 點位控制的加減速過程對于一

47、個非常短的距離，如在數(shù)步范圍內(nèi)，電動機的加減速過程沒有實際意義，只需要按起動頻率運行即可。對于中等或比擬長的運行距離，步進(jìn)電機加速后應(yīng)該有一個恒速的過程。系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速的時間盡量短，而恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點到終點的時間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短而恒速時速度最高。加速時的起始速度應(yīng)該等于或略小于系統(tǒng)的極限起動頻率，而不是從零開始。減速過程結(jié)束時的速度一般等于或略低于起動速度，再經(jīng)數(shù)步低速運行后停止。升速的規(guī)律一般有兩種，一是按直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時加速度為恒定，因此要求步進(jìn)電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。但實際上步進(jìn)電機

48、升速時由于反電動勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減小，因此輸出的轉(zhuǎn)矩會有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速時，加速度是逐漸下降的，接近步進(jìn)電機輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律【7】。由于步進(jìn)電機的速度正比于脈沖頻率，控制步進(jìn)電機的速度實際上就是控制脈沖頻率。用單片機對步進(jìn)電機進(jìn)行加減速控制，即控制CP脈沖的時間間隔。升速時使脈沖逐漸加密，減速時使脈沖逐漸變疏。本系統(tǒng)采用定時器中斷來控制步進(jìn)電機的加減速，實際上是不斷改變定時器的定時初值的大小。在運行的過程中用查表的方式查出所需的定時初值，從而減小占用CPU的時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。步進(jìn)電機的加減速控制技術(shù)是步進(jìn)電機控制中的一項關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響步進(jìn)電機運行的

49、平穩(wěn)性、升降速的快慢、定位精度等性能，從而決定了步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的綜合性能。采用步進(jìn)電機的加減速控制可以有效地克服步進(jìn)電機啟動過程中出現(xiàn)失步的問題，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度【8】。 變速控制的方法1、改變控制方式的變速控制最簡單的變速控制可以利用改變步進(jìn)電機的控制方式實現(xiàn)。例如，在三相步進(jìn)電機中，啟動或停止時，用三相六拍，大約在0.1秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到達(dá)終點時，再次采用三相六拍的控制方式，以到達(dá)減速的目的。2、均勻地改變脈沖時間間隔的變速控制步進(jìn)電機的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時間間隔來實現(xiàn)。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時時間間隔；在減速時，可以均勻地增加延時時間

50、間隔。具體地說，就是均勻地增加或減少延時程序中延時時間常數(shù)。這種控制方法的優(yōu)點是，由于延時的長短不受限制，使步進(jìn)電機的頻率變化范圍比擬寬，但它降低了單片機的實時處理能力。3、采用定時器的變速控制在單片機控制系統(tǒng)中，可以采用單片機內(nèi)部的定時器來提供CP脈沖。其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間向CPU申請一次中斷，CPU響應(yīng)中斷后便發(fā)出一個脈沖。此時只要均勻地改變定時器時間常數(shù)，即可到達(dá)均勻加減速的目的【9】。這種方法的優(yōu)點是減少占用CPU的時間，提高控制系統(tǒng)的效率和實時處理能力。為了提高單片機的實時處理能力，系統(tǒng)采用中斷的方法進(jìn)行調(diào)速。2.6 步進(jìn)電機在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用由于步進(jìn)電機的運動

51、特性受電壓波動和負(fù)載變化的影響比擬小，方向和轉(zhuǎn)角控制簡單，并且步進(jìn)電機能直接接受數(shù)字量的控制，非常適合采用微機進(jìn)行控制。此外，步進(jìn)電機不需要位置傳感器或速度傳感器可以在開環(huán)狀態(tài)下定位或同步運行，有利于裝置或設(shè)備的小型化和低本錢，因而在軟盤驅(qū)動器、掃描儀、打印機、數(shù)控機床和自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得了到廣泛的應(yīng)用【10】。自動生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)如圖2.14所示，它由搬運站、供料站、加工站、裝配站和分揀站構(gòu)成，每一個工作站都可自成一個獨立的系統(tǒng)。搬運站的功能是向各個工作單元輸送工件，每完成一道工序就把工件送給下一個工作站，等加工站完成后再將工件送到裝配站和分揀站整個自動生產(chǎn)線的加工過程就完成。搬運站的整體運

