【文章內(nèi)容簡介】 3）動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和距頻特性在不同頻率下步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。隨著輸入脈沖的增加，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩減小。4）啟動(dòng)頻率和慣頻特性步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)而不失步的頻率，稱為啟動(dòng)頻率。它反映了電動(dòng)機(jī)跟蹤的快速性。若控制脈沖頻率大于啟動(dòng)頻率，則電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步，不能正常工作。目前，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率為1000～3000Hz。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子和負(fù)載的慣性有關(guān)。慣性越大，則啟動(dòng)頻率越小。5）最高運(yùn)行頻率運(yùn)行頻率是指電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下逐升速，達(dá)到不失步的連續(xù)工作頻率。一般情況下，連續(xù)運(yùn)行頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。因此，步進(jìn)電機(jī)在以較低的啟動(dòng)頻率啟動(dòng)后，應(yīng)采用升速控制策略達(dá)到運(yùn)行頻率。同樣，采用降速策略從運(yùn)行頻率降到啟動(dòng)頻率以下，在停止控制脈沖。 傳感器的選擇當(dāng)光軸對(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)，光斑的中心在光軸上。四個(gè)象限接收到相同的光功率，輸出相同的電壓信號(hào)。當(dāng)光軸未對(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)即太陽光與光軸成一角度θ時(shí)，光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)照射到四象限光電池上形成的光斑必然發(fā)生偏移即(x≠0，y≠0)。由于各象限的光功率與各象限的光斑面積成正比，每個(gè)象限被光斑覆蓋的面積不同，因此各象限光電池產(chǎn)生的電壓不盡相同。根據(jù)上述將Vx，Vy進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入單片機(jī)。單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)設(shè)備可控制俯仰角電機(jī)和方位角電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到Vx=Vy=0，即x=0，y=0，則表明系統(tǒng)光軸已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)太陽，根據(jù)以上原理即可對(duì)太陽能板位置誤差進(jìn)行校正。本次設(shè)計(jì)選擇的是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)有三種方案可選擇：方案一：光敏電阻。從光照特性來看，隨著光照強(qiáng)度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降，可以反映光照的變化，但該特性大多數(shù)情況為非線性，部分光照區(qū)間內(nèi)，特性變化不靈敏。方案二：硅光電池。硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，根據(jù)硅光電池光照強(qiáng)度曲線特性可知：硅光電池的開路電壓或短路電流與光強(qiáng)呈很好的線性關(guān)系。方案三：光敏二極管。光敏二極管具有單向?qū)щ娦?，無光照時(shí)，有很小的暗電流，當(dāng)受到光照時(shí)，光電流隨射光強(qiáng)度的變化而變化。方案四：光敏三極管。光敏三極管靈敏度遠(yuǎn)高于光電池,但受外界環(huán)境影響飄動(dòng)比較嚴(yán)重,用兩個(gè)光敏三極管采集點(diǎn)光源兩側(cè)的光強(qiáng)差,更容易確定點(diǎn)光源的位置。用四個(gè)光敏三極管組成四象限感光面，上下左右各一個(gè)光敏三極管。光敏三極管常用來檢測可見光或紅外光，有光照射或光強(qiáng)變化時(shí)，集電極產(chǎn)生的光伏感生電流直接流入基極，并被器件本身所放大，因此光敏三極管有較高的靈敏度。在測試光敏電阻與硅光電池時(shí)，發(fā)現(xiàn)光源的距離限制了兩者的應(yīng)用范圍。當(dāng)距離比較大時(shí)，兩者的靈敏度大大降低。經(jīng)實(shí)踐測定，光敏二級(jí)管與光敏三極管滿足要求，但在反映速度，及變化的靈敏、快速性方面，光敏三極管更勝一籌，因此傳感器選擇方案四。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了光敏三極管3DU5作為光強(qiáng)檢測傳感器。 顯示器的選擇本系統(tǒng)顯示器主要顯示的是傳感器檢測到的信號(hào)，可選用以下方案：方案一：FYD128640402B是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形LCD液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。可以顯示84行1616點(diǎn)陣的漢字. 。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。方案二：七段數(shù)碼管顯示，顯示的范圍比較小，一般只能顯示數(shù)值和字母。數(shù)碼管多時(shí)連線也會(huì)隨之復(fù)雜。綜上所述：方案一相對(duì)比較有優(yōu)勢(shì)，所以選LCD液晶顯示。第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 硬件方框圖本系統(tǒng)是有控制核心的單片機(jī)對(duì)傳感器檢測的光源的信號(hào)進(jìn)行分析和處理然后控制電機(jī)，使其跟隨點(diǎn)光源移動(dòng)。達(dá)到跟蹤點(diǎn)光源的目的。