【正文】 7/A1528PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.0/AD039VCC40AT89C51AT89C51山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 (13)BD 消隱輸出線，低電平有效?？梢允蔷幋a模式（ 16 對(duì) 1）或譯碼模式（ 4 對(duì) 1）。當(dāng) A0=1 時(shí)， CPU 向 8279 寫(xiě)入命令或讀取 8279 的狀態(tài)；當(dāng) A0 為 0時(shí)，讀寫(xiě)一數(shù)據(jù)。 8279 與 CPU 的連接圖如 所示： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 8279 芯片的具體介紹如下； (1)DB0～ DB7：雙向數(shù)據(jù)總線。具體的連接圖如 所 示： PWM8713 芯片介紹如下 PMM8713 是日本三洋電機(jī)公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器。三相雙三拍運(yùn)行方式 AB 相與 BC 相導(dǎo)通的結(jié)構(gòu)如圖 所示： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 (a)BC 相導(dǎo)通 (a)AB 相導(dǎo)通 圖 三相雙三拍運(yùn)行方式 在分析步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，不僅要知道某一相控制繞組通電時(shí)的矩角特性，而且要知道整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中各相控制繞組通電狀態(tài)下的矩角特性，即所謂矩角特性族以三相單三拍的通電方式為例，若將 失調(diào)角 θ 的坐標(biāo)軸統(tǒng)一取在 A 相磁極的軸線上，顯然 A 相通電時(shí)矩角特性如圖 中曲線 A 所示穩(wěn)定平衡點(diǎn)為 O 點(diǎn) ， B 相通電時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 1/3 齒距相當(dāng)于轉(zhuǎn)過(guò)2π/3 電角度 ,它的穩(wěn) 中曲線 C, 這三條曲線就構(gòu)成了三相單三拍通電方式時(shí)的矩角特性族總之矩角特性族中的每一條曲線依次錯(cuò)開(kāi)一個(gè)用電角度表示的步矩角 () 同理可得到三相單雙六拍通電方式時(shí)的矩角特性族如圖 所示： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 圖 三拍時(shí)的矩角特性族 圖 六拍時(shí)的矩角特性族 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的特性它直接影響系統(tǒng)工作的可靠性和系統(tǒng)的快速反應(yīng)。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。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。 (5)ALE/PROG（ 30）：地址鎖存信號(hào)輸出端 /EPROM 編程脈沖輸入端。 AT89C51 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)。別一種是用單片機(jī)采用數(shù)子脈寬調(diào)制的方法獲得階梯電流，這種方法需要復(fù)雜的計(jì)算可使細(xì)分后的步距角一致。 雙電壓驅(qū)動(dòng)是電路一般采用兩種電源電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，因這兩個(gè)電源分別是一個(gè)為高壓一個(gè)為低壓，因此也稱為高低壓驅(qū)動(dòng)電路。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 驅(qū)動(dòng)方式 的確定 并于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般有兩種方法，一種是通過(guò) CPU 直接來(lái)驅(qū)動(dòng)，這種方法一般不宜采用，因?yàn)?CPU 的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；別一種是通過(guò) CPU 來(lái)間接驅(qū)動(dòng)，就是把從 CPU 輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，然后直接驅(qū)動(dòng)或是再通過(guò)光電隔離間接來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，這種方法比較安全可靠。 事實(shí)上，步進(jìn)系統(tǒng)可提高位移控制的的性能， 且不需要反饋。一個(gè)簡(jiǎn)單的回路與指令校驗(yàn)的步進(jìn)電機(jī)比較，驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)到預(yù)計(jì)的位置； (2)反電動(dòng)勢(shì) , 一種無(wú)傳感器的檢測(cè)方法，使用步進(jìn)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)（ eleCtromotiveforCe， emf）信號(hào)，測(cè)量和控制速度。 由于從定時(shí)器裝載完重新啟動(dòng)開(kāi)始至定時(shí)器 申請(qǐng) 中斷止，有一定的時(shí)間間隔，造成定時(shí)時(shí)間增加，為了減少這種定時(shí)誤差，實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)，要對(duì)重裝的計(jì)數(shù)初值作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。一種是延時(shí)，一種是定時(shí)。具體的延時(shí)時(shí)間可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)外結(jié)構(gòu) 步進(jìn)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)。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 成本 距力矩 頻率 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。 (6)運(yùn)行矩頻特性：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)。 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ) (1)步距角精度： 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。/176。 