52、動采用步進(jìn)電機驅(qū)動，具有定位精確和快速的特點。該步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)具有行程長、多定位點的特點，是一個典型的一維位置控制系統(tǒng)。因此步進(jìn)電機的運動控制在自動生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，需要步進(jìn)電機的速度盡可能的快，但為了防止步進(jìn)電機在啟動過程中發(fā)生失步，需要按一定的規(guī)律對步進(jìn)電機的速度進(jìn)行控制，也就是對步進(jìn)電機的脈沖頻率進(jìn)行控制。當(dāng)停車時，由較高的頻率突然降為零頻率，使步進(jìn)電機立即停止，可能會由于系統(tǒng)慣性的原因，轉(zhuǎn)子會沖過終點，結(jié)果使停車不準(zhǔn)確，因此停車也必須有一個降頻的過程。整個加減速的控制，如本文所述的步進(jìn)電機加減速控制。圖2.14自動生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖步進(jìn)電機傳動組件由齒輪

53、傳動，每轉(zhuǎn)一圈搬運站移動55mm，如果步距角為，每轉(zhuǎn)一圈需要走的步數(shù)N=360/，那每一步走過的距離為L=55/N。由此可以算出每個站點之間的需要走的步數(shù)，即需要總的脈沖個數(shù)。例如一個步距角為1.8的步進(jìn)電機，從供料站到加工站的距離為470mm，需要總的脈沖個數(shù)為1709個【11】。各站點之間的距離如表2.2所示。表2.2各站點距離序號站點距離1供料站加工站470mm2加工站裝配站286mm3裝配站分揀站235mm4分揀站返回工作原點925mm選用的步進(jìn)電機的步距角越小，定位精度就越高。步進(jìn)電機需要走的步數(shù)可以根據(jù)不同距離預(yù)先計算好，然后在單片機程序里設(shè)定好，也可以通過上位機進(jìn)行控制。2.7

54、本章小結(jié)本章首先分析了步進(jìn)電機的原理，并總結(jié)步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的特點；其次根據(jù)步進(jìn)電機的控制特點，設(shè)計步進(jìn)電機的驅(qū)動電路和環(huán)形脈沖分配器；為了使控制系統(tǒng)快以最短時間到達(dá)控制終點，并根據(jù)步進(jìn)電機的矩頻特性設(shè)計步進(jìn)電機的變速控制的方法。最后根據(jù)步進(jìn)電機的優(yōu)點，介紹步進(jìn)電機在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用。第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計原那么系統(tǒng)的擴展和模塊設(shè)計應(yīng)遵循以下原那么【12】：1盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。2硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原那么是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須

55、注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時間要比直接用硬件的長，而且占用CPU時間。所以選擇軟件方案時，要考慮到這些因素。3整個系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時，存貯器的存取時間有限，應(yīng)選擇允許存取速度較高的芯片；選擇CMOS芯片單片機構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中的所有芯片都應(yīng)該選擇低功耗的產(chǎn)品。4可靠性及抗干擾性設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的局部，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。5單片機外接電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力缺乏時，系統(tǒng)工作不可靠，解決的方法是增加驅(qū)動能力，增設(shè)線驅(qū)動器或減少芯片功耗，降低總線負(fù)載。6系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設(shè)計在滿足系統(tǒng)功能要求的根底

56、上，應(yīng)適當(dāng)留有余地，以備將來修改、擴展的需要。3.2 控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)硬件電路主要由鍵盤顯示電路、工作狀態(tài)顯示電路、環(huán)形脈沖分配器、步進(jìn)電機驅(qū)動電路、51單片機、電源及復(fù)位六局部組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)硬件框圖3.3 主要元件的選擇 單片機的選擇隨著微電子工藝水平的提高，近十年來單片微型計算機有了飛速的開展。在MCS-51系列單片機系列內(nèi)核8051/80C51的根底上，Intel公司、Philips公司、Siemens公司等很多大公司紛紛推出了名目繁多的派生芯片。而 ATMEL公司的AT89C51系列單片機是當(dāng)今具有較高性能的單片微型計算機系列產(chǎn)品之一，特別適用于要

