2022年步进电机运动控制系统设计方案 .docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 步进电机运动掌握系统设计（一）时间： 2022-09-17 浏览次数： 667 调速系统论文摘要 : 步进电本文摘要： 论文关键词：步进电机单片机机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环掌握元件；在非超载的论文关键词：步进电机单片机调速系统论文摘要 : 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环掌握元件；在非超载的情形下,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 机就转过一个步距角；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、位置等掌握领域用步进电机来掌握变的特别的简洁；步进电机的 调速一般是转变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速,由于步进电机每给一 个脉冲就转动一个固定的角度,这样就可以通过掌握步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的 时间间隔来转变脉冲的频率,延时的长短来具体掌握步进角来转变电机的转速,从而实现 AT89C51型单片机内部的定时器转变 CP脉冲的频率 步进电机的调速；在本设计方案中采纳 从而实现对步进电机的转速进行掌握,实现电机调速与正反转的功能；设计时考虑到 CPU在执行指令时可能受到干扰的冲击 , 导致程序” 跑飞” 或者进入” 死循环”, 因此 , 设计 了看门狗电路 , 使用的是 MAXIM公司生产的微处理系统监控集成芯片 MAXI813；本文仍 具体地给出了相关的硬件框图和软件流程图,并编制了该汇编语言程序；前 言 步 1950 年后期晶体管的创造也逐步应用在步进电 进电机最早是在 1920 年由英国人所开发；机上,这对于数字化的掌握变得更为简洁；以后经过不断改良,使得今日步进电机已广泛 运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信任性等敏捷掌握性高的机械系统中；在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中,我们很简洁发觉步进电机的踪迹,特殊以重视速度、位置掌握、需要精确操作各项指令动作的敏捷掌握性场合步进电机用得最多；步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中；随着微电子和运算机技术的进展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经 济领域都有应用；步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件；步 进电机可以直接用数字信号驱动,使用特别便利；一般电动机都是连续转动的,而步进电名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 动机就有定位和运转两种基本状态,当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动,每给它 一个脉冲信号,它就转过肯定的角度；步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正 比,在时间上与输入脉冲同步,因此只要掌握输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的 相序,便可获得所需的转角、转速及转动方向；在没有脉冲输入时,在绕组电源的鼓励下 气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态；因此特别适合于单片机掌握；步进电机仍 具有快速启动、精确步进和定位等特点,因而在数控机床,绘图仪,打印机以及光学仪器 中得到广泛的应用；步进电动机已成为除直流电动机和沟通电动机以外的第三类电动机；传统电动机作为机电能量转换装置,在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用；步进电机可以作为一种掌握用的特种电机,利用其没有积存误差 精度为 100%的特点,广泛应用于各种开环掌握；现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等；永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5 度 或 15 度；反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为 1.5 度,但噪声和振动都很大；反应式步进 电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩；混 合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点；它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72度；这种步进电机的应用最为广泛,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机；第 