【正文】 畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 1 頁(yè) 共 66 頁(yè) 1 緒論 展現(xiàn)狀 和 趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代城建的發(fā)展，在大中城市的中心建筑上安置塔鐘 已 越來(lái)越常見(jiàn)。塔鐘控制系統(tǒng)的核心部件是步進(jìn)電機(jī)， 早期 的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路多采用分立元件或 CMOS 集成電路的構(gòu)成、電路復(fù)雜，成本高，抗干擾能力弱，適應(yīng)溫度范圍窄，在各種惡劣環(huán)境下不能確?？煽康毓ぷ鳎邥r(shí)調(diào)整及調(diào)整顯示也往往采用機(jī)械的方法，不僅調(diào)整困難，而且顯示也不夠直觀方便 。 這些建筑鐘 所使用的電機(jī)容易出現(xiàn)誤 觸發(fā) 而快走 ， 因?yàn)?步距太大產(chǎn)生 失 步故障 ， 解決上述問(wèn)題的方法之一是采用小步距角高頻率驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī) ， 并用單片機(jī)加以控制。 其后出現(xiàn)的以 微電腦為核心的步進(jìn)控制器有取代邏輯控制器的趨勢(shì)，但由于其 微 電腦多采用 Z80 單 片 機(jī)，故硬件較復(fù)雜，抗 干 擾能力差 。 再后 來(lái)出現(xiàn)的 MCS—— 96系列單片機(jī)，如 8098 內(nèi)部具有高速輸出 口 HSO，特別適合于步進(jìn)電機(jī)控制，用8098 單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)控制器，使得系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單可靠，軟件編程容易靈活，抗干擾能力強(qiáng)，性能，價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程就可以靈活地改變控制方式，具有很強(qiáng)的通用性。 近年來(lái)出現(xiàn)的 MCS—— 51 系列單片機(jī)比 MCS—— 96 系列又有了更大發(fā)展。 本論文主要內(nèi)容 論文的第一章為緒論 ， 介紹了國(guó) 內(nèi)外 發(fā)展 的現(xiàn)狀 以及 論文研究的 目的 和意義等內(nèi)容 ； 第二章 介紹系統(tǒng)總體方案以及塔鐘的相關(guān)知識(shí) —— 步進(jìn)電機(jī) ； 第三章介紹了硬件部分設(shè)計(jì) ； 第 四 章進(jìn)行了軟件部分編程 ； 第 五 章是 Proteus 仿真 圖 。 畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 2 頁(yè) 共 66 頁(yè) 本設(shè)計(jì)的目的就是利用 AT89C51 系列單片機(jī)所開(kāi)發(fā)的塔鐘控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)報(bào)時(shí)，斷電后啟用備用電源記錄時(shí)間，恢復(fù)供電后快速調(diào)節(jié)正確時(shí)間等功能。比之以前的各種塔鐘系統(tǒng)具有更高的精準(zhǔn)性，更高的抗干擾能力，性價(jià)比高，通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。下圖是總體設(shè)計(jì) 框圖 ： 圖 總體設(shè)計(jì)框圖 LED 數(shù)碼管顯示 AT89C51 步進(jìn)電機(jī) 備用電源 單片機(jī)電源 蜂鳴器 步進(jìn)電機(jī)電源 按鍵控制 畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 3 頁(yè) 共 66 頁(yè) —— 步進(jìn) 電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 概述及 控制原理 步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實(shí)際上是一種單相或多相同步電動(dòng)機(jī)。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動(dòng)，輸出功率一般很小，其用 途為微小功率驅(qū)動(dòng)。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動(dòng)，用途很廣。 使用多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，單路電脈沖信號(hào)可先通過(guò)脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號(hào)，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組。每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電動(dòng)機(jī) 各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（稱為步距角）。 正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。 步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下： 1． 控制換相順序 通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)?ABCA,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A,B,C相的通斷。 2． 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 3． 控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 4 頁(yè) 共 66 頁(yè) 就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn) 電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 步進(jìn)電機(jī)種類及原理 步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 VR）、 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) 和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 HB） 等 。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理 由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。 ： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi)。 0、 1/3 て、 2/3 て ,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即 A 與齒 1 相對(duì)齊， B 與齒 2 向右錯(cuò)開(kāi) 1/3 て， C 與齒 3向右錯(cuò)開(kāi) 2/3 て， A39。與齒 5相對(duì)齊，（ A39。就是 A，齒 5 就是齒 1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開(kāi)圖： 圖 定轉(zhuǎn)子展開(kāi)圖 ： 如 A 相通電， B， C 相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒 1與 A 對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如 B 相通電， A， C 相不通電 時(shí)，齒 2 應(yīng)與 B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò) 1/3 て，此時(shí)齒 3 與 C 偏移為 1/3 て，齒 4與 A 偏移（て 1/3 て）=2/3 て。如 C 相通電， A， B 相不通電，齒 3應(yīng)與 C 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3 て，此時(shí)齒 4 與 A 偏移為 1/3 て對(duì)齊。