【正文】 電機轉(zhuǎn)動使用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計算機所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。 電機在 600PPS（ 度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。 高精度時，應(yīng)通過機械減速、提高電機速度 ,或采用高細分數(shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用 5 相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。 轉(zhuǎn)動慣量大的負載應(yīng)選擇大機座號電機。 步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。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 一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負載的 23倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸） 靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻 特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓） 綜上所述選擇電機一般應(yīng)遵循以下步驟： 圖 選擇電機步驟 步進電機一般在較大范圍內(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單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。電壓對力矩影響如下： 圖 電壓與力矩關(guān)系圖 在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機，細分驅(qū)動器的原理是通過改變相鄰（ A， B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉(zhuǎn)的。 SH 系列二相恒流斬波驅(qū)動電源與單片機及電機接線圖如下： 圖 單片機與驅(qū)動及電機接線圖 說明： CP 接 CPU脈沖信號（負信號，低電平有效） OPTO 接 CPU+5V FREE 脫機，與 CPU地線相接，驅(qū)動電源不工作 DIR 方向控制，與 CPU 地線相接，電機反轉(zhuǎn) VCC 直流電源正端 GND 直流電源負端 畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 第 10 頁 共 66 頁 A 接電機引出線紅線 接電機引出線綠線 B 接電機引出線黃線 接電機引出線藍線 步進電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅(qū)動電源。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流 、細分數(shù)等。步進電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為 ABBCCDDAAB,步距角為 度；四相八拍為 ABBBCCCDDAB,(步距角為 度）。 驅(qū)動控制系統(tǒng)組成 使用、控 制步進電機必須由環(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)動控制系統(tǒng)方框圖 畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 第 9 頁 共 66 頁 脈沖信號的產(chǎn)生 脈沖信號一般由單片機或 CPU 產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為 左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。 ： 步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(qū)一般在 180250pps 之間（步距角 度）或在 400pps 左右（步距角為 度），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。曲線 1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。 電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 第 8 頁 共 66 頁 矩越大，即電機的頻率特性越硬。 ： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。 ： 電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在 不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。稱之為失步。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在 15%以內(nèi)。 步進電機動態(tài)指標及術(shù)語 ： ： 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。四拍運行時步距角為 θ=360 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運行時步距角為 θ=360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步）。 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 θ 表示。常用 m表示。以機座號（電機外徑）可分為： 42BYG(BYG 為感應(yīng)子式步進電機代號）、57BYG、 86BYG、 110BYG、（國際標準），而像 70BYG、 90BYG、 130BYG 等均為國內(nèi)標準。 一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應(yīng)式電機則不能如此。 感應(yīng)子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。 感應(yīng)子式步進電機 原理 ： 感應(yīng)子式步進電機與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。I 為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。 ： 電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量 Ф ）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(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 為鐵芯有效長度， D 為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制 —— 這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3 て變?yōu)?1/12 て， 1/24 て，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。 由此可見：電機的位置 和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。