1 章 步进电机概述1.1 步进电机的特点：1） 一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积；2） 步进电机外表答应的温度高；步进电机温度过高第一会使电机的磁性材料退磁,从而 导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表答应的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退 磁点；一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上,有的甚至高达摄氏 200 度以 上,所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常；3）步进电机的力矩会随转速的 上升而下降；当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越 高,反向电动势越大；在它的作用下,电机随频率（或速度）的增大而相电流减小,从而导致力矩下降；4）步进电机低速时可以正常运转, 但如高于肯定速度就无法启动, 并伴有啸叫声；步进电机有一个技术参数：空载启动频率,即步进电机在空载情形下能够正常 启动的脉冲频率,假如脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转；在名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 有负载的情形下,启动频率应更低；假如要使电机达到高速转动,脉冲频率应当有加速过程,即启动频率较低,然后按肯定加速度升到所期望的高频（电机转速从低速升到高速）；TC * MERGEFORMAT 1.2步进电机的工作原理：步进电机是一种用电脉冲进行掌握 , 将电脉冲信号转换成相位移的电机 , 其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比 , 每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度 . 脉冲的数量打算了旋转的总角度 , 脉冲的频率打算了电机运转的速度 . 当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 称为“ 步距角” ,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的；可以通过掌握脉冲个数来掌握角位移量,从而达到精确定位的目的；同时可以通过掌握脉冲频率来掌握电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的；1.3 步进电机的技术参数：1.3.1 步进电机的基本参数 1 空载启动频率: 即步进电机在空载情形下能够正常启动的脉冲频率,假如脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转；在有负载的情形下,启动频率更低；假如要使电机达到高速转动,脉冲频率应当有加速过程,即启动频率较低,然后肯定加速度升到所期望的高频（电机转速从低速升到高速）；2 电机固有步距角：它表示掌握系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度；电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为 0.9 ° /1.8 ° （表示半步工作时为 0.9 ° 、整步工作时为1.8 ° ）,这个步距角可以称之为电机 固有步距角,它不肯定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关；3 步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机；电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9 ° /1.8 ° 、三相的为 0.75 ° /1.5 ° 、五相的为0.36 ° /0.72 ° ；在没有细分驱动器时,用户主要靠挑选不同相数的步进电机来满意自己步距角的要求；假如使用细分驱动器,就相数将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以转变步距角；4 保持转矩（ HOLDING TORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩；它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在 低速时的力矩接近保持转矩；由于步进电机的输出力 矩随速度的增大而不断衰减,输出功 率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一；比名师归纳总结 如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情形下是指保持转矩为2N.m的步进电第 