基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電子科學(xué)與技術(shù)

學(xué)號(hào)：畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)作者屆別2014院部物理與電子學(xué)院專業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)老師職稱副教授完成時(shí)間2014.05畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGEPAGEIV摘要步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，它能按照提供的脈沖信號(hào)頻率來控制電機(jī)對(duì)應(yīng)極性相反定子產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，根據(jù)電磁力控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。在不同的脈沖信號(hào)作用下，它有不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速率與轉(zhuǎn)動(dòng)方向。同時(shí)，它具有步距角精度高、控制簡便等特點(diǎn)，這讓它在自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種在C語言程序下通過單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，軟硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、加減速、運(yùn)動(dòng)/停止控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)中，整個(gè)系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)芯片、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803、步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的按鍵為核心實(shí)現(xiàn)該功能，并且電機(jī)的工作狀態(tài)可以通過相應(yīng)的數(shù)碼管顯示出來。最后，通過Keil軟件與Proteus軟件進(jìn)行了仿真測試，得到了完整的波形圖，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。關(guān)鍵字：AT89C51單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，ULN2803，正反轉(zhuǎn)控制，加減速控制AbstractAsadigitalcontrolsystemactuator,thesteppermotorwhichcanaccordingtoprovidethefrequencyofpulsesignaltocontrolthemotorreversepolarityofthestatorproduceelectromagneticinductionphenomenon,accordingtotheelectricmagneticforcetocontroltherotationofthemotorrotor.Undertheinfluenceofdifferentpulsesignal,ithasadifferentrotationspeedandrotationdirection.Atthesametime,ithashighprecision,easytocontrolandsoon.,makingitintheautomaticcontrolsystemisbecomingmoreandmorewidelyused.Inthispaper,aClanguageprogram,throughsinglechipmicrocomputertocontrolsteppingmotorrotation,thecombinationofsoftwareandhardwareformotorandreversing,deceleration,motion/stopcontrolsystemdesignwasintroduced.Inthisdesign,thesystemUSESAT89C51single-chipmicrocomputer,steppingmotordrivenULN2803chipandstepmotorasthecoretoimplementthefunctionandthecorrespondingbuttons,andtheworkingstateofthemachineisthroughthecorrespondingdigitaltubedisplay.ThroughKeilsoftwareandProteussoftware,finally,thesimulationtest,obtainedthefullwaveformdiagram,verifythevalidityofthedesign. Keywords:AT89C51,steppermotor,ULN2803,positive&negativecontrolanddecelerationcontrol目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第一章引言 11.1課題提出的背景和研究意義 11.2問題的提出 21.3課題的主要研究內(nèi)容 21.4本章小結(jié) 3第二章步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特性 42.1步進(jìn)電機(jī)的概述 42.2步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 42.2.1步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 42.2.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理 42.2.3步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速 62.3步進(jìn)電機(jī)的基本特性 62.4步進(jìn)電機(jī)的選擇 82.5力矩與功率換算 82.6本章小結(jié) 9第三章步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 103.1單片機(jī)原理 103.1.1單片機(jī)原理概述 103.1.2AT89C51單片機(jī)簡介 103.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理 113.2.1脈沖序列的生成 113.2.2步進(jìn)電機(jī)的方向控制 133.2.3步進(jìn)電機(jī)的速度控制 133.3步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成 143.4控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計(jì) 153.4.1按鍵子程序設(shè)計(jì) 153.4.2顯示電路設(shè)計(jì) 173.4.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 173.5電機(jī)硬件設(shè)計(jì) 183.6本章小結(jié) 19第四章系統(tǒng)的仿真 194.1仿真測試 204.2本章小結(jié) 22第五章結(jié)束語 22致謝 24參考文獻(xiàn) 25附錄 26附錄A系統(tǒng)程序（C語言） 26附錄B步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與步距角的計(jì)算 32PAGE1-第一章引言1.1課題提出的背景和研究意義步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，它是基于最基本的電磁感應(yīng)作用，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，其外觀如圖1-1所示。