【正文】 統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流 、細(xì)分?jǐn)?shù)等。 為盡量提高電機(jī)的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源。 SH 系列二相恒流斬波驅(qū)動電源與單片機(jī)及電機(jī)接線圖如下： 圖 單片機(jī)與驅(qū)動及電機(jī)接線圖 說明： CP 接 CPU脈沖信號（負(fù)信號，低電平有效） OPTO 接 CPU+5V FREE 脫機(jī)，與 CPU地線相接，驅(qū)動電源不工作 DIR 方向控制，與 CPU 地線相接，電機(jī)反轉(zhuǎn) VCC 直流電源正端 GND 直流電源負(fù)端 畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 10 頁 共 66 頁 A 接電機(jī)引出線紅線 接電機(jī)引出線綠線 B 接電機(jī)引出線黃線 接電機(jī)引出線藍(lán)線 步進(jìn)電機(jī)一經(jīng)定型，其性能取決于電機(jī)的驅(qū)動電源。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機(jī) 的電流越大，驅(qū)動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下： 圖 電壓與力矩關(guān)系圖 在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動器來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分驅(qū)動器的原理是通過改變相鄰（ A， B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。 圖 合成磁場夾角圖 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用 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，步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。 畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 11 頁 共 66 頁 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（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 度 / 度（五相電機(jī)）、 度 / 度（二、四相電機(jī)）、 度 /3 度 （三相電機(jī)）等。 步進(jìn)電機(jī)的動態(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。直接起動時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動時(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 23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） 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)動電源、及驅(qū)動電壓） 綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循以下步驟： 圖 選擇電機(jī)步驟 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： P= ΩM 畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 12 頁 共 66 頁 Ω=2πn/60 P=2πnM/60 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 P=2πfM/400( 半步工作） 其中 f為每秒脈沖數(shù)（簡稱 PPS) 應(yīng)用中的注意點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合 每分鐘轉(zhuǎn)速不超過 1000轉(zhuǎn)，（ 6666PPS)，最好在 10003000PPS( 度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。 步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動大。 由于歷史原因，只有標(biāo)稱為 12V 電壓的電機(jī)使用 12V 外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議： 57BYG 采用直流24V36V， 86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V），當(dāng)然 12伏的電壓除 12V 恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升。 轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號電機(jī)。 電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。 高精度時(shí)，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度 ,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用 5 相電機(jī)，不過其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。 電機(jī)不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如 若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 電機(jī)在 600PPS（ 度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。 