3 页,共 12 页机； TC * MERGEFORMAT 1.3.2步进电机动态指标及术语：1 步距角精度：步- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差；用百分表示：误差 / 步距角 *100%；不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在 5%之内,八拍运行时应在 15%以内；2 失步： 电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数；称之为失步；3 失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采纳细分驱动是不能解决的；4 最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情形下,能够直接起动的最大频率；5 最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率；6 运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩特 性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机挑选的根本依据；如下 图 1-1 所示：图 1-1 力矩频率曲线7 电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域,二、四相感应子式步进电机的共振区一般在 180-250pps 之间（步距角 1.8 度）或在 400pps 左右（步距角为 0.9 度）,电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,就共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多；其它特性仍有惯频特性、起动频率特性等；电机一旦选定,电机的静力矩确定而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态流）平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬；如下图 1-2 所示：图 1-2 力矩频率特性曲线 其中,曲线 3 电流最大、或电压最高；曲线 1 电流最小、或电压最低,曲线与负载的交点为负载的最大速度点；要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,使采纳小电感大电流的电机；1.4 步进电机的分类 1.4.1 步进电机分为三大类：1 反应式步进电机（VAriABle ReluCtAnCe,简称 VR）反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的,转子中没有绕组；它的结构简洁,成本距角可以做得很小,但动态性能较差；反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；2 永磁式步进电机（PermAnent MAgnet ）,简称 PM 永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的,转子本身就是一个磁源；转子的极数和定子的极数相同,所以一般步进角比较大,它输出转矩大,动态性能好,消耗功率小（相比反应式）,但启动运行频率较低,仍需要正负脉冲供电；3 混合式步进电机（HyBrid ,简称 HB） 混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点；混合式与传统的反应式相名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 比,结构上转子加有永磁体,以供应软磁材料的工作点,而定子激磁只需供应变化的磁场 而不必供应磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低；因永磁体的存 在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪 声低、低频振动小；这种电动机最初是作为一种低速驱动用的沟通同步机设计的,后来发 现假如各相绕组通以脉冲电流,这种电动机也能做步进增量运动；由于能够开环运行以及 掌握系统比较简洁,因此这种电机在工业领域中得到广泛应用；TC 1.4.2步进电机的内外结构步进电机转子匀称分布着许多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开；0、 1/3 、 2/3 , （相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示）,即 A 与齿 1 相对齐, B 与齿 2 向右错开 1/3 , C与齿 3向右错开 2/3 , A' 与齿 5 相对齐,（ A' 就是 A,齿 5 就是齿 1）下面是定转子的绽开如图1-3 所示：图 1-3 定子绽开图电动机定子铁心和一般电机一样由硅钢片叠成,铁心内孔表面有开口槽；转子装有一个轴向磁化永磁体用以产生一个单向磁场；永磁体产生的磁通,在每一个气隙圆周上都是单方向通过气隙的,这时作用在气隙中的磁势是同极性的,称为单极磁势；而转子包括两段,一段经永磁体磁化成 