圖1-1步進(jìn)電機(jī)外觀圖在結(jié)構(gòu)上它是由定子和轉(zhuǎn)子組成，通過持續(xù)可控的脈沖信號(hào)電流使電機(jī)的定子產(chǎn)生矢量磁場。該矢量場會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一固定角度(稱為“步距角”)，這樣就可以是步進(jìn)電機(jī)按照固定的角度一步一步的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)方向進(jìn)行高精度控制。步進(jìn)電機(jī)最早是在1920年由英國人所開發(fā)，而我國步進(jìn)電機(jī)的研究及制造起始于本世界50年代后期。從50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。現(xiàn)在在我國很多地方廣泛生產(chǎn)使用，例如：江蘇、浙江、北京、南京、四川等，像驅(qū)動(dòng)電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國產(chǎn)化的。在這些年中經(jīng)過不斷改良與應(yīng)用，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解性能等系統(tǒng)中，例如：機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)、高級(jí)字輪的字符選擇、計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)器的磁頭控制、打印機(jī)的字頭控制等，都要用到步進(jìn)電機(jī)。雖然步進(jìn)電機(jī)在我國得到了廣泛的生產(chǎn)與應(yīng)用，但是極度缺乏專業(yè)技術(shù)人員，大多數(shù)生產(chǎn)廠家還處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用、維修等技術(shù)指導(dǎo)中造成許多麻煩，嚴(yán)重的阻礙了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。作為執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，憑借其簡單、廉價(jià)，易于操作等突出特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)生活中扮演重要的角色。隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增，我覺得作為一個(gè)本科電子專業(yè)的大學(xué)生，研究步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的意義。在現(xiàn)實(shí)生活的使用過程中，對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)而言，總希望它能以最簡單的操作達(dá)到控制它的目的。而以前的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，比較常見的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是通過采用分立元件或者集成電路組成的控制回路時(shí)采用的專用步進(jìn)電機(jī)控制器來實(shí)現(xiàn)，但這樣的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)的可靠性與可移植性降低，提高了產(chǎn)業(yè)成本，不便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所選的步進(jìn)電機(jī)是四PAGE33-相步進(jìn)電機(jī)，通過AT89C51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、顯示電路、按鍵電路，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度與成本，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)生活過程中對(duì)步進(jìn)電機(jī)工作方式的精確控制的要求，避免了失步、振蕩等對(duì)電機(jī)控制精度的影響，系統(tǒng)控制框圖如圖1-2示。圖1-2系統(tǒng)控制框圖1.2問題的提出鑒于步進(jìn)電機(jī)在市場上的廣泛應(yīng)用，研究影響步進(jìn)電機(jī)工作的因素具有十分重要的意義。過去控制電機(jī)主要通過增加硬件電路設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)的功能簡單、控制精度要求不高的控制系統(tǒng)時(shí)比較易于實(shí)現(xiàn)。但現(xiàn)在電機(jī)越來越多的用于高精度、高分解性能的控制系統(tǒng)中，例如：機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)、高級(jí)字輪的字符選擇、計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)器的磁頭控制、打印機(jī)的字頭控制等；同時(shí)，隨著步進(jìn)電機(jī)的廣泛應(yīng)用，也迫切需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，這就促使我們?nèi)パ芯咳绾尉_控制電機(jī)與提高電機(jī)的移植性問題。基于程序控制的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)可以很好的解決其控制精度、移植性的問題，同時(shí)也更加易于維修。那么，本文的主要研究方向是如何通過C語言程序控制電機(jī)的工作。1.3課題的主要研究內(nèi)容1、步進(jìn)電機(jī)的工作原理通過查閱有關(guān)對(duì)步進(jìn)電機(jī)工作方式資料的介紹，對(duì)其單拍運(yùn)行、雙拍運(yùn)行、單雙拍運(yùn)行等各種運(yùn)行方式進(jìn)行研究，深入了解它是如何在各種工作方式下精確的運(yùn)行。2、影響步進(jìn)電機(jī)工作的因素步進(jìn)電機(jī)在精確的控制下才能精確的工作。只有我們?nèi)娴摹⑸钊氲牧私饬擞绊懖竭M(jìn)電機(jī)工作的因素，那么在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中才能避開不利因素。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要就是通過改變脈沖信號(hào)來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并且通過數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級(jí)別。3、步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)本次設(shè)計(jì)關(guān)于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制是通過控制不同頻率的脈沖信號(hào)電流來控制轉(zhuǎn)子在定子的矢量磁場下一步一步的轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子的角位移大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)及頻率成正比。