應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原則 。 步進(jìn)電機(jī)的特性 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動使用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計(jì)算機(jī)所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。從 20世紀(jì) 80 年代開始開發(fā)出了專用的 IC驅(qū)動電路，今天，畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 13 頁 共 66 頁 在打印機(jī)、磁盤器等的 OA裝置的位置控制中 ，步進(jìn)電機(jī)都是不可缺少的組成部分之一?？傮w上說，步進(jìn)電機(jī)有如下 優(yōu)點(diǎn)： 1．不需要反饋，控制簡單。 2．與微機(jī)的連接、速度控制（啟動、停止和反轉(zhuǎn)） 及驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)比較簡單。 3．沒有角累積誤差。 4．停止時(shí)也可保持轉(zhuǎn)距。 5．沒有轉(zhuǎn)向器等機(jī)械部分，不需要保養(yǎng)，故造價(jià)較低。 6．即使沒有傳感器，也能精確定位。 7．根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動。但是，這種電機(jī)也有自身的缺點(diǎn)。 8．難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩 10．在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。 11．超過負(fù)載時(shí)會破壞同步， 高 速工作時(shí)會發(fā)出振動和噪聲。 畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 14 頁 共 66 頁 3 硬件部分設(shè)計(jì) 交流 220V 輸入電源經(jīng)變壓、整流、濾波產(chǎn)生 +12v直流電壓 供給步 進(jìn)電機(jī)；交流 220V 輸入電源經(jīng)變壓、整流、濾波產(chǎn)生 +5v 直流電壓 提供 單片機(jī)工作所需要的 工作電源。備用 電池在 遭遇 停電時(shí)， 和 單片機(jī)電源 進(jìn)行電壓比較然后供給單片機(jī)繼續(xù)運(yùn)行 ，保證停電 時(shí)單片機(jī) 正常運(yùn)行 記錄時(shí)間，當(dāng)恢復(fù)供電后，單片機(jī)改變提供給步進(jìn)電機(jī)的脈沖，加快步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)時(shí)間調(diào)節(jié)準(zhǔn)確以后恢復(fù)正常轉(zhuǎn)速。 圖 原理框 圖 掉 電 保護(hù)系統(tǒng) 在本設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘電路在遭遇停電時(shí)需要切換到備用電源繼續(xù)供電，時(shí)鐘電路就能持續(xù)工作，繼續(xù)記錄時(shí)間信息。 當(dāng)然現(xiàn)在已有將微型電池集成到電路模塊的中的解決方案，但在考慮本設(shè)計(jì)只是一個(gè)模擬設(shè)計(jì)，所以選擇使用普通和簡單的模擬元器件來實(shí)現(xiàn)。 掉電保護(hù)原理 ， 在此模塊中使用了一塊 6264 隨機(jī)存儲器來進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)，6264 中記錄的時(shí)鐘信息，每隔 1 分鐘反饋給 AT89C51，以此來校對時(shí)間。當(dāng)遭遇停電時(shí)，備用電池通過二極管自動接替供電，時(shí)鐘電路繼續(xù)運(yùn)行。 整 流 變 壓 交流 220V 濾 波 +12V 步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 變 壓 整 流 交流 220V 濾 波 +5V 畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 15 頁 共 66 頁 圖 掉 電 保護(hù)系統(tǒng)工作原理圖 誤差分析：當(dāng)主電源斷電時(shí)，這個(gè)端子上的電壓在總體下降的過程中會發(fā)生波動，顯然這會擾 亂芯片的工作狀態(tài) 芯片的各管腳電壓會處于不穩(wěn)定狀態(tài)。若此時(shí)發(fā)生寫動作，很可能產(chǎn)生錯(cuò)誤，即時(shí)鐘信息數(shù)據(jù)丟失。在恢復(fù)主電源供電的時(shí)候，有完全類似的問題，即電源電壓的瞬間波動導(dǎo)致片選信號和讀寫信號的波動，從而發(fā)生誤寫動作。 考慮各種原因后，即使在遭遇停電狀況時(shí)，啟動備用電源后，單片機(jī)還能正常運(yùn)行， 繼續(xù)記錄時(shí)間信息， 因此在 恢復(fù)供電后可以 采用 LED 數(shù)碼管顯示的時(shí)間來調(diào)整 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使塔鐘的指針指向正確的時(shí)間。 濾波電路 濾波電路的作用是濾除整流電壓中的紋波。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波及 有源濾波。這里僅討論電容濾波。 電容濾波電路是最簡單的濾波器，它是在整流電路的負(fù)載上并聯(lián)一個(gè)電容 C。電容為帶有正負(fù)極性的大容量電容器，如電解電容、鉭電容等，電路形式如圖（ a）所示。 電容濾波是通過電容器的充電、放電來濾掉交流分量的。圖（ b）的波形圖 AT89C51 EA RAM6264 CS 備用電池 +5V主電源 VCC 畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 16 頁 共 66 頁 中虛線波形為橋式整流的波形。