如 A 相通電， B， C 相不通電，齒 4畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 5 頁(yè) 共 66 頁(yè) 與 A 對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過(guò) 1/3 て這樣經(jīng)過(guò) A、 B、 C、 A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按 A， B， C，A?? 通電，電機(jī)就每步（每脈沖） 1/3 て ,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A， C， B， A?? 通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見(jiàn)：電機(jī)的位置 和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用 AABBBC－ CCAA 這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步 1/3 て改變?yōu)?1/6 て。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其 1/3 て變?yōu)?1/12 て， 1/24 て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)定子上有 m 相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m??(m 1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制 —— 這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們 理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。 ： 電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量 Ф ）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開(kāi)一定角度產(chǎn)生力 F與（ dФ/dθ ）成正比 其磁通量 Ф=Br*S Br 為磁密， S為導(dǎo)磁面積， F 與 L*D*Br 成正比 L 為鐵芯有效長(zhǎng)度， D 為轉(zhuǎn)子直徑 Br=NI/R NI 為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。 力矩 =力 *半徑 力矩與電機(jī)有效體積 *安匝數(shù) *磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電 機(jī)力矩越大，反之亦然。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) 原理 ： 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 6 頁(yè) 共 66 頁(yè) 機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如： 四相，八相運(yùn)行（ AABBBCCCDDDAA）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式 .不難發(fā)現(xiàn)其條件為 C=A,D=B。 一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號(hào)（電機(jī)外徑）可分為： 42BYG(BYG 為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號(hào)）、57BYG、 86BYG、 110BYG、（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)），而像 70BYG、 90BYG、 130BYG 等均為國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ) 相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極 N、 S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用 m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ABBCCDDAAB，四相八拍運(yùn)行方式即 AABBBCCCDDDAA。 步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用 θ 表示。 θ=360度 /（轉(zhuǎn)子齒數(shù) J*運(yùn)行拍 數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。 畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 7 頁(yè) 共 66 頁(yè) 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提 高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ) ： ： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 15%以內(nèi)。 ： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 ： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 ： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在 不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 ： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 ： 電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如下圖所示： 圖 運(yùn)行矩頻特性圖 其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特 性等。 電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 8 頁(yè) 共 66 頁(yè) 矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。 如下圖所示： 圖 力矩與頻率關(guān)系圖 其中，曲線 3 電流最大、或電壓最高 。曲線 1電流最小、或電壓最低，曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小 電感大電流的電機(jī)。 ： 步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制： 當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)?ABBCCDDA 時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)?DACABCAB時(shí)為反轉(zhuǎn)。 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成 使用、控 制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下： 圖 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖 畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 第 9 頁(yè) 共 66 頁(yè) 脈沖信號(hào)的產(chǎn)生 脈沖信號(hào)一般由單片機(jī)或 CPU 產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為 左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。 信號(hào)分配 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以二、四相電機(jī)為主，二相電機(jī)工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為 ,步距角為 度 ；二相八拍為 ,步距角為 度。四相電機(jī)工作方式也有二種，四相四拍為 ABBCCDDAAB,步距角為 度；四相八拍為 ABBBCCCDDAB,(步距角為 度）。 功率放大 功率放大是驅(qū)動(dòng)系