N 极,另一段磁化为 S 极,每段转子齿以一个齿距间隔匀称分布,但两段转子的齿相互错开 1/2 个转子齿距； A N 极段截面图 B S 极段截面图如图 1-4 所示 :A N 极段截面图 B S 极段截面图 图 1-4 三相混合式步进电机截面图 TC * MERGEFORMAT 1.5 步进电机具体调速原理：步进电机的调速一般是转变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速,由于步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度,这样就可以通过掌握步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来转变脉冲的频率,延时的长短来具体掌握步进角来改变电机的转速,从而实现步进电的调速；具体的延时时间可以通过软件来实现；这就需要采纳单片机对步进电机进行加减速掌握 , 实际上就是转变输出脉冲的时间间隔 , 单片机掌握步进电机加减法运转可实现的方法有软件和硬件两种 , 软件方法指的是依靠延时程序来转变脉冲输出的频率 , 其中延时的长短是动态的 , 软件法在电机掌握中 , 要不停地产生控制脉冲 , 占用了大量的 CPU 时间 , 使单片机无法同时进行其他工作；硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现的 , 在每次进入定时中断后 , 转变定经常数 , 从而升速时使脉冲频率逐渐增大 , 减速时使脉冲频率逐步减小 , 这种方法占用 CPU 时间较少 , 在各种单片机中都能实现, 是一种比较有用的调速方法；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第 2 章本次设计的基本要求讨论步进电机的特性、工作原理、及其具体的调速原理；TC * MERGEFORMAT 2.1基本要求 步进电机采纳三相步进电机,功率为 1W；调速范畴为 0到 1000r/min 最高转速时,精度 2% 要基本上完成毕业设计,作到步进电机能精确的调速,正反转、并能在起动时不失步,基本上没有振荡,能完成完整的硬件电路图,软件设计；第 3 章方案的论证3.1 掌握方式的确定步进电机掌握虽然是一个比较精确的,步进电机开环掌握系统具有成本低、简洁、掌握便利等优点,在采纳单片机的步进电机开环系统中,掌握系统的CP脉冲的频率或者换向周期实际上就是掌握步进电机的运行速度；系统可用两种方法实现步进电机的速度掌握；一种是延时,一种是定时；延时方法 是在每次换向之后调用一个延时子程序,待延时终止后再次执行换向,这样周而复始就可 发出肯定频率的 CP脉冲或换向周期；延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和,就 是 CP脉冲的周期,该方法简洁,占用资源少,全部由软件实现,调用不同的子程序可以实现不同速度的运行；但占用CPU时间长,不能在运行时处理其他工作；因此只适合较简洁的掌握过程；定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号,从而可便利的掌握系统输出CP脉冲的周期；当定时器启动后,定时器从装载的初值开头对系统及其周期进行加计数,当定时器溢出时,定时器产生中断,系统转去执行定时中断子 程序；将电机换向子程序放在定时中断服务程序中,定时中断一次,电机换向一次,从而 实现电机的速度掌握；由于从定时器装载完重新启动开头至定时器申请中断止,有肯定的 时间间隔,造成定时时间增加,为了削减这种定时误差,实现精确定时,要对重装的计数 初值作适当的调整；调整的重装初值主要考虑两个因素一是中断响应所需的时间；二是重 装初值指令所占用的时间,包括在重装初值前中断服务程序重的其他指令因；综合这两个因素后,重装计数初值的修正量取8 个机器周期,即要使定时时间缩短8 个机器周期；用定时中断方式来掌握电动机变速时,实际上是不断转变定时器装载值的大小；在掌握过程 中,采纳离散方法来靠近抱负的升降速曲线；为了削减每步运算装载值的时间,系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的ROM中,系统在运行中用查表法查出所需的装载值,这样可大幅度削减占用 CPU的时间,提高系统的响应速度愿大多数步进电机运动掌握系统都运行在开环状态下,由于成本较低,并可供应运动掌握技术固有的位置控制,无须反馈；但是,在某些应用中,需要更多的牢靠性、安全性或产品质量的保证,因名师归纳总结 此,闭环掌握也是一种挑选. 