基于单片机的步进电动机驱动控制器设计.doc

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1、1绪 论1.1引言步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲

2、电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点1。正是由于步进电机具有突出的优点，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱

3、增，在各个国民经济领域都有应用2。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用3。因而，对

4、于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳

5、性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法4,5。但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。本论文就是采用这个思路进行设计。一般

6、步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值6,7。1.2步进电机常见的控制方案与驱动技术简介1.2.1常见的步进电机控制方案 1、基于电子电路的控制步

7、进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图1.1所示。功率放大驱动电路脉冲控制器环形分配器步进电机图1.1基于电子电路控制系统此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控

8、制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步4。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。2、基于PLC的控制PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程

9、输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。 采用软件来产生控制步进电机的

10、环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。3、基于单片机的控制采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘

11、作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。本方案有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性8。基于以上优点，本

12、次设计采用基于单片机的控制方案。1.2.2步进电机驱动技术步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等9。单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式

13、早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低；缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合10。高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入

14、量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动

15、的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而避免产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的

16、投入或切除。比如：电流分成n个台阶，转子则需要n次才转过一个步距角，即n细分细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩：其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步迸电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。2步进电机概述2.1步进电机的分类步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机11。(1)反应式步

17、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。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，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，所以一般步距角比较大。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，还需要正负脉冲供电；(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比

18、，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。2.2步进电机的工作原理 2.2.1结构及基本原理步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供

19、给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。通过电磁感应定律我们很容易知道激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图2.1所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。图2.1 激励线圈产生电磁场2.2.2两相电机的步进顺序1、两相电机的单相通电步进顺序在图2.2中我们很清晰的展示了在单相通电时一个两相步进电机的典型的步进顺序。在第1步中，两相定子的A相通电，因异性

20、相吸，其磁场将转子固定在图示位置。当A相关闭、B相通电时，转子顺时针旋转90。在第3步中，B相关闭、A相通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90。在第4步中，A相关闭、B相通电，极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90的步距角顺时针旋转8 9。图2.2两相电机的单相通电步进顺序2、两相电机的双相通电步进顺序图2.2中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。更常用的步进方法是“双相激励”，其中电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性，见图2.3所示。在第1步中，两相定子的A相和B相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step1位置。在第2步中，两相定

21、子的A相关闭，而B和a相（此时的a相通电极性与第1步A相反）同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step2位置。在第3步中，两相定子的a相和b相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step3位置。在第4步中，两相定子的b相和A相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step4位置。按照这样的通电方式电机就转过了一周8 9。两相步进时，转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电，本方法比“单相通电”步进多提供了41.1%的力矩，但输入功率却为2倍。图2.3两相电机的双相通电步进顺序3、步进电机的半

22、步工作方式电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，一个90的步进电机将每半步移动45，见图2.4。但是，与“两相通电”相比，半步进通常导致15%30%的力矩损失（取决于步进速率）。在每交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，所以作用在转子上的电磁力要小，造成了力矩的净损失。从原理图我们很容易看到半步工作方式其实就是将两相电机的单相通电工作方式和两相电机的双相通电工作方式相互结合起来。两相步进电机的工作模式有两相四拍和两相八拍等两种，其中我们在图2.2和图2.3中展示的都叫做两相四拍工作模式，而下面的2.4图展示的就是两相八拍工作模式8 9

23、。图2.4两相电机的半步步进顺序2.2.3 步进电机的工作特点本设计选用了型号为42BYG型的感应子式步进电机，它与传统的反应式步进电机相比结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供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、噪音低、低频振动小。就目前步进电机的应用情况来说，步进电机的自身特点具体归纳起来有：(1) 电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，步进电机就会以一定的角度（称为步角）转动

24、。转动的速度和脉冲的频率成正比。(2) 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。(3) 改变驱动器输入脉冲的顺序，可以方便的改变电机的转动方向。(4) 位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以要求更高精度时组成 闭环控制系。(5) 电机停止转动的时候具有自锁功能。(6) 步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在越低速下以高转矩运行，因而可以不经减速器直接驱动负载工作。(7) 步进电机不能使用普通的交流电源驱动。(8) 一般步进电机的精度是步进角的3%5%，且步距误差不会长期积累。(9)