57、求實時處理、實時控制的各類自動控制系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速電機控制系統(tǒng)等。其主要特點有：1 CPU內(nèi)核完全和MCS-51系列兼容，具有MCS-51系列單片機的一切功能。2 內(nèi)部集成了4K字節(jié)的在線可編程FlashROM，可滿足大局部系統(tǒng)擴展的需求，編程方更快捷。4 可在024MHz的晶振頻率范圍內(nèi)可靠工作，加快了系統(tǒng)的工作速度，可用在某些高速實時處理控制系統(tǒng)中。5 內(nèi)部具有256個字節(jié)的RAM和3個16位定時器，可以存放系統(tǒng)運行中的數(shù)據(jù)和滿足定時或計數(shù)功能擴展的需要。6 具有6個中斷源，完全可以滿足一般設(shè)計的中斷系統(tǒng)擴展需要。因此，AT89C51系列單片機以

58、其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，由于其內(nèi)部功能完善，可以大大減少擴展系統(tǒng)外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在本控制系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了AT89C51單片機作為中央控制單元。 EPROM的選擇只讀存儲器(ROM)的特點是：其內(nèi)容是預(yù)先寫入的且一旦寫入，使用時就只能讀出不能改變，掉電時也不會喪失，ROM器件還具有結(jié)構(gòu)簡單、信息度高，價格低，非易失性和可靠性高等特點。EPROM是以浮柵型MOS管作存儲單元，它里面存儲的內(nèi)容可以通過紫外線光的照射而被擦除，而且又可再用電流脈沖對其重新編程寫入程序或數(shù)據(jù)，而且還可屢次進(jìn)行擦除和重寫，故稱為可擦除可編程ROM，因而EPROM得到了廣泛的應(yīng)用。Int

59、el 2716是2K8的EPROM存儲器。2716的管腳排列如圖3.2所示。它有讀方式、未選中方式、編程方式、程序檢驗方式、編程禁止方式5種工作方式如表3.1所示【13】。圖3.2 2716 管腳排列2716管腳定義如下：A0A10：地址線，11位(對應(yīng)2K存儲單元)地址信號輸入引腳；O7O0：8位雙向數(shù)據(jù)線，編程時作數(shù)據(jù)輸入線，讀出時作數(shù)據(jù)輸出線；：片選允許輸入端，低電平有效；：數(shù)據(jù)輸出允許控制信號引腳，低電平有效；Vpp：+25V電源，用于專用裝置上進(jìn)行寫操作；表3.1 2716工作方式引腳方式/PGNVppO7 O0讀出低低+5V程序讀出未選中高X+5V高阻編程正脈沖高+25V程序?qū)懭氤?/p>

60、序校驗低低+25V程序讀出編程禁止低高+25V高阻 可逆計數(shù)器的選擇由于環(huán)形脈沖分配器不但需要接收脈沖信號CP，還需要接收方向電平，因此所選的計數(shù)器需要是一個可逆的計數(shù)器。計數(shù)器選用74LS191，這是一種單時鐘4位二進(jìn)制可逆計數(shù)器，時鐘脈沖從CP端輸入，加/減脈沖由同一端輸入，加/減控制線的上下電平控制加減計數(shù)。74LS191是單時鐘方式的可逆計數(shù)器，計數(shù)器的輸出QAQD接EPROM的低四位地址線，這樣可以選通EPROM的十六個地址00H0FH，將步進(jìn)電機的勵磁狀態(tài)從EPROM中輸出，控制繞組的導(dǎo)通和截止。74LS191的工作方式選擇如表3.2所示。用74LS164的clk端作為環(huán)形脈沖分配