以下是一些实现步进电机闭环掌握的方法： 1 步进确认,这第 6 页,共 12 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 是最简洁的位移掌握,使用一个低值的光学编码器运算步进移动的数量；一个简洁的回路与指令校验的步进电机比较,验证步进电机移动到估计的位置；2 反电动势 , 一种无传感器的检测方法,使用步进电机的反电动势（eleCtromotiveforCe,emf）信号,测量和掌握速度；当反电动势电压降至监测探测水平常,闭环掌握转为标准开环,完成最终的位 移移动；3）全伺服掌握,指全时间的使用反馈设备,用于步进电机- 编码器、解码 器、或其它反馈传感器上,从而更为精确地掌握步进电机位移和转矩；其它的方法包 括各种不同的反电动势掌握电机参数测量和软件技术,一些制造企业都会使用这些方法；这里,步进驱动监控和测量电机线圈,使用电压额电流信息提高步进电机掌握；正阻尼使 用这一信息阻挡振动的速度,产生更多的可用的转矩输出,降低转矩的机械振动损耗；无 编码器安装监测采纳信息检测同步速度的损耗；传统步进电机掌握通常采纳反馈设备 和非传感方法,是有效的实现带有安全需求、危急状况或高精确度要求的运动应用的方 法；大多数基于步进电机的系统,一般都运行在开环状态下,这样可供应一个低成本的方案；事实上,步进系统可提高位移掌握的的性能,且不需要反馈；但是,当步进电机在开环时 运行,在命令步幅和实际步幅之间会有同步损耗的可能；闭环掌握,是传统步进掌握的一个部分,能有效地供应更高地牢靠性、安全性或产品质 量；在这些步进系统中,反馈设备或间接参数传感方法的闭环能进行校正或掌握失步、监 测电机停滞,以及确保更大的可用转矩输出；近期,步进电机的闭环掌握（CLC）仍能帮忙 执行智能分布运动架构；然而,开环操作会有失步的风险,这将产生定位失误；但与伺服 系统中使用的编码器相比,闭环步进电机采纳的编码器成本更低；故挑选闭环掌握；3.2 驱动方式的确定并于步进电机的驱动一般有两种方法,一种是通过CPU直接来驱动,这种方法一般不宜采纳,由于CPU的输出电流脉冲是特殊小的它不能足以让步进电机的转动；别一种是通过CPU来间接驱动,就是把从CPU输出的信号进行放大,然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机,这种方法比较安全牢靠；固本次设计应采纳CPU间接驱动步进电机；用编码器仍的测速发电机作为转速测量工具, 由于挑选了闭环控制,就必需有反馈元件,反馈元件一般有两种,一种是采纳同轴的测速发电机,把步进电 机的转速反馈回来,然后通过显示器显示出来并对步进电机进行调剂；别一种是通过光同 轴的电编码器把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调剂；两者相比,后者的设计比名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 较简洁,价格廉价,安全牢靠,污染少；固一般采纳后者,用光电骗码器作为反馈元件；3.3 驱动电路的挑选 步进电机的驱动电机有多种,但最为常用的就是单电压驱动、双 电压驱动、斩波驱动、细分掌握驱动等；单电压驱动是步进电机掌握中最为简洁的一种驱 动电路,它在本质上是一个单间的反相器；它的最大特点是结构简洁,因它的工作效率低,特殊是在高频下更显的突出；它的外接电阻R要消耗相当一部分的热量,这样就会影响电路的稳固性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中；双电压驱 动是电路一般采纳两种电源电压来驱动,因这两个电源分别是一个为高压一个为低压,因 此也称为高低压驱动电路；双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流显现谷点,这样 必定引起力矩在谷点处下降；不宜于电机的正常运行；对于斩波电路驱动就可以克服这种 缺点,并且仍可以提高步进电机的效率；所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路,它可以用较高的电源电压,同时无需外接电阻来限定期额定电流和削减时间常数；但由于 其波形顶部出现锯齿形波动,所以会产生较大的电磁噪声；细分驱动是用脉冲电压来供电 的,对于一个电压脉冲,转子就可以转动一步,一般会依据电压脉冲的安排方式,步进电 机各相绕阻会轮番切换,固可以使步进电机的转子旋转；细分掌握的电路一般分为两类,一类是采纳线性模拟功率放大器的方法获得阶梯形电流,这种方法简洁,但效率低；别一 种是用单片机采纳数子脉宽调制的方法获得阶梯电流,这种方法需要复杂的运算可使细分 后的步距角一样；但因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的调剂范畴比较广,固 应选用驱动芯片 8713 来驱动,并通过软件来实现步进电机的调速；3.4 基本方案的确 定 因本次设计的要求,选用三相三拍步进电机,单片机选用 89C51作为掌握器；选取用 8279 来驱动显示和键盘；选用8713 作为步进电机的驱动芯片并通过光电耦合来驱动步进电机；然后由于步进电机同轴的光电编码器作为反馈元件,并把反馈回的信号经 CPU处理后再由显示器显示出来；但由键盘输入的速度数值了得通过显示器来显示,固本次设计要两排显示,一排来显示给定的转速一排来显示实际的转速；系统原理框图如 3-1 所示：图 3-1 系统原理框图 第 4 章 硬件电路的设计 4.1 单片机的挑选 本次设计以CPU选用 89C5l 作为步进电机的掌握芯片89C51的结构简洁并可以在编程器上实现闪耀式的电擦写达几万次以上使用便利等优点,而且完全兼容 MCS5l系列单片机的全部功能；AT89C51是一种带 4K字节闪耀可编程可擦除只读储备器（FPEROMFAlsh ProgrAmmABle 名师归纳总结 And ErAsABle ReAd Only Memory）的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机；该第 