那么，確定個(gè)數(shù)的脈沖信號(hào)就會(huì)有確定的角位移量。4、程序的調(diào)試及修改本次設(shè)計(jì)程序采用C語言，用Keil軟件進(jìn)行編程和調(diào)試，并將調(diào)試成功的程序在Proteus環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)仿真測試。1.4本章小結(jié)本章先對(duì)目前國內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)的在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用進(jìn)行了一個(gè)簡單的介紹；同時(shí)，根據(jù)其在應(yīng)用中存在的問題提出自己的思路；最后提出驗(yàn)證這些思路時(shí)可能需要研究的問題。第二章步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特性2.1步進(jìn)電機(jī)的概述步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的開環(huán)控制元件，即當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖脈沖信號(hào)，電機(jī)就會(huì)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱為“步距角”）。正是由于這一線性關(guān)系，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得我們用步進(jìn)電機(jī)來控制它的速度、位置、方向變得非常簡單。按勵(lì)磁方式分為三大類，如表2-1所示。表2-1步進(jìn)電機(jī)種類種類區(qū)別反應(yīng)式（VR)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子由鐵芯構(gòu)成，步距小，結(jié)構(gòu)簡單，但性能較差永磁式（PM）轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵、定子采用軟磁鋼制造，效率高、性價(jià)比高，但由于電機(jī)受到轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間隔距離限制，比較難于制造，且力矩較大，故步距角較大（一般為7.5°或15°）混合式（ＨB）綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小、響應(yīng)頻率高，勵(lì)磁功率小、效率高，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故成本相對(duì)比較高2.2步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理2.2.1步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子，其如表2-2所示。本文以四相步進(jìn)電機(jī)為例進(jìn)一步分析電機(jī)的結(jié)構(gòu)。表2-2步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)術(shù)語說明定子由硅鋼片疊成的，定子上有8大磁極，每2個(gè)相對(duì)的磁極（Ｎ，S）組成一對(duì)，共有4對(duì)。相鄰定子間間隔分別為0、1/4π、1/2π、3/4π轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成，其外表面也均勻地分布著小鋸齒，且與定子上的小齒相同，并且小齒的大小也相同，間距相同2.2.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)我們用一個(gè)脈沖電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一電磁場，該電磁場分為北極和南極，如圖2-1示。該電磁場會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度（稱為“步距角”）。那么，我們就可以通過持續(xù)的脈沖電流精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與脈沖數(shù)成正比，即它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率(f)成正比。在空載情況下，步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)啟動(dòng)頻率f0，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能正常啟動(dòng)的脈沖頻率。若脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，會(huì)發(fā)生失步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象；而在有負(fù)載的情況下，正常啟動(dòng)的脈沖頻率應(yīng)該更低。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。圖2-1激勵(lì)線圈產(chǎn)生電磁場以下是一四相步進(jìn)電機(jī)，其工作方式為四相八拍。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通脈沖電流，就能使電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，圖2-2是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理示意圖。圖2-2

四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖開始時(shí)，開關(guān)SB接通電源信號(hào)，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)的鋸齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)的鋸齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)位鋸齒，2、5號(hào)的鋸齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)位鋸齒。當(dāng)開關(guān)SB、SC接通信號(hào)，SA、SD斷開時(shí)，由于B、C相繞組的磁力線與0、3號(hào)齒之間磁力線之間的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，0、3號(hào)齒和B、C相繞組的中間線磁極對(duì)齊。依次類推，八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形如圖2-3所示。圖2-3步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形2.2.3步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速一般是改變輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)的頻率來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。即通過控制步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖的時(shí)間的脈沖頻率，延時(shí)的長短來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。