系統(tǒng)的硬件主要有控制器單片機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，顯示模塊，鍵盤等模塊組成的。 硬件方框圖 主控系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用TI公司的AT89C51單片機(jī)分別作為發(fā)送部分和接受部分的控制核心，完成信號(hào)發(fā)送和接收、電流檢測、控制電機(jī)、鍵盤輸入及液晶顯示等功能。AT89C51單片機(jī)電路設(shè)計(jì)和制作簡單，功耗低。文中所述系統(tǒng)為地平坐標(biāo)系的雙軸自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，因此采用雙坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)控制，雙坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)控制就是在X軸方向控制1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，在Y軸方向控制1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。這2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一個(gè)對(duì)象，使對(duì)象在一個(gè)平面上以任意曲線運(yùn)動(dòng)。 單片機(jī)主要特點(diǎn)是由ATMEL公司生產(chǎn)的一個(gè)單片機(jī)。在功能上，該系列單片機(jī)有基本型和增強(qiáng)型兩大類。在片內(nèi)程序存儲(chǔ)其的配置上，該系列的單片機(jī)有三種形式：掩膜ROM、EPROM、ROM Less（無片內(nèi)程序存儲(chǔ)器）。AT89C5l是一種低功耗、高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有4KB的Flash可編程可擦除只讀存貯器，它采用CMOS工藝和高密度非易失性存貯器技術(shù)，而且引腳和指令系統(tǒng)都與MCS51兼容。片內(nèi)的Flash存貯器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存貯器編程器來編程。AT89C5l是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。 單片機(jī)主要組成CPU系統(tǒng)：8位CPU,含布爾處理器；時(shí)鐘電路；總線控制邏輯。存儲(chǔ)器系統(tǒng)：4KB的程序存儲(chǔ)器（ROM/EPROM/Flash，可外擴(kuò)至64KB）；128KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM,可在外擴(kuò)64KB）；特殊功能寄存器SFR。I/O口和其他功能單元：4個(gè)并行I/O；2個(gè)16為定時(shí)/計(jì)數(shù)器；1個(gè)全雙工異步串行口；中斷系統(tǒng)（5個(gè)中斷源、2個(gè)優(yōu)先級(jí)）。外接晶體引腳XTAL1和XTAL2：(1)XTAL1:接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩信號(hào)源時(shí)，該引腳接收外部振蕩源的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。(2)XTAL2:接外部晶體的另一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩信號(hào)源源時(shí)，此引腳應(yīng)懸浮不連接。89C51單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時(shí)鐘方式，二是外部始終方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式如圖所示。在89C51單片機(jī)內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（簡稱晶振），就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。圖中電容C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5～30pF，典型值為30pF?！?2MHZ間選擇，典型值為12MHZ和6MHZ。這也是最常用的晶振電路。： 晶振電路 單片機(jī)的復(fù)位電路RST：復(fù)位輸入端。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。在對(duì)Flash存貯器編程期間，該引腳也用于施加編程語序電源。當(dāng)在89C51單片機(jī)的RST引腳引入高電平并保持2個(gè)機(jī)器周期時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)）。在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)位操作有兩種形式：一種是上電復(fù)位，另一種是上電復(fù)位與按鍵均有效的復(fù)位。 （a）上電復(fù)位 （b）上電復(fù)位與按鍵 復(fù)位電路上電復(fù)位要求接通電源后，單片機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。（a）所示。上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容C1的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降。RST引腳的高電平只要能保持足夠的時(shí)間（2個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。該電路典型的電阻和電容參數(shù)為：晶振為12MHZ時(shí)，C1為10uF，；晶振為6MHZ時(shí)，C1為22uF,R1為1KΩ。（b）所示。上電復(fù)位原理與圖（a）相同，另外在單片機(jī)運(yùn)行期間，還可以利用按鍵完成復(fù)位操作。晶振為6MHZ,R2為200Ω。單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)。初始化后，程序計(jì)數(shù)器PC=0000H，所以程序從0000H地址單元開始執(zhí)行。