8 页,共 12 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 器件采纳 ATMEL高密度非易失储备器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容；由于将多功能 8 位 CPU和闪耀储备器组合在单个芯片中,ATMEL的 AT89C51是一种高效微掌握器,为许多嵌入式掌握系统供应了一种敏捷性高且价廉的方案 4.1.1单片机的引脚功能 : 1）VCC（40）：电源 +5V；2）VSS（20）：接地,也就是 GND；3）XTL1（19）和 XTL2（18）：振荡电路；单片机是一种时序电路,必需有脉冲信号才能工作,在它的内部有一个时钟产生电路,有两种振荡方式,一种是内部振荡方式,只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式,采纳外部振荡方式时,需在 程中特地介绍）；XTL2上加外部时钟信号（具体的内容将在以后的课4）PSEN（29）：片外 ROM选通信号,低电平有效；5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端；6）RST/VPD（ 9）：复位信号输入端 / 备用电源输入端；7）EA/VPP（31）：内 / 外部 ROM挑选 端8）P0 口（ 39-32 ）：双向 I/O 口； 9P1 口（ 1-8 ）：准双向通用 I/0 口；9）P2 口（ 21-28 ）：准双向 I/0 口；原理图如 4-1 所示：图 4-1 AT89C51 的引脚图4.1.2 主要特性：与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪耀储备器 寿命： 1000 写/ 擦循环数据保留时间：全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序储备器锁定、128*8 位内部 RAM、32 可编程 I/O 线、两个 16 位定时器 / 计数器、 5 个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路 1 振荡器特性：XTAL1和 XTAL2分别为反向放大器的输入和输出；该反向放大器可以配置为片内振荡器；石晶振荡和陶瓷振荡均可采纳；如采纳外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接；有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必需保证脉冲的高低电平要求的宽度；2 芯片擦除：整个 PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的掌握信号组合,并保持 ALE管脚处于低电平 10ms 来完成；在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1” 且在任何非空储备字节被重复编程以前,该操作必需被执行；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 此外, AT89C51设有稳态规律,可以在低到零频率的条件下静态规律,支持两种软件可选的掉电模式；在闲置模式下,CPU停止工作；但RAM定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作；在掉电模式下,储存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止；4.2 步进电机的挑选 因本次设计的要求,步进电机的应选用三相三拍的步进电机,关于步进电机的具体说明如下；反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简洁的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理. 图 4-2 是一台三相反应式步进电动机的原理图定子铁芯为凸极式共有三对六个磁极每两个相对的磁极上绕有一相掌握绕组转子用软磁性材料制成也是凸极结构只有四个齿齿宽等于定子的极靴宽下面通过几种基本的掌握方式来说明其工作原理 . 图 4-2 三相反应式步进电动机的原理图 4.2.1 三相单三拍通电方式 当 A 相掌握绕组通电 , 其余两相均不通电 , 电机内建立以定子 A 相极为轴线的磁场 . 由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点 ,使转子齿 1, 3 的轴线与定子 A 相极轴线对齐 , 如图 4-4 A 所示 . 如 A 相掌握绕组断电 ,B 相掌握绕组通电时 , 转子在反应转矩的作用下 , 逆时针方向转过 30, ° 使转子齿 2,4 的轴线与定子 B 相极轴线对齐 , 即转子走了一步, 如图 4-4B 所示 , 如再断开 B相 , 使 C相掌握绕组通电 , 转子又转过 30°使转子齿 1,3 的轴线与定子 C相极轴线对齐 , 如图 4-4C 所示 .如此按 A-B C-A 的次序轮番通电 , 转子就会一步一步地按逆时针方向转动 , 其转速取决于各相掌握绕组通电与断电的频率 , 旋转方向取决于掌握绕组轮番通电的次序如按 A-C-B-A 的次序通电 , 就电机按顺时针反方向转动 . 