本文具體的延遲時(shí)間的方法是通過軟件來實(shí)現(xiàn)，即通過程序控制脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔來控制時(shí)間的延續(xù)。基于單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行不同速度的控制,實(shí)際上就是改變輸出脈沖的時(shí)間間隔,采用軟件方法就是依靠延時(shí)程序來改變脈沖輸出的頻率,其中延時(shí)的長短是動(dòng)態(tài)的。2.3步進(jìn)電機(jī)的基本特性步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，必須清楚的知道它的參數(shù)指標(biāo)，才能夠精確控制步進(jìn)電機(jī)。下面表2-3是電機(jī)的靜態(tài)參數(shù)，表2-4是電機(jī)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，靜態(tài)參數(shù)一般是由生產(chǎn)廠家決定，而動(dòng)態(tài)參數(shù)是可以一由使用者具體設(shè)置，這也是本文研究的主要內(nèi)容。1、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語如表2-3示。表2-3步進(jìn)電機(jī)靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語術(shù)語說明相數(shù)產(chǎn)生不同對(duì)N、S磁場的激磁線圈對(duì)數(shù)，常用m表示拍數(shù)完成一個(gè)磁場周期性變化所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式，即AB-BC-CD-DA-AB；四相八拍運(yùn)行方式，即

A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A步距角對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖頻率信號(hào)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移θ。θ=3600/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運(yùn)行拍數(shù)）定位轉(zhuǎn)矩電機(jī)在不通電流的狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩靜轉(zhuǎn)矩電機(jī)在額定的靜態(tài)電作用下，其不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩2、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語如表2-4示。表2-4步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)術(shù)語術(shù)語說明步距角精度電機(jī)在脈沖信號(hào)下每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的差值失步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)與理論上的步數(shù)不相等。稱之為失步失調(diào)角電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步最大空載起動(dòng)頻率轉(zhuǎn)子的鋸齒軸線偏移定子齒軸線的角度，則電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)存在失調(diào)角最大空載的運(yùn)行頻率電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率運(yùn)行矩頻特性電機(jī)在一定的測試條件下測得的運(yùn)行輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)選擇的最基本的依據(jù)。電機(jī)一旦被選定，則靜力矩確定；而動(dòng)態(tài)力矩則不一定，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩與電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流）相關(guān)。流通的平均電流越大，則電機(jī)的輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越好。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使使用小電感、大電流的電機(jī)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈A-D-CD-C-BC-B-AB-A時(shí)為反轉(zhuǎn)3、步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)如下：①一般電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3%-5%，并且不積累。②步進(jìn)電機(jī)外表所允許的最高溫度：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)溫度過高時(shí)首先會(huì)使電機(jī)中的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致電機(jī)力矩下降，甚至失步，因此電機(jī)外表所允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在130℃以上，有的甚至高達(dá)200℃以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90③步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電壓差；頻率越高，反向電壓差越大。在它的作用下，步進(jìn)電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減少，從而導(dǎo)致力矩下降。④步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)能夠正常轉(zhuǎn)動(dòng)，但若其高于一定轉(zhuǎn)動(dòng)速度就無法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)：電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率，即其在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率信號(hào)，如果脈沖信號(hào)頻率高于該值，則電機(jī)不能夠正常啟動(dòng)，并可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)；且在有負(fù)載時(shí)，電機(jī)的啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，則脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)脈沖信號(hào)頻率較低，然后按一定的加速度升到用戶所希望的高頻（電機(jī)的轉(zhuǎn)速從低速慢慢升到高速）。2.4步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，電機(jī)的型號(hào)便確定下來了,其要點(diǎn)如表2-5所示。表2-5步進(jìn)電機(jī)的選擇術(shù)語說明步距角電機(jī)的步距角取決于其負(fù)載精度的要求，將電機(jī)的負(fù)載最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相電機(jī)）等靜力矩步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸）電流靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）2.5力矩與功率換算步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)可以調(diào)速、功率等使用，所以一般只用力矩來衡量電機(jī)性能，力矩與功率的換算公式如下：

