【正文】 最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)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(guān)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(jù)。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(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。電機的共振點： 步進(jìn)電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機的共振區(qū)一般在 180250pps 之間（步距角 度）或在 400pps 左右（步距角為 度），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負(fù)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(yīng)偏移共振區(qū)較多。 電機正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機繞組通電時序為 AABBBCCCDDDA 時為正轉(zhuǎn)，通電時序為 DADCDCBCBABA 時為反轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機的工作原理步進(jìn)電機的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動，其功用是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或是直線位移，就是給一個脈沖信號，電動機轉(zhuǎn)動一個角度或是前進(jìn)一步。步進(jìn)電機的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率(f)成正比，在非超載的情況下，電機的臨沂大學(xué)4轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。如下所示的步進(jìn)電機為一四相步進(jìn)電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電機步進(jìn)轉(zhuǎn)動。圖 1 是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機工作原理示意圖。圖 1 四相步進(jìn)電機步進(jìn)示意圖開始時，開關(guān) SB 接通電源，SA、SC、SD 斷開，B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、3 號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的 4 號齒就和 C、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，5 號齒就和 D、A 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當(dāng)開關(guān) 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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(chǎn)生錯齒，5 號齒就和 A、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著 A、B、C、D 方向轉(zhuǎn)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：臨沂大學(xué)5圖 2 步進(jìn)電機工作時序波形圖 步進(jìn)電機的分類與選擇現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機包括反應(yīng)式步進(jìn)電機（VR）、永磁式步進(jìn)電機（PM）、混合式步進(jìn)電機（HB）和單相式步進(jìn)電機等。反應(yīng)式步進(jìn)電動機采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，但動態(tài)性能相對較差。永磁式步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度 或 15 度?；旌鲜讲竭M(jìn)電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 度而五相步進(jìn)角一般為 度。這種步進(jìn)電機的應(yīng)用最為廣泛，它是 PM 和 VR 的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機綜合了反應(yīng)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(jìn)電動機，在計算機相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機。步進(jìn)電機有步距角（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(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)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(jìn)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(jù)是電機工作的負(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（一般由低速）時二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運行進(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(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）。臨沂大學(xué)6力矩與功率換算步進(jìn)電機一般在較大范圍內(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 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） 步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)介紹 步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)簡介步進(jìn)電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備——步進(jìn)電機驅(qū)，除與電機本身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。典型的步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)是由步進(jìn)電機控制器、步進(jìn)電機驅(qū)動器和步進(jìn)電機本體三部分組成。步進(jìn)電機控制器發(fā)出步進(jìn)脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進(jìn)電機驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個步距角，即步進(jìn)一步。步進(jìn)電機轉(zhuǎn)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。控制器的方向信號決定步進(jìn)電機的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。通常，步進(jìn)電機驅(qū)動器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動電路、保護(hù)電路和電源組成。步進(jìn)電機驅(qū)動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進(jìn)脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機通電方式產(chǎn)生步進(jìn)電機各相勵磁繞組導(dǎo)通或截止信號?？刂齐娐份敵龅男盘柟β屎艿停荒芴峁┎竭M(jìn)電機所需的輸出功率，必須進(jìn)行功率放大，這就是步進(jìn)電機驅(qū)動器的功率驅(qū)動部分。功率驅(qū)動電路向步進(jìn)電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。保護(hù)電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅(qū)動器和電機的運行。 步進(jìn)電機繞組的電氣特性 步進(jìn)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(guān)。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。臨沂大學(xué)7圖 3 電感電阻串聯(lián)電路及其電流波形 步進(jìn)電機的相繞組可以等效為一個電感一電阻串聯(lián)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(jīng)過一段時間，電流達(dá)到最大值: Imax=V/RL/R 定義為該電路的時間常數(shù)，是電路中的電流達(dá)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(dá)到最大值(a)。當(dāng)矩形波頻率上升達(dá)到某一臨界頻率，電流剛達(dá)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(dá)到最大值 (c)。因為步進(jìn)電機轉(zhuǎn)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(dá)到其額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩也相應(yīng)逐漸減小，從而降低了高速運轉(zhuǎn)時帶負(fù)載能力。臨沂大學(xué)8圖 4 不同頻率脈沖作用下電感電阻電路的電流波形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(shù) L/R?？梢酝ㄟ^加大繞組的電壓從而增加電流上升的速率得時間常數(shù)。或者在電路中串聯(lián)電阻，使 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(jié)構(gòu)圖。由于單片機的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號傳送距離，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)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(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。圖 5 典型單片機結(jié)構(gòu)圖 單片機的應(yīng)用系統(tǒng)單片機在進(jìn)行實時控制和實時數(shù)據(jù)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(jìn)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(jié)構(gòu)、引腳數(shù)目的限制，片內(nèi) ROM、RAM、I/O 口等不能很多，臨沂大學(xué)9在構(gòu)成實際的應(yīng)用系統(tǒng)時需要加以擴展，以適應(yīng)不同的工作情況。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成基本上如圖 6 所示。圖 6 單片機的應(yīng)用系統(tǒng)單片機應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置的狀況，可以分為最小應(yīng)用系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)、典型應(yīng)用系統(tǒng)。本設(shè)計是設(shè)計一款最小應(yīng)用系統(tǒng)，最小應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單，常用來構(gòu)成簡單的控制系統(tǒng)，如開關(guān)量的輸入/輸出控制、時序控制等。對于片內(nèi)有 ROM/EPROM 的芯片來說,最小應(yīng)用系統(tǒng)即為配有晶體振蕩器、復(fù)位電路和電源的單個芯片；對與片內(nèi)沒有ROM/EPROM 芯片來說，其最小應(yīng)用系統(tǒng)除了應(yīng)配置上述的晶振、復(fù)位電路和電源外，還應(yīng)配備 EPROM 或 EEPROM 作為程序存儲器使用。 AT89C51 簡介AT89C51 的主要參數(shù)如表 1 所示：表 1 AT89C51 的主要參數(shù)型號 存儲器E178。PROM ROM RAM定時器I/0 串行口中斷 速度（MH）其它特點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(fù)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(dá) 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(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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。臨沂大學(xué)10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 單片機的引腳排列全靜態(tài)工作：0Hz24Hz三級程序存儲器鎖定128*8 位內(nèi)部 RAM32 可編程 I/O 線兩個 16 位定時器/計數(shù)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(nèi)振蕩器和時鐘電路管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地?！　0 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(dāng) 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(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)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(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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。臨沂大學(xué)11　　P2 口：P2 口為一個內(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 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時，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，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)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 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。 P3 口也可作