【正文】 1 淮 陰 工 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )外文翻譯 學(xué) 生 姓 名： 趙 輝 學(xué) 號： 3082107138 專 業(yè)： 電子信息工程 設(shè)計(jì) (論文 )題目 ： 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師 : 莊 立 運(yùn) 2020 年 4 月 10 日 2 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)電路控制設(shè)計(jì) 89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器， 89C2051 是它的一種精簡版本。 89C 單片機(jī)為很多 嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 功能特點(diǎn) 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級程 序存儲(chǔ)器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O線 兩個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5 個(gè)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(shí)鐘電路 管腳說明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口： P0 口為一個(gè) 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(shí)，被定義為 高阻 輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的低八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 3 P1口： P1 口是一個(gè)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(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和 校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2口： P2口為一個(gè)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(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2口被寫 “1” 時(shí)，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(shí)， 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(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時(shí)，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(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， 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(yàn)時(shí)接收高八位地 址信號和控制信號。 P3口： P3口管腳是 8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4個(gè) 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口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口 . 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0 外部輸 入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 4 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外 部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ) 器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， /EA將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 石晶 振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2 應(yīng)不接。由于輸入至內(nèi)部 時(shí)鐘信號 要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對外部時(shí)鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 Figure 1. Oscillator Connections Figure 2. External Clock Drive 5 芯片擦除 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種 軟件 可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU停止工作。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷 系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 空閑模式 在空閑模式下 ,中央處理器把自己睡 。所有的微外設(shè)保持活躍。該模式調(diào)用的軟件。片上的內(nèi)容的公綿羊、所有的特殊功能寄存器不變在這個(gè)模式下?？臻e模式可以終止任何使中斷或由硬件復(fù)位。應(yīng)該指出的是 ,閑時(shí)終止一個(gè)硬件復(fù)位 ,設(shè)備通常程序執(zhí)行 ,從簡歷在它停止兩封 ,機(jī)器周期之前 ,內(nèi)部重置算法以控制。樣品的硬件抑制進(jìn)入內(nèi)部RAM 在這種情況下 ,但進(jìn)入港口大頭針空洞。消除這種可能性一個(gè)出乎意料的寫信給一個(gè)港口銷閑時(shí)被 終止 ,由復(fù)位、指導(dǎo)證明那個(gè)中調(diào)用一個(gè)空閑不應(yīng)該寫端口銷或外部存儲(chǔ)器。 Powerdown 模式 在 powerdown 模式下 ,振子是結(jié)束了 ,但這個(gè)指令 。用它召喚“ powerdown 是最后的指令執(zhí)行。這片上的公綿羊、特殊功能寄存器值 ,直到 powerdown 保留自己的方式終止。唯一的退出 ,是一家五金 powerdown 重置。 SFRs 重置重新定義 ,但不改變樣品的公羊。