其P為功率，單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米(半步工作）其中f為每秒脈沖的個(gè)數(shù)（簡稱PPS）2.6本章小結(jié)本章先介紹了步進(jìn)電機(jī)的種類及其工作原理，再根據(jù)其工作原理重點(diǎn)介紹了四相八拍的工作方式及調(diào)速的方法；再介紹了步進(jìn)電機(jī)的特性及如何選擇一款合適的步進(jìn)電機(jī)。第三章步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制3.1單片機(jī)原理3.1.1單片機(jī)原理概述單片機(jī)是把微型計(jì)算機(jī)主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型化的計(jì)算機(jī)。微型化的計(jì)算機(jī)由CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口電路等組成，并且相互間通過三組總線（BUS）來連接。圖3-1中表示單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)圖。由于單片機(jī)的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)部之間的信號(hào)傳送距離，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度，同時(shí)它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機(jī)在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。圖3-1圖3-1微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)只讀存儲(chǔ)器ROM隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線ABI/O接口I/O設(shè)備CPU3.1.2AT89C51單片機(jī)簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓、高性能CMOS8位微型處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C系列單片機(jī)是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)在只讀存儲(chǔ)器上可以反復(fù)擦除多次。該器件采用ATMEL高密度非易失性的存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，并與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳完全兼容。由于其將多功能的8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片之中，ATMEL的AT89C51是一種高效的微型控制器。51系列單片機(jī)為許多嵌入式系統(tǒng)提供了一種比較靈活且性價(jià)比高的設(shè)計(jì)方案，這也促進(jìn)了嵌入式控制系統(tǒng)在市場上的廣泛應(yīng)用與推廣。AT89C51單片機(jī)芯片外形及引腳的排列如圖3-2所示，各引腳功能如表3-1所示。而P3口用作I/O接口時(shí)，其功能與P1口相似，但在很多情況下P3口使用的是第二功能，P3口的第二功能如表3-2所示。圖3-2AT89C51外形及引腳排列3.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理3.2.1脈沖序列的生成51系列單片機(jī)在處理信息時(shí)使用的是ASCⅡ碼，即使用一連串的數(shù)字0和1表示信息內(nèi)容。那么，將1表示高電平，0表示低電平，我們就實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的精確控制，如圖3-3所示為脈沖信號(hào)示意圖。 圖3-3圖3-3脈沖信號(hào)電脈沖信號(hào)幅值：由數(shù)字元件的電平?jīng)Q定。CMOS：0～10VTTL：0～5V通過程序控制單片機(jī)產(chǎn)生一系列ASCⅡ碼，即一系列0和1的不同組合，根據(jù)這一系列不同的0和1組合產(chǎn)生我們需要的脈沖信號(hào)。本課題采用的51單片機(jī)輸出脈沖幅值為5V。引腳功能說明VCC供電電壓GND接地P0口P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須接上拉電阻P1口P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為低八位地址接收P2口P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)P3口P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間ALE/PROG當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效表3-1AT89C51各引腳功能續(xù)前表/EA/VPP當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）XTAL1反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入XTAL2來自反向振蕩器的輸出/PSEN外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)表3-2P3口第二功能引腳第二功能說明P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0輸入端）P3.3/INT1（外部中斷1輸入端）P3.4T0（定時(shí)/計(jì)時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)/計(jì)時(shí)器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）3.2.2步進(jìn)電機(jī)的方向控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)，改變通電脈沖信號(hào)順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速。正轉(zhuǎn): A?AB?B?BC?C?CD?D?DA?A反轉(zhuǎn):A?AD?D?DC?C?CB?B?BA?A3.2.3步進(jìn)電機(jī)的速度控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號(hào)頻率、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)和工作拍數(shù)。步距角和轉(zhuǎn)速大小不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，僅僅與電脈沖頻率成正比。