、整步工作時(shí)為 176。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 (3)步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。步進(jìn)電機(jī)還具有快速啟動(dòng)、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn)，因而在數(shù)控機(jī)床，繪圖儀，打印機(jī)以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。 1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，這對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速一般是改變輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)每給一個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這樣就可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)改 變脈沖的頻率，延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)具體控制步進(jìn)角來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。以后經(jīng)過(guò)不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的 機(jī)械 系統(tǒng)中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)以外的第三類電動(dòng)機(jī)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。 步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù) 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) (1)空載啟動(dòng)頻率 : 即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。 ），這個(gè)步距角可以稱之為 ‘ 電機(jī) 固有步距角 ’ ， 它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 。 用百分表示：誤差 /步距角 *100%。如下圖 所示： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 (7)電機(jī)的共振點(diǎn) ： 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。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型。 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。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 這就需要采用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制 ,實(shí)際上就是改變輸出脈沖的時(shí)間間隔 ,單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)加減法運(yùn)轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)的方法有軟件和硬件兩種 ,軟件方法指的是依靠延時(shí)程序來(lái)改變脈沖輸出的頻率 ,其中延時(shí)的長(zhǎng)短是動(dòng)態(tài)的 ,軟件 法在電機(jī)控制中 , 要不停地產(chǎn)生控制脈沖 , 占用了大量的 CPU 時(shí)間 ,使單片機(jī)無(wú)法同時(shí)進(jìn)行其他工作 。延時(shí)方法是在每次換向之后調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，待延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖或換向周期。調(diào)整的重裝初值主要考慮兩個(gè)因 素一是中斷響應(yīng)所需的時(shí)間。當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)電壓降至監(jiān)測(cè)探測(cè)水平時(shí)，閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)環(huán)，完成最終的位移移動(dòng)； (3)全伺服控制，指全時(shí)間的使用反饋設(shè)備，用于步進(jìn)電機(jī) 編碼器、解碼器、或其它反饋傳感器上，從而更為精確地控制步進(jìn)電機(jī)位移和轉(zhuǎn)矩。但是，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在開(kāi)環(huán)時(shí)運(yùn)行，在命令步幅和實(shí)際步幅之間會(huì)有同步損耗的可能。固本次設(shè)計(jì)應(yīng)采用 CPU 間接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。雙電壓驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn)是在高低壓連接處電流出現(xiàn)谷點(diǎn)，這樣必然引起力矩在谷點(diǎn)處下降。但因本次設(shè)計(jì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精度要求比較高轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍比較廣，固應(yīng)選用驅(qū)動(dòng)芯片 8713 來(lái)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。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。 (6)RST/VPD（ 9）：復(fù)位信號(hào)輸入端 /備用電源輸入端。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。 步進(jìn)電機(jī)的選擇 因本次設(shè)計(jì)的要求，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)選用三相三拍的步進(jìn)電機(jī)，關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的具體說(shuō)明如下 ： 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是利用凸極轉(zhuǎn)子交軸磁阻與直軸磁阻之差所產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)的所以也稱為磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)現(xiàn)以一個(gè)最簡(jiǎn)單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明其工作原理 . 