25、步进电机的力矩会随转速的升高而下降：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。(10) 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定频率就无法启动,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况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。2.3 步进电机的驱动控

26、制技术 在混合式步进电动机特点和工作原理的基础上，本章就步进电动机的驱动控制技术进行了详细的分析和比较。首先介绍了传统的驱动方式:单电压驱动(包括单电压串电阻驱动)、双电压驱动(包括高低压驱动)和恒流斩波驱动的工作原理及优缺点，然后重点介绍了细分驱动方式的原理及其模型。2.3.1一般驱动系统的组成结构步进电动机不像直流电动机、交流电动机一样，它不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电动机驱动器。步进电动机驱动器系统的性能，除与电动机木身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。因此，对步进电动机驱动器的研究几乎是对步进电动机的研究同步进行的。步进电动机驱动器的主要构成如图2

27、.5所示，一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还需要有多种保护电路。环形分配器信号放大与处理推动级驱动级保护图2.5 步进电动机驱动器构成环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲，并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个CP脉冲，环形分配器的输出转换一次。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序或者反序转换，决定了步进电动机的转向。因此，步进电动机转速的高低、升速或降速、起动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率的高低。信号放大与处理的作用是将环分输出信号加以放大，变成足够大的信号

28、送入推动级。信号处理是实现某些转换、合成等功能，产生斩波、抑制等特殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组合在一起，形成较高性能的驱动输出。推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级的较大的信号。有时推动级还承担电平转换的作用。保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。2.3.2驱动器的特点为使步进电动机满足各种需要的输出，驱动级必须对电动机绕组提供足够的电压和电流，但步进电动机与一般电子设备的驱动有很多不同点，其主要表现在：1各相绕组都是开关工作，多数电动机绕组都是连续的交流或直流，而步进电

29、动机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的。2电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以都有较大的电感。绕组通电时电流上升率受到限制，因此影响电动机绕组电流的大小。3绕组断点时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快截止，必须设计适当的续流回落。绕组导通和截止都会产生较大的反电势，而截止时反电势将对驱动级器件的安全产生有害的影响。4电动机运转时在各相绕组中产生旋转电势，这些电势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电机输出转矩也随着转速升高而下降。驱动

30、级线路，既要保证绕组有足够的电流电压及正确的波形，同时要保证功率放大器件的安全运行，另外，还应有较高的效率、较小的功耗、较低的成本。这就必须要设计合理的线路，选用合适的功率器件。驱动级的功率放大器件有中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅、可关断可控硅、场效应功率管、双极型晶体管与场效应功率管的复合管以及各种功率模块等。目前步进电机常用的驱动方式有单电压驱动(包括单电压串电阻驱动)、双电压驱动(包括高低压驱动)、斩波恒流驱动和细分驱动等。以下分别简单介绍前二种驱动方式的工作原理和优缺点。将在后面详细介绍细分驱动方式。2.4 步进电动机驱动技术分析2.4.1 单电压驱动单电压驱动

31、是指在电动机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。其原理图如图2.6所示，前面推动级输出信号In作用于三极管的基级，其集电极接电动机的一相绕组，绕组另一端直接与电源电压连接。因此，当三极管导通时，电源电压全部作用在电动机绕组上。归结起来，单电压驱动器有如下特点：线路简单，成本低，低频时响应较好；有共振区，高频时，带载能力迅速下降。图2.6 单电压驱动的原理图图2.7单电压串电阻驱动的原理图单电压驱动的致命弱点是绕组导通的回路电气时间常数较大，致使导通时绕组电流上升较慢、使电机在导通脉宽T接近时绕组电流迅速下降。由于，故要减小电气时间常数的方法是减小绕组的电感或增加绕组回路的电阻R。对于确

32、定的步进电动机，绕组电感已经确定。因此在电路中只有用增加回路电阻的方法。即单电压串电阻驱动，其原理图如图2.7所示。单电压串电阻驱动的主要缺点是损耗大，效率低。对比前述单电压驱动，其导通时铜损为，而串电阻后的导通铜损为，所以电源提供的功率大部分都消耗在串联电阻上。2.4.2双电压驱动双电压驱动的基本思想是在较低频段用较低的电压驱动，而在高频段用较高电压驱动，原理线路见图2.7所示。电源直接接到由大功率管和二极管组成的电源转换开关上。当关断时，低压电源通过给电路提供驱动电压，当导通时，高压电源通过给电路提供驱动电压，处于反向截止状态，低压电源自动停止供电。图2.8 双电压驱动的原理图高低压驱动的