那么，在一確定型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)的情況下，我們主要通過改變電脈沖信號(hào)頻率來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與方向的控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)要經(jīng)歷升速，恒速，減速的過程，如果在啟動(dòng)時(shí)一次性將速度升到給定速度，當(dāng)啟動(dòng)的頻率超過極限啟動(dòng)頻率fth時(shí)，電機(jī)就會(huì)有失步的現(xiàn)象，因此電機(jī)不能很好的啟動(dòng)；如果到終點(diǎn)時(shí)電機(jī)突然停下來，由于慣性作用，會(huì)發(fā)生過沖現(xiàn)象的情況，造成其運(yùn)行位置精度下降。而如果電機(jī)的升速很緩慢，則雖然不會(huì)發(fā)生失步和過沖現(xiàn)象，但會(huì)影響電機(jī)的工作效率。所以，對(duì)電機(jī)的加減速有嚴(yán)格的要求，那就是保證在不失步和過沖的情況前提下，要以最快的運(yùn)轉(zhuǎn)速度（或最短的時(shí)間）移動(dòng)到指定位置。為滿足用戶對(duì)電機(jī)的加減速要求，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行通常按照加減速曲線進(jìn)行。而電機(jī)的加減速運(yùn)行曲線沒有固定的方式，我們一般根據(jù)使用的經(jīng)驗(yàn)得到。其中最簡單的是勻加速和勻減速曲線，如圖3-4所示。fffth加速恒速減速t0圖3-4加減速曲線圖3.3步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成利用單片機(jī)AT89C51控制步進(jìn)電機(jī)原理框圖如圖3-5示。圖3-5單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理框圖與傳統(tǒng)步進(jìn)控制器相比較有以下優(yōu)點(diǎn)：1、采用AT89C51控制步進(jìn)電機(jī)，利用單片機(jī)識(shí)別二進(jìn)制代碼的特點(diǎn)，將二進(jìn)代制轉(zhuǎn)換成串行輸入脈沖信號(hào)序列，并根據(jù)脈沖電流大小與方向的變化，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與方向控制；2、同時(shí)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)在其具體的工作方式下，步距角的大小是確定的，只要知道初始位置，便可知道步進(jìn)電機(jī)的具體位置。3.4控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)初始化、延時(shí)子程序、按鍵響應(yīng)程序、數(shù)碼管顯示程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，這幾個(gè)部分是緊密相關(guān)，每一個(gè)功能部分都對(duì)整體設(shè)計(jì)非常重要，各個(gè)部分的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。本次設(shè)計(jì)采用自上而下的原則，從抽象到具體，從概要設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了本次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，鍵掃描鍵掃描按鍵判斷開始相應(yīng)按鍵子程序相應(yīng)相應(yīng)子程序NY圖3-6程序圖3.4.1按鍵子程序設(shè)計(jì)1、延時(shí)子程序：在本延時(shí)子程序當(dāng)中每調(diào)用一次延時(shí)子程序延時(shí)時(shí)間是0.5毫秒。定時(shí)器T0的計(jì)數(shù)初值：Tx=213－T/Tcy=8192－0.5×10－3/10－6=7692D=1E0CH=1111000001100B可知：高8位為0F0H，低五位為0CH延時(shí)程序其程序代碼如下：TMOD=0x00; //延時(shí)0.5毫秒 TL0=0x0C; TH0=0xF0; TR0=1; while(TF0==0); TR0=0;2、按鍵響應(yīng)子函數(shù)：在本設(shè)計(jì)當(dāng)中按鍵的一端接地，另一端接單片機(jī)的對(duì)應(yīng)端口，所以當(dāng)按鍵按下，單片機(jī)對(duì)應(yīng)端口電平拉低，如圖3-7（a）按鍵系統(tǒng)圖示。當(dāng)單片機(jī)響應(yīng)程序，判斷按鍵是否按下（低電平有效）。圖3-7（b）示畫出的是電機(jī)增速、減速與轉(zhuǎn)向的子程序框圖，通過P3.4、P3.5、P3.6、P3.7控制單片機(jī)的P1口的通電方式；P3.4鍵控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)與停止、P3.5鍵控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、P3.6鍵控制電機(jī)的加速、P3.7鍵控制電機(jī)的減速。本次設(shè)計(jì)采用四相八拍的工作方式，通過AT89C51 單片機(jī)控制脈沖信號(hào)的變化來對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制。（a）按鍵系統(tǒng)圖 YYYYNP3.7=0？最低速P3.6=0？P3.5=0？減速最低速加速反轉(zhuǎn)YN、YNNNY反轉(zhuǎn)相關(guān)程序正轉(zhuǎn)相關(guān)程序 （b）按鍵系統(tǒng)框圖圖3-7按鍵圖3.4.2顯示電路設(shè)計(jì)數(shù)碼管分為共陰與共陽兩種類型，本次設(shè)計(jì)采用的為共陽的數(shù)碼管，數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，其管腳排列分配如圖3-8所示。通過程序控制單片機(jī)引腳的電平的高低來控制數(shù)碼管的靜態(tài)顯示，通過靜態(tài)顯示的設(shè)計(jì)，使得電路變得簡便，易于操作。aabcdefgdp圖3-8數(shù)碼管引腳圖3.4.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)是為了電機(jī)有足夠的動(dòng)力來工作?？紤]到硬件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的方法會(huì)電路復(fù)雜，調(diào)試不方便，而且采用多個(gè)元器件搭接，成本高。而直接采用集成的驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)電路穩(wěn)定，成本低，易于控制，所以最終本設(shè)計(jì)是直接采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的核心部件。芯片ULN2803如圖3-9所示。圖3-9芯片ULN2803本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分是由驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803及其外圍電路構(gòu)成，設(shè)計(jì)中使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓是使用了12V(也可以使用9V)，其連接圖如圖3-10所示。圖3-10驅(qū)動(dòng)電路圖3.5電機(jī)硬件設(shè)計(jì)本次基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過C語言程序控制單片機(jī)，可重復(fù)使用的設(shè)計(jì)。