如 A 相通電， B， C 相不通電，齒 4畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 第 5 頁 共 66 頁 與 A 對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 て這樣經(jīng)過 A、 B、 C、 A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按 A， B， C，A?? 通電，電機就每步（每脈沖） 1/3 て ,向右旋轉(zhuǎn)。如 B 相通電， A， C 相不通電 時，齒 2 應(yīng)與 B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 て，此時齒 3 與 C 偏移為 1/3 て，齒 4與 A 偏移（て 1/3 て）=2/3 て。與齒 5相對齊，（ A39。 ： 電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。 反應(yīng)式步進電機原理 由于反應(yīng)式步進電機工作原理比較簡單。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進 電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。 2． 控制步進電機的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。其基本原理作用如下： 1． 控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。 步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。 正常情況下，步進電機轉(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，電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負載變化的影響。 使用多相步進電動機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。單相步進電動機有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用 途為微小功率驅(qū)動。比之以前的各種塔鐘系統(tǒng)具有更高的精準性，更高的抗干擾能力，性價比高，通用性強等優(yōu)點。 本論文主要內(nèi)容 論文的第一章為緒論 ， 介紹了國 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 —— 步進電機 ； 第三章介紹了硬件部分設(shè)計 ； 第 四 章進行了軟件部分編程 ； 第 五 章是 Proteus 仿真 圖 。 再后 來出現(xiàn)的 MCS—— 96系列單片機，如 8098 內(nèi)部具有高速輸出 口 HSO，特別適合于步進電機控制，用8098 單片機作為步進電機控制器，使得系統(tǒng)具有硬件電路簡單可靠，軟件編程容易靈活，抗干擾能力強，性能，價格比高等優(yōu)點，通過簡單的編程就可以靈活地改變控制方式，具有很強的通用性。 這些建筑鐘 所使用的電機容易出現(xiàn)誤 觸發(fā) 而快走 ， 因為 步距太大產(chǎn)生 失 步故障 ， 解決上述問題的方法之一是采用小步距角高頻率驅(qū)動的步進電機 ， 并用單片機加以控制。畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 第 1 頁 共 66 頁 1 緒論 展現(xiàn)狀 和 趨勢 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 越來越常見。塔鐘控制系統(tǒng)的核心部件是步進電機， 早期 的步進電機驅(qū)動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調(diào)整及調(diào)整顯示也往往采用機械的方法，不僅調(diào)整困難，而且顯示也不夠直觀方便 。 其后出現(xiàn)的以 微電腦為核心的步進控制器有取代邏輯控制器的趨勢，但由于其 微 電腦多采用 Z80 單 片 機，故硬件較復(fù)雜，抗 干 擾能力差 。 近年來出現(xiàn)的 MCS—— 51 系列單片機比 MCS—— 96 系列又有了更大發(fā)展。 畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 第 2 頁 共 66 頁 本設(shè)計的目的就是利用 AT89C51 系列單片機所開發(fā)的塔鐘控制系統(tǒng)來實現(xiàn)整點報時，斷電后啟用備用電源記錄時間，恢復(fù)供電后快速調(diào)節(jié)正確時間等功能。下圖是總體設(shè)計 框圖 ： 圖 總體設(shè)計框圖 LED 數(shù)碼管顯示 AT89C51 步進電機 備用電源 單片機電源 蜂鳴器 步進電機電源 按鍵控制 畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 第 3 頁 共 66 頁 —— 步進 電機 步進電機 概述及 控制原理 步進電機是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機。多相步進電動機有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機 各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。 步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為 ABCA,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制 A,B,C相的通斷。 3． 控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 第 4 頁 共 66 頁 就可以對步進電機進行調(diào)速。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 步進電機種類及原理 步進電機可分為反應(yīng)式步進電機（簡稱 VR）、 感應(yīng)子式步進電機 和混合式步進電機（簡稱 HB） 等 。下面先敘述三相反應(yīng)式步進電機原理。 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 相對齊， B 與齒 2 向右錯開 1/3 て， C 與齒 3向右錯開 2/3 て， A39。就是 A，齒 5 就是齒 1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖： 圖 定轉(zhuǎn)子展開圖 ： 如 A 相通電， B， C 相不通電時，由于磁場作用，齒 1與 A 對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如 C 相通電， A， B 相不通電，齒 3應(yīng)與 C 對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 て，此時齒 4 與 A 偏移為 1/3 て對齊。如按 A， C， B， A?? 通電，電機就反轉(zhuǎn)。而方向由導(dǎo)電順序決定。往往采用 AABBBC－ CCAA 這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3 て改變?yōu)?1/6 て。 不難推出：電機定子上有 m 相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m??(m 1)/m,1。只要符合這一條件我們 理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。I/R N 力矩 =力 *半徑 力矩與電機有效體積 *安匝數(shù) *磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大