【正文】 誤差。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在 5%之內，八拍運行時應在 15%以內。 臨沂大學 3 失步： 電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步 失調角： 轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。 最大空載起動頻率： 電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 最大空 載的運行頻率： 電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。 運行矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。 要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。 電機的共振點： 步進電機均有固定的共振區(qū)域，二 、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180250pps 之間（步距角 ）或在 400pps 左右（步距角為 度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。 電機正反轉控制： 當電機繞組通電時序為 AABBBCCCDDDA 時為正轉，通電時序為DADCDCBCBABA 時為反轉。 步進電機的工作原理 步進電機的工作就是步進轉動，其功用是將脈沖電信 號變換為相應的角位移或是直線位移，就是給一個脈沖信號，電動機轉動一個角度或是前進一步。步進電機的角位移量與脈沖數成正比，它的轉速與脈沖頻率 (f)成正比，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。 如下所示的 步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。圖 1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。 臨沂大學 4 圖 1 四相步進電機步進示意圖 開始時，開關 SB 接通電源， SA、 SC、 SD 斷開， B相磁極和轉子 0、 3 號齒對齊，同時，轉子的 4 號齒就和 C、 D 相繞組磁極產生錯齒， 5號齒就和 D、 A相繞組磁極產生錯齒 。 當開 關 SC接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時，由于 C相繞組的磁力線和 4 號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動， 4號齒和 C相繞組的 磁極對齊。而 0、 3 號齒和 A、 B相繞組產生錯齒， 5號齒就和 A、 D相繞組磁極產生錯齒。依次類推， A、 B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉子會沿著 A、 B、 C、 D方向轉動。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖 22 所示： 圖 2 步進電機工作時序波形圖 步進 電機的分類與選擇 現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（ VR）、永磁式步進電機（ PM）、混合式步進電機（ HB）和單相式步進電機等。 反應式步進電動機采用高導磁材料構成齒狀轉子和定子，其結構簡單，生產成本低，步距角可以做的相當小，一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為 度，但噪臨沂大學 5 聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩 ， 但動態(tài)性能相對較差。 永磁式步進電機轉子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側配置齒狀定子。用轉子和定子之間的吸引和排斥力產 生轉動，它的出力大，動態(tài)性能好 ， 但步距角一般比較大。一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 度 或 15 度 。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 度。這種步進電機的應用最為廣泛， 它 是PM 和 VR 的復合產品，其轉子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結構。此類電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關的設備中多用此類電機。 步進電機有步距角（涉及到相數）、靜 轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。 步距角的選擇 電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有 度 / 度（五相電機）、 度 / 度（二、四相電機）、 度 /3 度 （三相電機）等。 靜力矩的選擇 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和 摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的 23倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸） 。 電流的選擇 靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓） 。 力矩與功率換算 步進電機一般在較大范圍內調速使用、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 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為每分鐘轉速， M為力矩單位為牛頓 米 P=2πfM/400( 半步工作） 臨沂大學 6 步進電機驅動系統(tǒng)介紹 步進電機驅動系統(tǒng)簡介 步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備 —— 步進電機驅動器 .步進電機驅動系統(tǒng)的性能，除與電機本身的性能有關外，也在很大程度上取決于驅動器的優(yōu)劣。典型的步進電機驅動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅動器和步進電機本體三部分組成。