使用者可以通過與單片機(jī)相連接的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7口分別控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)/停止、正反轉(zhuǎn)、加速、減速等狀態(tài)運(yùn)行；通過與P0口相連的數(shù)碼管觀測電機(jī)運(yùn)行的速度檔位；通過與P2口相連的數(shù)碼管觀測電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，其具體的硬件設(shè)計(jì)圖如圖3-11所示。圖3-11步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)圖3.6本章小結(jié)本章先介紹的單片機(jī)的原理及其各引腳的功能，再根據(jù)其性能概括的介紹了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制方法；然后再介紹了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成，通過論文設(shè)計(jì)的要求，采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，從抽象到具體，從概要設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)全面的分析系統(tǒng)的組成；最后在分別全面的分析該系統(tǒng)的各個(gè)組成部分。第四章系統(tǒng)的仿真4.1仿真測試1、仿真硬件連接本次設(shè)計(jì)程序的編譯采用keil軟件，生成十六進(jìn)制代碼。由于Proteus軟件本身優(yōu)良的仿真特性，即驗(yàn)證設(shè)計(jì)程序的準(zhǔn)確性，從而準(zhǔn)確完成系統(tǒng)開發(fā)中的控制程序的設(shè)計(jì)部分，所以在本次仿真設(shè)計(jì)中采用Proteus軟件。在仿真中，先在keil軟件中生成的十六進(jìn)制代碼，然后將十六進(jìn)代碼導(dǎo)入到Proteus軟件的單片機(jī)中，Proteus仿真步進(jìn)電機(jī)的界面如圖4-1所示。圖4-1Proteus仿真界面2、仿真結(jié)果當(dāng)啟動(dòng)時(shí)，如果脈沖信號(hào)的頻率過高，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生失步，所以需要先預(yù)設(shè)一個(gè)比較低的啟動(dòng)頻率，在用Proteus仿真步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)過程中可以用示波器觀測的其啟動(dòng)時(shí)的脈沖信號(hào)波形如圖4-2（a）低頻率仿真波形圖所示。這是電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的最小頻率脈沖信號(hào)波形圖，在這個(gè)頻率脈沖信號(hào)下，步進(jìn)電機(jī)以每分鐘375圈的旋轉(zhuǎn)速度按照四相八拍（正轉(zhuǎn):A?AB?B?BC?C?CD?D?DA?A或反轉(zhuǎn):A?AD?D?DC?C?CB?B?BA?A）的工作方（a）低頻率仿真波形圖所示（b）高頻率仿真波形圖圖4-2脈沖信號(hào)波形圖式運(yùn)行。慢慢的提高脈沖信號(hào)的頻率，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度會(huì)慢慢的加快。當(dāng)電機(jī)的速度逐步加到最大時(shí)其脈沖頻率也達(dá)到最大值，其脈沖信號(hào)波形如圖4-2（b）高頻率仿真波形圖所示，在這個(gè)脈沖信號(hào)頻率下，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度達(dá)到每分鐘833圈。值得注意的是，如果提供給步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)頻率過高也會(huì)引起失步的情況發(fā)生。4.2本章小結(jié)本章首先介紹了仿真所需要的軟件：keil軟件與Proteus軟件。我們?cè)趉eil軟件上編寫出詳細(xì)的C語言程序，然后生成十六進(jìn)制代碼；并用Proteus軟件進(jìn)行程序的調(diào)試，并得出完整的仿真波形圖。第五章結(jié)束語經(jīng)過一學(xué)期的學(xué)習(xí)和努力，終于完成了基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過這次的設(shè)計(jì)，加深了對(duì)單片機(jī)知識(shí)的了解與應(yīng)用。在這次的設(shè)計(jì)過程中，首先通過自己查閱相關(guān)資料，有針對(duì)性的學(xué)習(xí)了相關(guān)知識(shí)，了解了影響步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的主要因素，這為我們?cè)谏钪姓_使用步進(jìn)電機(jī)打下基礎(chǔ)。同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求確定控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路；控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊：顯示電路設(shè)計(jì)、調(diào)速程序設(shè)計(jì)、鍵盤控制設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等分別連接單片機(jī)的P0、P1、P2、P3等I/O口，各部分以單片機(jī)為核心，分工合力的實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。本次設(shè)計(jì)采用程序控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、停止、運(yùn)動(dòng)的精確控制。程序控制的系統(tǒng)較傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)易于維修，同時(shí)，它的可移植性也優(yōu)于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)。而在使用這種電機(jī)時(shí)，其按鍵操作簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)速度與方向易于分辨，這為電機(jī)在市場中的進(jìn)一步推廣提供了廣泛的前景。總的來說，畢業(yè)設(shè)計(jì)體現(xiàn)的是對(duì)大學(xué)期間所學(xué)課程的高度綜合，把我們所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)統(tǒng)一起來，使零散的知識(shí)系統(tǒng)化，讓我們形成了一種能力。這也是畢業(yè)設(shè)計(jì)所要達(dá)到的目的，為我們走進(jìn)社會(huì)打下了夯實(shí)基礎(chǔ)。致謝在論文完成之際，謹(jǐn)向給予我指導(dǎo)和支持的老師、同學(xué)表示我最真摯的謝意！感謝尊敬的易立華老師，在他的精心指導(dǎo)下我的論文順利地完成了。在設(shè)計(jì)中易立華老師給予我很多寶貴的指導(dǎo)意見，使我的畢業(yè)課題可以的順利完成。同時(shí)忠心感謝學(xué)校和在大學(xué)期間教導(dǎo)我的每一位老師，在他們的耐心教導(dǎo)下我才能掌握好各種專業(yè)知識(shí)，學(xué)會(huì)為人處世的道理，為進(jìn)入社會(huì)打下了基礎(chǔ)；最后感謝我的父母，在他們的關(guān)懷和支持下我才能健康成長和順利完成學(xué)業(yè)。本次論文雖然完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但由于開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足，系統(tǒng)一定存在不妥之處，尤其是步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用方面有待進(jìn)一步的研究和探討，論文中的不足之處敬請(qǐng)老師批評(píng)指正。