單片機(jī)啟動(dòng)后，片內(nèi)RAM為隨機(jī)值，運(yùn)行中的復(fù)位操作不改變內(nèi)RAM的內(nèi)容。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)A、B兩個(gè)繞組中的通電狀態(tài)每經(jīng)過一個(gè)循環(huán),步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角θ，θ的大小與步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，即：θ=360176。Zr其中：Zr———由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的轉(zhuǎn)子齒數(shù)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每次換相轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。用θs表示，其計(jì)算公式為：θs=θN=360176。NZr其中：N———控制方式的拍數(shù)。對(duì)于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)當(dāng)Zr =50時(shí),在兩相混合式步進(jìn)電機(jī)四拍驅(qū)動(dòng)模式下N =4,θs =176。,176。為一整步,而在八拍驅(qū)動(dòng)模式下N =8,θs =176。176。為一個(gè)半步。四拍或八拍驅(qū)動(dòng)方式是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)通常采用的驅(qū)動(dòng)方式,在這兩種驅(qū)動(dòng)模式下,每當(dāng)電機(jī)繞組換相時(shí),電機(jī)繞組中的電流是不受控制的,在八拍驅(qū)動(dòng)模式下繞組的電流從0變化到最大值,或從最大值變化到0,而在四拍驅(qū)動(dòng)模式下繞組中的電流是在正向電流最大值與反向電流最大值之間交替變化,在步進(jìn)電機(jī)每個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖到來時(shí)由于繞組電流的劇烈變化就造成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的大幅波動(dòng),從而使電機(jī)在驅(qū)動(dòng)過程中產(chǎn)生振動(dòng),并且電機(jī)每一步的運(yùn)行過程是處于一種自由運(yùn)行狀態(tài),無法控制電機(jī)的精確位置,從而使控制精度降低。步進(jìn)電機(jī)在單單僅給予電壓時(shí)，電機(jī)是不會(huì)動(dòng)作的，必須由脈沖產(chǎn)生器提供位置(脈波數(shù))、速度的脈沖信號(hào)指令，以及驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電流流過電機(jī)內(nèi)部線圈、依順序切換激磁相序的方式才能夠讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。所以欲使步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作的必要系統(tǒng)組成有：（1）脈沖產(chǎn)生器：給予角度(位置移動(dòng)量)、動(dòng)作速度及運(yùn)轉(zhuǎn)方向之脈沖信號(hào)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)指令。（2）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器：依控制器所投入的脈沖信號(hào)指令，提供電流來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。（3）步進(jìn)電機(jī)：提供轉(zhuǎn)矩動(dòng)力輸出來帶動(dòng)負(fù)載。所以步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應(yīng)器、位置傳感器，即能依照脈沖產(chǎn)生器所輸入的脈沖來做到速度及位置的控制。步進(jìn)電機(jī)的速度控步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度會(huì)與輸入的脈沖速度成等比例的關(guān)系，所以在脈沖的速度愈快時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)跟著加快；脈波速度愈慢時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速自然也跟著變慢。電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度(RPM)與脈沖速度(PPS，又稱 Hz)間的關(guān)系式如下：電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度(RPM)＝脈沖速度(PPS或Hz)60247。步進(jìn)電機(jī)分割數(shù)/圈說明：（1）RPM為一般電機(jī)的速度單位，即每分鐘電機(jī)所轉(zhuǎn)的圈數(shù)；PPS為步進(jìn)、伺服電機(jī)的速度單位，即每秒所送出的脈沖數(shù)。（2）由于RPM與PPS的單位不同，所以于轉(zhuǎn)換的過程中要先將PPS的秒鐘乘以60變?yōu)榉昼姟＃?）步進(jìn)電機(jī)分割數(shù)/圈，又代表要讓電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所必須送出的脈沖數(shù)。（4）上述公式拆解后之單位表示為→RPM=PPS601/分割數(shù)步進(jìn)電機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)不需要位置傳感器(SENSOR)，就可依照輸入的脈沖數(shù)決定移動(dòng)量，并將負(fù)載順利、正確的送達(dá)指定位置點(diǎn)上。而移動(dòng)量的大小，是依照電機(jī)分辨率的大小與輸入的脈沖數(shù)來決定。脈沖數(shù)(PULSE)與移動(dòng)量間的關(guān)系式如下：位置移動(dòng)量(176。)＝步進(jìn)電機(jī)分辨率(176。)輸入脈沖數(shù) (1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分