【正文】 ?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 16 管腳說明： VCC：供電電壓。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。 AT89C52 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 15 處理器，俗稱單片機(jī)。程序存儲器 E178。PROM 中的程序被非法復(fù)制。PROM電可編閃速存儲器。 AT89C52 AT89C52 的主要參數(shù)如表 21 所示： 表 21 AT89C51 的主要參數(shù) 型號 存儲器 定時器 I/0 串行口 中斷 速度（ MH） 其他特點(diǎn) E178。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。 14 圖 26 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)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)。單片機(jī)芯片與其它 CPU 比較，功能雖然要強(qiáng)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，在構(gòu)成實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)時需要加以擴(kuò)展，以適應(yīng)不同的工作情況。 圖 25 典型單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)在進(jìn)行實(shí)時控制和實(shí)時數(shù)據(jù)處理時，需要與外界交換信息。圖 25 中表示單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)圖。或者在電路中串聯(lián)電阻，使 L/R 減少。 圖 24 不同頻率脈沖作用下電感 電阻電路的電流波形 13 要改善電機(jī)高速運(yùn)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。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)。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 24所示。圖 23表明了一個電感一電阻電路的電氣特性。繞組線圈的電阻是電機(jī)溫升和電能損耗的主要因素。 步進(jìn)電機(jī)繞組的電氣的特性 步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是在鐵心上的銅線圈，電阻和電感是電機(jī)相繞組的兩個固有屬性，電機(jī)的性能和這兩個因素密切相關(guān) 。功率驅(qū)動電路向步進(jìn)電機(jī)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(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)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(jī)通電方式產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)各相勵磁繞組導(dǎo)通或截止信號。控制器的方向信號決定步進(jìn)電機(jī)的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)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(jī)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個步距角，即步進(jìn)一步。 力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)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= Ω?M Ω=2π?n/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=2π fM/400(半步工作） 其中 f為每秒脈沖數(shù)（簡稱 PPS） 第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動介紹 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)簡介 步進(jìn)電機(jī)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 11 機(jī)驅(qū)動器 .步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與電機(jī)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。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(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。 靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。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。 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。圖 21是該四相反應(yīng)式步進(jìn) 電機(jī)工作原理示意圖。 如下所示的步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動一個角度或是前進(jìn)一步。 步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。 步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常轉(zhuǎn)動，但若高于一定速度就無 法啟動，并伴有嘯叫聲。 8 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 步進(jìn)電機(jī)的特征如下： 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3%5%，且不積累。 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)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。 最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。稱之為失步 失調(diào)角： 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)動是不能解決的。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時應(yīng)在 15%以內(nèi)。 步進(jìn)電機(jī)動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語： 步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。四拍運(yùn)行時步距角為θ =360 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時步距角為θ =360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步）。 拍數(shù)：完成一個磁場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)過一個齒 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：對應(yīng)一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。 二、步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)： 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對 N、 S 磁場的激磁線圈對數(shù)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上面有許多相磁力繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。以機(jī)座號（電機(jī)外徑）可分為： 42BYG(BYG 為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號）、 57BYG、 86BYG、 110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像 70BYG、 90BYG、 130BYG 等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。 一、步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電機(jī)的種類根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)不同，可分為三大類：反應(yīng)式 (Ⅵ t，也稱磁阻式 )、永磁式 (PM)和混合式 (HB)。 正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過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，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。 5 第二章 系統(tǒng)概述 第一節(jié) 步進(jìn)電機(jī)介紹 步進(jìn)電機(jī)的概述 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。主要通過三大塊來設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)、 狀態(tài)顯示部分和按鍵部分是設(shè)計(jì)?？偟膩碚f單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)就是利用單片機(jī)可以給步進(jìn)電機(jī)提供時序脈沖，當(dāng)然本文是將時序脈沖給 L297 然后在給步進(jìn)電機(jī)的，這樣是為了節(jié)省單片機(jī)的 I/O接口，也更好的利用各個芯片的資源。 第四節(jié) 本章總結(jié) 本章主要系統(tǒng)的說明了單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的大概思路和研發(fā)情況及背景意義。 其次各個芯片的利用，本文主要用的芯片有 L29 L297。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是通過改 4 變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度的，并且通過數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級別。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (稱為“步距角” )，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。 第三節(jié) 本文主要研究內(nèi)容 本論文所選的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī)，采用的方法是利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。 在衛(wèi)星、雷達(dá)等應(yīng)用場合，中國在文化大革命后期，就生產(chǎn)了力矩電機(jī)，就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機(jī)，在高品質(zhì)的控制場合，有時還不能使用步進(jìn)電機(jī)。 國內(nèi)研究狀況 國內(nèi)過去是用大力矩步進(jìn)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控，有實(shí)力的公司現(xiàn)在也采用交流電動機(jī)驅(qū)動數(shù)控機(jī)床，在驅(qū)動設(shè)備的主要差距，是國外對交流電動機(jī)的控制理論與工程分析和應(yīng)用能力強(qiáng)，先進(jìn)的控制理論作為軟件，寫在控制器內(nèi)部。 國外在小功率的場合，還使用步進(jìn)電機(jī)，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，打印機(jī)，復(fù)印件，速印機(jī)，銀行自動柜員機(jī)。 國外研究狀況 3 國外在大功率的工業(yè)設(shè)備驅(qū)動上，目前基本不使用大扭矩步進(jìn)電動機(jī)，因?yàn)閺尿?qū)動電路的成本，效率，噪音，加速度，絕對速度，系統(tǒng)慣量與最大扭矩比來比較，比較不劃算，還是用直流電動機(jī)，加電動機(jī)編碼器整體技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高。 第二節(jié) 國內(nèi)外研究狀況 步進(jìn)電機(jī)是國外發(fā)明的。 步進(jìn)電動機(jī)是用電脈沖信號進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動機(jī)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào) 速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非常可行，因此在打印機(jī)等辦公自動化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。 2 第一章 緒論