重置不應(yīng)該被激活之前 VCC 回到正常操作水平 ,都必須保持活躍的時(shí)間還不夠久 ,允許振蕩器來重新啟動(dòng)和穩(wěn)定。 6 程序記憶鎖位 在芯片上的三個(gè)鎖位可 以離開 unprogrammed(U)或可編程 (P)獲得的額外功能列在下表。 當(dāng)鎖點(diǎn) ,1 是程序邏輯電平 EA 銷樣品并就搭在重置。如果這個(gè)裝置是開機(jī)沒有重置 ,門閂初始化一個(gè)隨機(jī)值 ,認(rèn)為直到重置價(jià)值被激活。加入是必要的值 EA 是一致的邏輯與當(dāng)前水平銷為設(shè)備正常運(yùn)作 步進(jìn)電機(jī)介紹 步進(jìn)電機(jī)是將數(shù)字脈沖輸入轉(zhuǎn)換為模擬角度輸出的電磁增量運(yùn)動(dòng)裝置。其內(nèi)在的步進(jìn)能力允許沒有反饋的精確位置控制。 也就是說，他們可以在開環(huán)模式下跟蹤任何步階位置，因此執(zhí)行位置控制是不需要任何反饋的。步進(jìn)電機(jī)提供比直流電機(jī)每單位更高的峰值扭矩 。此 外，它們是 無電刷電機(jī) ，因此需要較少的維護(hù)。 所有這些特性使得步進(jìn)電機(jī)在許多位置和速度控制系統(tǒng)的選擇中非常具有吸引力，例如如在計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器和打印機(jī)，代理表，機(jī)器人中的應(yīng)用等 . 盡管步進(jìn)電機(jī)有許多突出的特性，他們?nèi)栽馐苷袷幓虿环€(wěn)定現(xiàn)象。這種現(xiàn)象嚴(yán)重地限制其開環(huán)的動(dòng)態(tài)性能和需要高速運(yùn)作的適用領(lǐng)域。 這種振蕩通常在步進(jìn)率低于1000脈沖 /秒的時(shí)候發(fā)生，并已被確認(rèn)為中頻不穩(wěn)定或局部不穩(wěn)定 [1]，或者動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定 [2]。此外，步進(jìn)電機(jī)還有另一種不穩(wěn)定現(xiàn)象，也就是在步進(jìn)率較高時(shí)，即使 負(fù)荷扭矩 小于其牽出扭矩，電動(dòng)機(jī)也常常不 同步。 該文中將 這種現(xiàn)象確定為高頻不穩(wěn)定性，因?yàn)樗员仍谥蓄l振蕩現(xiàn)象中發(fā)生的頻率更高的頻率出現(xiàn)。高頻不穩(wěn)定性不像中頻不穩(wěn)定性那樣被廣泛接受，而且還沒有一個(gè)方法來評 估 它。 中頻振蕩已經(jīng)被廣泛地認(rèn)識了很長一段時(shí)間，但是，一個(gè)完整的了解還沒有牢固確立。這可以歸因于支配振蕩現(xiàn)象的非線性是相當(dāng)困難處理的。大多數(shù)研究人員在線 7 性模型基礎(chǔ)上分析它 [1]。盡管在許多情況下，這種處理方法是有效的或有益的，但為了更好地描述這一復(fù)雜的現(xiàn)象，在非線性理論基礎(chǔ)上的處理方法也是需要的。例如，基于線性模型只能看到電動(dòng)機(jī)在某些供應(yīng)頻率下轉(zhuǎn)向局 部不穩(wěn)定，并不能使被觀測的振蕩現(xiàn)象更多深入。事實(shí)上，除非有人利用非線性理論，否則振蕩不能評估。 因此，在非線性動(dòng)力學(xué)上利用被發(fā)展的數(shù)學(xué)理論處理振蕩或不穩(wěn)定是很重要的。值得指出的是， Taft和 Gauthier[3]，還有 Taft和 Harned[4]使用的諸如在振蕩和不穩(wěn)定現(xiàn)象的分析中的極限環(huán)和分界線之類的數(shù)學(xué)概念，并取得了關(guān)于所謂非同步現(xiàn)象的一些非常有啟發(fā)性的見解。盡管如此，在這項(xiàng)研究中仍然缺乏一個(gè)全面的數(shù)學(xué)分析。本文一種新的數(shù)學(xué)分被開發(fā)了用于分析步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)和不穩(wěn)定性。 本文的第一部分討 論了步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，中頻振蕩可定性為一種非線性系統(tǒng)的分叉現(xiàn)象（ 霍普夫分叉 ）。本文的貢獻(xiàn)之一是將中頻振蕩與 霍普夫分叉 聯(lián)系起來 ，從而霍普夫理論從理論上證明了振蕩的存在性。高頻不穩(wěn)定性也被詳細(xì)討論了，并介紹了一種新型的量來評估高頻穩(wěn)定。這個(gè)量是很容易計(jì)算的，而且可以作為一種標(biāo)準(zhǔn)來預(yù)測高頻不穩(wěn)定性的發(fā)生。在一個(gè)真實(shí)電動(dòng)機(jī)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了該分析工具的有效性。 本文的第二部分通過反饋討論了步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定性控制。一些設(shè)計(jì)者已表明，通過調(diào)節(jié)供應(yīng)頻率 [ 5 ]，中頻不穩(wěn)定性可以得到改善。特別是 Pickup和 Russell [ 6，7]都在頻率調(diào)制的方法上提出了詳細(xì)的分析。在他們的分析中， 雅可比級數(shù) 用于解決常微分方程和一組數(shù)值有待解決的非線性代數(shù)方程組。此外，他們的分析負(fù)責(zé)的是雙相電動(dòng)機(jī)，因此，他們的結(jié)論不能直接適用于我們需要考慮三相電動(dòng)機(jī)的情況。在這里，我們提供一個(gè)沒有必要處理任何復(fù)雜數(shù)學(xué)的更 簡 潔 的 穩(wěn)定步進(jìn)電機(jī)的分析。在這種分析中，使用的是 dq模型的步進(jìn)電機(jī)。由于雙相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)具有相同的dq模型，因此，這種分析對雙相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)都有效。迄今為止，人們僅僅認(rèn)識到用調(diào)制方法來抑制中頻振蕩。本文結(jié) 果表明，該方法不僅對改善中頻穩(wěn)定性有效，而且對改善高頻穩(wěn)定性也有效。 動(dòng)態(tài)模型的步進(jìn)電機(jī) 本文件中所考慮的步進(jìn)電機(jī)由一個(gè)雙相或三相繞組的跳動(dòng)定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。一個(gè)極對三相電動(dòng)機(jī)的簡化原理如圖 1所示。步進(jìn)電機(jī)通常是由 被 脈沖序列控制 產(chǎn) 生 8 矩形波電壓 的 電壓源型逆變器供給的。 這種電動(dòng)機(jī)用 本質(zhì)上和同步電動(dòng)機(jī) 相同的 原則進(jìn)行作業(yè) 。 步進(jìn)電機(jī)主要作業(yè)方式之一是保持提供電壓的恒定以及脈沖頻率在非常廣泛的范圍上變化。在這樣的操作條件下，振動(dòng)和不穩(wěn)定的問題通常會(huì)出現(xiàn)。