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[11]DepenbrockM.Directself-control(DSC)ofinverterfedmachine[J].IEEETransonPE,1998,3(4).附錄附錄A系統(tǒng)程序（C語言）#include"reg51.h"http://包含頭文件REG52.HsbitA1=P1^0;//定義步進(jìn)電機(jī)連接端口sbitB1=P1^1;sbitC1=P1^2;sbitD1=P1^3;sbitkey_jia=P3^6;sbitkey_jian=P3^7;sbitkey_turn=P3^5;sbitkey_star=P3^4;bitstar=0;bitflag=0;//正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位intnum=0,frequency,i;#defineCodi_AB{A1=1;B1=1;C1=0;D1=0;}//AB相通電，其他相斷電#defineCodi_BC{A1=0;B1=1;C1=1;D1=0;}//BC相通電，其他相斷電#defineCodi_CD{A1=0;B1=0;C1=1;D1=1;}//CD相通電，其他相斷電#defineCodi_DA{A1=1;B1=0;C1=0;D1=1;}//D相通電，其他相斷電#defineCodi_A{A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;}//A相通電，其他相斷電#defineCodi_B1{A1=0;B1=1;C1=0;D1=0;}//B相通電，其他相斷電#defineCodi_C{A1=0;B1=0;C1=1;D1=0;}//C相通電，其他相斷電#defineCodi_D{A1=0;B1=0;C1=0;D1=1;}//D相通電，其他相斷電#defineCodi_OFF{A1=0;B1=0;C1=0;D1=0;}//全部斷電intcodetable1[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//顯示段碼值0~9voiddelay(inti)//延時(shí)函數(shù) { intj; for(j=i;j>=0;j--){ TMOD=0x00; //延時(shí)0.5毫秒 TL0=0x0C; TH0=0xF0; TR0=1; while(TF0==0); TR0=0; } }voidkey()//鍵掃描； { if(star==0) {if(key_star==1) while(key_star==1); elseif(key_star==0) { delay(0); if(key_star==0) { while(key_star==0); star=1; } } } elseif(key_star==0) { delay(0); if(key_star==0) { while(key_star==0); star=0; } }if(key_jian==0)//判斷減速鍵是否按下 { delay(0);//減速鍵按下，消抖 if(key_jian==0)//確定減速鍵按下 { if(num==0)//判斷是否為最低速 while(key_jian==0); //為最低速，等待松開按鍵 else { while(key_jian==0); num--; //不是最低速，速度標(biāo)志減1 } } } elseif(key_jia==0) //判斷加速鍵是否按下 { delay(0); //加速鍵按下，消抖 if(key_jia==0) //確定加速鍵按下 if(num==9) //判斷是否為最高速 while(key_jia==0); //為最高速，等待松開按鍵 else { while(key_jia==0); num++; } //不是最高速，速度標(biāo)志加1 } elseif(key_turn==0) //判斷正反按鍵是否按下 { delay(0); //正反按鍵按下，消抖 if(key_turn==0) //確定正反按鍵按下 { flag=~flag; //正反標(biāo)志位取反 while(key_turn==0); //等待正反按鍵松開 } } }voidrate()//控制電機(jī)速度 { inty;switch(num) { case0:frequency=20;break; //根據(jù)不同的檔位，選著不同脈沖頻率 case1:frequency=18;break; case2:frequency=16;break; case3:frequency=15;break; case4:frequency=14;break; case5:frequency=13;break; case6:frequency=12;break; case7:frequency=11;break; case8:frequency=10;break; case9:frequency=9;break; default:break; } for(y=0;y<frequency;y++) delay(1); }voidrun()//控制電機(jī)轉(zhuǎn)向 { switch(i) { case0:Codi_A;break; case1:Codi_AB;break; case2:Codi_B1;break; case3:Codi_BC;break; case4:Codi_C;break; case5:Codi_CD;break; case6:Codi_D;break; case7:Codi_DA;break; case8:Codi_OFF;break; } }voiddisplay()//控制數(shù)碼管顯示 { P0=~table1[num]; }voidplay() { intj; if(flag==0) //判斷正反標(biāo)志位是否為0 { i=0; P2=0x3f;//為0，數(shù)碼管顯示為0 P2=~P2; display(); //數(shù)碼管顯示檔位 for(j=0;j<8;j++) { run(); rate(); i++; key(); } } else { i=8; P2=0x06; P2=~P2; display(); for(j=0;j<8;j++) { run(); rate(); i--; key(); } } }voidmain()//主程序 { while(1) { key(); play(); } }

附錄B步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與步距角的計(jì)算1、步距角：步進(jìn)電機(jī)的定子繞組每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱步距角。其中：M－定子相數(shù)Z－轉(zhuǎn)子齒數(shù)C－通電方式：C=1單相輪流通電、雙相輪流通電方式C=2單、雙相輪流通電方式2、步進(jìn)電機(jī)速率n的計(jì)算其中：－脈沖信號(hào)頻率－步進(jìn)電機(jī)步距角在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)在不同檔位下的不同速率如下表一所示：表一步進(jìn)電機(jī)速率檔位速率（n/min）0375141624683500453555766625768187509833基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測量儀的研制基于單片機(jī)的紅外測油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究HYPERLINK"/det