并入電容 C后，在 u20 時(shí)， D D3導(dǎo)通， D D4截止，電源在向 RL供電的同時(shí)，又向 C充電儲能，由于充電時(shí)間常數(shù) τ 1很小（繞組電阻和二極管的正向電阻都很?。?，充電很快，輸出電壓 uo隨 u2上升，當(dāng) uC = 22U 后， u2開始下降 u2uC， t1~t2時(shí)段內(nèi)， D1~D4全部反偏截止，由電容 C向RL放電， 由于放電時(shí)間常數(shù) τ 2較大，放電較慢，輸出電壓 uo 隨 uC 按指數(shù)規(guī)律緩慢下降，如圖中的 ab 實(shí)線段。 b點(diǎn)以后，負(fù)半周電壓 u2 uC， D D3截止，D D4導(dǎo)通， C 又被 充電 至 c 點(diǎn)，充電過程形成 uo = u2的波形為 bc 實(shí)線段。 c點(diǎn)以后， u2uC， D1~D4又截止， C 又放電，如此不斷的充電、放電，使負(fù)載獲得如圖（ b）中實(shí)線所示的 uo波形。由波形可見，橋式整流接電容濾波后，輸出電壓的脈動程度 大為減小。 （ a）電路 （ b）波形 圖 橋式整流電容濾波電路及波形 由上討論可見，輸出電壓平均值 U0的大小與 τ τ 2的大小有關(guān)， τ 1越畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 17 頁 共 66 頁 小， τ 2越大， U0也就越大。當(dāng)負(fù)載 RL 開路時(shí)， τ 2無窮大，電容 C無放電回路，U0達(dá)到最大，即 Uo= 22U ；若 RL很小時(shí)，輸出電壓幾乎與無濾波時(shí)相同。因此，電容濾波器輸出電壓在 22 2~ UU 范圍內(nèi)波動，在工程上一般采用經(jīng)驗(yàn)公式估算其大小， RL愈小，輸出平均電壓愈低，因此輸出平均電壓可按下述工程估算取值 （全波）半波） 2o 2o (UU UU ?? 對于單相橋式整流電路而言，無論有無濾波電容，二極管的最高反向工作電壓都是 2 U2。關(guān)于濾波電容值的選取應(yīng)視負(fù)載電流的大小而定。一般在幾十微法到幾千微法，電容器耐壓應(yīng)大于 22U 。 圖 220V變壓整流濾波后轉(zhuǎn)換成 5V 原理圖 圖 220V變壓整流濾波后轉(zhuǎn)換成 12V原理圖 畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 18 頁 共 66 頁 在理論上而言，為了提高塔鐘的精度，應(yīng)盡量降低機(jī)械運(yùn)動速度，提高電機(jī)速度，采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器，但五相電機(jī) 整個(gè)系統(tǒng)價(jià)格貴，生產(chǎn)廠家少，故不選用，二相和四相電機(jī) 脈沖數(shù) 不好計(jì)算，為了簡化參數(shù)計(jì)算，通過以上考慮 ， 本設(shè)計(jì) 選用 75BF003 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)， 其參數(shù)為： 工作電壓 12V， 轉(zhuǎn)子齒數(shù) 40，步距角 度，即 240 個(gè)脈沖 1 周，設(shè)轉(zhuǎn)速 4轉(zhuǎn) /分，則 960脈沖 /分，及 脈沖 ， 空載頻率 1250Hz，工作電流為 4A，轉(zhuǎn)矩 M,線圈電阻 ,外徑為 75mm。由于線圈內(nèi)阻極小，故必須在每個(gè)繞組上竄聯(lián)大功率限流電阻。在長期運(yùn)行過程中，該電阻極易燒毀，如無適當(dāng)電阻更換，可用混聯(lián)方法將眾多水泥電阻組成電阻組，并用散熱器冷卻散熱 。 驅(qū)動板上含有三路相同的驅(qū)動電路，每一路驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的一相， 來自 AT89C51 輸出口的一路步進(jìn)脈沖信號，在經(jīng) 過二極管和電阻 放大 以及 ULN2020A 專用驅(qū)動 芯片 ，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的一相 。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動脈沖采用三相六拍制，即 A— AB— B— BC— C— CA 正轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖代碼存于 AT89C51 的 EEPROM 內(nèi)，單片機(jī)順序取出脈沖代碼，以 2轉(zhuǎn) /分 的速度送入驅(qū)動板，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動．步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過減速箱帶動時(shí)、分針轉(zhuǎn)動 。 用 AT89C51 的 , 分別控制步進(jìn)電機(jī)的 A相 ,B相和 ,C 相線圈 .以 A 相為例 ,其控制過程為 , 當(dāng) 輸出為高電平時(shí) ， 光電 耦 合器的發(fā)光二極管發(fā)光 ,光敏三極管導(dǎo)通 ， 使擔(dān)負(fù)驅(qū)動任務(wù)的 CMOS 功率管 T1導(dǎo)通 ,A 相繞組通電 .按照類似的邏輯分析 ,不難知道 ,當(dāng) 輸出低電平時(shí) ,使 A 相繞組不通電 ,采用光電 耦 合器可以把工作在較大的脈沖電流狀態(tài)下的驅(qū)動電路與單片機(jī)隔離開來 ，還可避免單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)功率回路的其他干擾 。 此外 ， 它還具有在驅(qū)動電路發(fā)生故障時(shí)不致于讓功放部分較高的電平串人單片機(jī)側(cè)招致?lián)p壞的功能 。 畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 19 頁 共 66 頁 圖 時(shí)鐘顯示電路采用 LED 數(shù)碼管 （ 也稱半導(dǎo)體數(shù)碼管 ） ，是目前數(shù)字電路中最常用的顯示器件。 數(shù)碼管 是一種