圖 對(duì)六個(gè)磁極每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極上繞有一相控制繞組轉(zhuǎn)子用軟磁性 材料 制成山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 也是凸極結(jié)構(gòu)只有四個(gè)齒齒寬等于定子的極靴寬下面通過(guò)幾種基本的控制方式來(lái)說(shuō)明其工作原理 。 (1)單步運(yùn)行狀態(tài) 單步運(yùn)行狀態(tài)是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一相或多相控制繞組通電狀態(tài)下僅改變一次通電狀態(tài)時(shí)的運(yùn)行方式 。該器件采用DIP 16 封裝，適用于二相或四相步進(jìn)電機(jī)。在 CPU 于 827 數(shù)據(jù)與命令的傳送。 (6) /RD：讀取控制線。 (10)～ RL7：反饋輸入線，由內(nèi)部拉高電阻拉成高電平，也可由鍵盤(pán)上按鍵拉成低電平。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 (12)TB0～ OUTA0～ 3：顯示段數(shù)據(jù)輸出線，可分別作為兩個(gè)半字節(jié)輸出，也可作為 8位段數(shù)據(jù)輸出口，此時(shí) OUTB0 為最低位， OUTA3 位最高位。 (7)/WR：寫(xiě)入控制線。 (3)RESET：復(fù)位輸入線，高電平有效。在 PMM8713 的內(nèi)部電路中，時(shí)鐘選通部分用于設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)脈沖輸入法。 由于在改變通電狀態(tài)的初瞬 ， 轉(zhuǎn)子位置來(lái)不及改變 ， 還處于 θ=0的位置，對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩卻由 O 突變?yōu)榍€ B 上的 C 點(diǎn)，電機(jī)在該轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)子向新的穩(wěn)定平衡位置，移動(dòng)直至到達(dá) 點(diǎn)為止 。 使轉(zhuǎn)子齒 2,4 的軸線與定子 B 相極軸線對(duì)齊 ,即轉(zhuǎn)子走了一步 ,如圖 (b)所示 , 若再斷開(kāi) B相 ,使 C相控制繞組通電 ,轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過(guò) 30176。 (2)芯片擦除： 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電 擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來(lái)完成。 (8)P0 口（ 3932）：雙向 I/O 口。 單片機(jī)的引腳功能 (1)VCC（ 40）：電源 +5V。選取用 8279 來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示和鍵盤(pán)。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 對(duì)于斬波電路驅(qū)動(dòng)則可以克服這種缺點(diǎn)，并且還可以提高步進(jìn)電機(jī)的效率。固一般采用后者，用光電騙碼器作為反饋元件。在這些步進(jìn)系統(tǒng)中，反饋設(shè)備或間接參數(shù)傳感方法的閉環(huán)能進(jìn)行校正或控制失步、監(jiān)測(cè)電機(jī)停滯，以及確保更大的可用轉(zhuǎn)矩輸出。這里，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)監(jiān)控和測(cè)量電機(jī)線圈，使用電壓額電流信息提高步進(jìn)電機(jī)控制。綜合這兩個(gè)因素后，重裝計(jì)數(shù)初值的修正量取 8 個(gè)機(jī)器周期，即要使定時(shí)時(shí)間縮短 8 個(gè)機(jī)器周期。但占用 CPU 時(shí)間長(zhǎng)，不能在運(yùn)行時(shí)處理其他工作。 本次設(shè)計(jì)的基本要求 研究步進(jìn)電機(jī)的特性、工作原理、及其具體的調(diào)速原理。就是 A，齒 5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開(kāi)如圖 所示： 電動(dòng)機(jī)定子鐵心和一般電機(jī)一樣由硅鋼片疊成，鐵心內(nèi)孔表面有開(kāi)口槽。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步進(jìn)角比較大，它輸出轉(zhuǎn)矩大 ，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小（相比反應(yīng)式），但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電 (3)混合式步進(jìn)電機(jī)（ HyBrid，簡(jiǎn)稱 HB） 混合式步進(jìn)電 [機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。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)流）平均電流越大， 電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性 圖 力矩頻率曲線 圖 力矩頻率特性曲線 越硬。 (2)失步： 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)。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則 ‘ 相數(shù) ’ 將變得沒(méi)有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。電機(jī) 相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為176。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng) 頻率較低，然后一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲? (4)步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn) ,但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng) ,并伴有嘯叫聲