上述通电方式称为三相单三拍运行 , ” 三相”是指三相步进电动机 , ” 单” 是指每次只有一相掌握绕组通电 式称为一拍 , 三拍是指经过三次转变通电方式为一个循环, 掌握绕组每转变一次通电方 , 我们称每一拍转子转过的角度为步距角 . 三相单三拍运行时的步距角为 30 度. 其原理图如 4-2 所示 : 图 4-2-1 定转子绽开图（A 相绕组通电）4.2.2 三相双三拍通电方式 掌握绕组的通电方式为 AB-BC-CA-AB 或 AB-CA-BC-AB 每拍同时有两相绕组通电三拍为一个循环,当A B 两相掌握绕组同时名师归纳总结 通电时转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用,只有A 相极和 B 相极对转子齿所产第 10 页,共 12 页生的磁拉力相平稳才是转子的平稳位置如4-2-2 B 所示,可见双三拍运行时的步距角仍是30° , 但双三拍运行时每一拍总有一相绕组连续通电,例如由A B 两相通电变为B C 两相通电时, B 相保持连续通电状态C 相磁拉力图使转子逆时针方向转动,而B 相磁拉力却起- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 有阻挡转子连续向前转动的作用；即起到肯定的电磁阻尼作用所以电机工作比较平稳,而在三相单三拍运行时由于没有这种阻尼作用,所以转子达到新的平稳位置简洁产生振荡稳定性不如双三拍运行方式；三相双三拍运行方式AB相与 BC相导通的结构如图4-2-2 所示： AAB 相导通 BBC 相导通图 4-2-2 三相双三拍运行方式在分析步进电动机动态运行时,不仅要知道某一相掌握绕组通电时的矩角特性,而且要知道整个运行过程中各相掌握绕组通电状态下的矩角特性,即所谓矩角特性族以三相单三拍的通电方式为例,如将失调角 的坐标轴统一取在 A 相磁极的轴线上,明显 A 相通电时矩角特性如图 4-3 中曲线 A 所示稳固平稳点为 O,点 B 相通电时转子转过 1/3 齿距相当于转过 2 /3 电角度 , 它的稳 4-3 中曲线 C, 这三条曲线就构成了三相单三拍通电方式时的矩角特性族总之矩角特性族中的每一条曲线依次错开一个用电角度表示的步矩角 * MERGEFORMAT * MERGEFORMAT * MERGEFORMAT 4-1 同理可得到三相单双六拍通电方式时的矩角特性族如图 4-4 与 4-5 所示：图 4-3 三拍时的矩角特性族图 4-4 六拍时的矩角特性族 步进电机的动态特性是指步进电动机在运行过程中的特性它直接影响系统工作的牢靠性和系统的快速反应；1 单步运行状态 单步运行状态是指步进电动机在一相或多相掌握绕组通电状态下仅转变一次通电状态时的运行方式 . 2 动稳固区 当 A 相掌握绕组通电时矩角特性如图 1-12 中的曲线 A 所示,如步进电动机为抱负空载就转子处于稳固平稳点 * MERGEFORMAT 处,假如将 A相通电转变为 B 相通电,那么矩角特性应向前移动一个步距角 * MERGEFORMAT 变为曲线B,* MERGEFORMAT 点为新的稳固平稳点由于在转变通电状态的初瞬转子位置来不及转变仍处于 =0 的位置,对应的电磁转矩却由O 突变为曲 * MERGEFORMAT 线 B上的 C 点,电机在该转矩的作用下转子向新的稳固平稳位置,移动直至到达 * MERGEFORMAT 点为止对应它的静稳固区为止,（- + * MERGEFORMAT ）< < + * MERGEFORMAT , 即转变通电状态的瞬时只要转子在这个区域内就能趋向新的稳固平稳位置,因此把后一个通电相的静稳固区称为前一个通电相的动稳固区,把初始稳固平稳点OA 与动稳固区的边界点A 之间的距离称为稳固裕度,拍数越多步距角越小,动稳固区就越接近静稳固区稳固裕度越大,运行的稳固性越好转子从原先的稳固平稳点到达新的稳固平稳点的时间越短,能够响名师归纳总结 应的频率也就越高. 原理图如 4-5 所示 : 3 最大负载才能步进电动机带恒定负载时负载第 11 页,共 12 页图 4-5 稳固响应曲线- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 转矩为 * MERGEFORMAT , * MERGEFORMAT 如 A 相掌握绕组通电就转子的稳固平稳位置为图 1-13 A 中曲线 A 上的 * MERGEFORMAT 点,这一点的电磁转矩正好与负载转矩相平稳,当输入一个掌握脉冲信号通电状态由A 相转变为 B 相,矩角特性变为曲线B 在转变通电状态的瞬时电机产生的电磁转矩* MERGEFORMAT 大于负载转矩 * MERGEFORMAT ,电机在该转矩的作用下转过一个步距角到达新的稳固平稳点 OB ,如图 4-6 所示 : a* MERGEFORMAT 图 4-6 最大负载转矩的确定* MERGEFORMAT * MERGEFORMAT * MERGEFORMAT* MERGEFORMAT 假如负载转矩增大为 * MERGEFORMAT ,且 * MERGEFORMAT ,如图 4-14 （B）就初始平稳位置为* MERGEFORMAT 点,但在转变通电状态的瞬时电机产生电磁转矩为 * MERGEFORMAT ,由于 * MERGEFORMAT ,转子不能到达新的稳固平稳位置点 * MERGEFORMAT ,而是向失调