步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方 向信號，每發(fā)一個脈沖，步進電機驅動器驅動步進電機轉子旋轉一個步距角，即步進一步。步進電機轉速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低?？刂破鞯姆较蛐盘枦Q定步進電機的順時針或逆時針旋轉。通常，步進電機驅動器由邏輯控制電路、功率驅動電路、保護電路和電源組成。步進電機驅動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預先設定的電機通電方式產生步進電機各相勵磁繞組導通或截止信號?？刂齐娐份敵龅男盘柟β屎艿停荒芴峁┎竭M電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅動器的功率 驅動部分。功率驅動電路向步進電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉磁場，驅動轉子運動。保護電路在出現短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅動器和電機的運行。 步進電機繞組的電氣特性 步進電機各相繞組都是在鐵心上的銅線圈，電阻和電感是電機相繞組的兩個固有屬性，電機的性能和這兩個因素密切相關。繞組通電時，電感使繞組電流上升速度受到限制，因此影響電機繞組電流的大小。繞組線圈的電阻是電機溫升和電能損耗的主要因素。 圖 3 電感 電阻串聯電路及其電流波形 臨沂大學 7 步進 電機的相繞組可以等效為一個電感一電阻串聯電路。圖 23 表明了一個電感一電阻電路的電氣特性。在 t=0時刻，電壓 V施加到該電路上時，電路中的電流變化規(guī)律為 : I(t)=V(1eRt/L)/R 通電瞬間繞組電流上升速率為 : di(0)/dt=V/t 經過一段時間，電流達到最大值 : Imax=V/R L/R 定義為該電路的時間常數，是電路中的電流達到最大電流 Imax的 63%所需要的時間。在 t=t:時刻，電路斷開與直流電壓源 V 的連接，并且短路，電路中的電流以初始速率一 V/L開始下降，電流變化規(guī)律為 : I(t)=VeR(tt1)/L/R 不同頻率的矩形波電壓施加到該電路上，電流波形如圖 32 所示。低頻時電流能夠達到最大值 (a)。當矩形波頻率上升達到某一臨界頻率，電流剛達到最大值就開始下降 (b)；矩形波頻率超過此臨界值后，繞組中的電流不能達到最大值 (c)。因為步進電機轉矩的大小與繞組的電流成正比，所以電機低速運行時，電機能夠達到其額定轉矩，而在某一特定頻率以上運行時，繞組電流隨著頻率的提高逐漸下降，電機轉矩也相應逐漸減小， 從而降低了高速運轉時帶負載能力。 圖 4 不同頻率脈沖作用下電感 電阻電路的電流波形 臨沂大學 8 要改善電機高速運行時的性能，有兩種辦法 :提高電流上升速度 VA 和減小時間常數 L/R。可以通過加大繞組的電壓從而增加電流上升的速率得時間常數?；蛘咴陔娐分写撾娮瑁?L/R 減少。 單片機原理 單片機原理概述 單片機（ singlechip microputer）是把微型計算機主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計算機。圖 25中表示單片機的典型結構圖。由于單片 機的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內的信號傳送距離，優(yōu)化了結構配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運行速度，同時它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機在工業(yè)過程及設備控制中得到了廣泛的應用。 圖 5 典型單片機結構圖 單片機的應用系統(tǒng) 單片機在進行實時控制和實時數據處理時，需要與外界交換信息。人們需要通過人機對話，了解系統(tǒng)的工作情況和進行控制。單片機芯片與其它 CPU 比較，功能雖然要強得多，但由于芯片結構、引腳數目的限制，片內 ROM、 RAM、 I/O 口等不能很多，在構 成實際的應用系統(tǒng)時需要加以擴展，以適應不同的工作情況。單片機應用系統(tǒng)的構成基本上如圖 6所示。 圖 6 單片機的應用系統(tǒng) 單片機應用系統(tǒng)根據系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置的狀況，可以分為最小應用系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)、典型應用系統(tǒng)。本設計是設計一款最小應用系統(tǒng)，最小應用系統(tǒng)是指能維持單片機運行的最簡單配置的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)成本低廉、結構簡單，常用來構成簡單的控制臨沂大學 9 系統(tǒng)，如開關量的輸入 /輸出控制、時序控制等。對于片內有 ROM/EPROM 的芯片來說 ,最小應用系統(tǒng)即為配有晶體振蕩器、復位電路和電源 的單個芯片；對與片內沒有 ROM/EPROM芯片來說，其最小應用系統(tǒng)除了應配置上述的晶振、復位電路和電源外，還應配備 EPROM或 EEPROM 作為程序存儲器使用。 AT89C51 簡介 AT89C51 的主要參數 如表 1所示： 表 1 AT89C51 的主要參數 型號 存儲器 定時器 I/0 串行口 中斷 速度 （ MH） 其它特點 E178。PROM ROM RAM 89C51 4K 128 2 32 1 6 24 低電壓 AT89C51 含 E178。PROM 電可編閃速存儲器。有兩級或三級程序存儲器保密 系統(tǒng)，防止E178。PROM 中的程序被非法復制。不用紫外線擦除，提高了編程效率。程序存儲器 E178。PROM容量可達 20K 字節(jié)。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 其引腳如圖 27所示。 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 圖 7 單片機的引腳排列 臨沂大學 10 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16位定時器 /計數器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據 /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0外部必須被拉高。 P1 口： P1口是一個內部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O