33、原理线路如图2.9所示，初看起来，与双电压驱动电路似乎差别不大，但实际上工作过程截然不同。图中所示为每相的单元线路。主回路由高压管、电动机绕组、低压管串联而成。加高压，加低电压，电动机绕组回路不串电阻。在每相导通期间，低压管输入信号与高压管输入信号见图2.10所示。当为高电平时，该相导通；当为低电平时，该相截止。高压管的输入信号是由信号的前沿信号获得的，前沿与同步。但脉冲宽度要比小得多，高低压驱动可保证在很宽的频段内都能保证相绕组有较大的平均电流，在截止时又能迅速释放，因此能产生较大的且较稳定的电磁转矩，因此驱动系统可得到较高的响应。图2.9 高低压驱动的原理图IHILtt00图2.10 高低

34、压管输入信号2.5本章小结本章分别从步进电机的分类和步进电机的工作原理以及步进电机的工作特点等方面详细的介绍了步进电机。 其中步进电机的分类是从总体上介绍了步进电机的情况；步进电机的原理一节是就本设计所使用的感应子式步进电机的工作原理做了详细的介绍，应该属于是重点掌握的部分；步进电机的工作特点一节详细的清楚的一条一条的列出了步进电机的工作特点，了解这些特点对我们步进电机的选择和应用具有很好的参考作用。总的来说通过这一章的介绍，我们对步进电机有了一个总体的也比较全面的了解和掌握。3 系统硬件设计 本课题主要采用单片机AT89C52和脉冲分配器芯片8713实现对步进电动机的换相控制、转速控制和转向

35、控制。脉冲分配器的主要作用是把单片机输出的控制脉冲信号, 经过逻辑组合转换成为各相绕组通、断电的时序逻辑信号, 使步进电机按确定的方式工作。系统的具体功能和要求如下： 1.单片机最小系统板的设计； 2.设计脉冲分配器; 3.实现步进电机的启停、正转、反转控制； 4.驱动电路可提供电压为12V，电流为0.3A的驱动信号; 5.能实现步进电机的转速调节，最低转速为25转/分，最高转速为100转/分；3.1 单片机最小系统3.1.1 单片机原理简介 单片机（single-chip microcomputer）是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机12。图3-1中表示单片机的典型结

36、构图。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用13,14。图3-1典型单片机结构图3.1.2 单片机的应用系统 单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。单片机芯片与其它CPU比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，以适应不同的工作情况。单片机应用系统的构成基本上如图3-2所示。图3-

37、2 单片机的应用系统单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有ROM/EPROM芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器使用15,16。3.1.3 AT89C52简介 AT89C52的主要参数如

38、表3-1所示：表3-1 AT89C52的主要参数型号存储器定时器I/0串行口中断速度（MH）其它特点EPROMROMRAM89C528K1282321624低电压AT89C52含EPROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止EPROM中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器EPROM容量可达20K字节。AT89C52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器

39、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和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其引脚如图2-3所示17,18。图3-3 单片机的引脚排列1.主要特性： 与MCS-51 兼容8K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32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2、管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一

40、个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收

41、，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口

42、将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3口管脚备选功能 P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用

43、于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/

44、EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。存储器结构：MCS-51 单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具64KB外部程序和数据的寻址空间。程序存储器：如果EA引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。在AT89S51，假如EA 接至Vcc（电源+），程序首

45、先执行地址从0000H0FFFH （4KB）内部程序存储器，再执行地址为1000HFFFFH （60KB）的外部程序存储器。数据存储器：AT89S51的具128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。3、I/O口引脚：a：P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用；b：P1口，8位准双向I/O口；c：P2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用；d：P3口，8位准双向I/O口，双功能复用口。4、振荡器特性：AT89S52一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL

46、1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容Cl、C2 接在放大器的反馈回路 构成并联振荡电路。对外接电容Cl、C2 虽然没 十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF 10pF。用户也可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时

47、钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。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用。如采用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，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。5、芯片擦除：整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，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”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