【正文】 步進電機的旋轉(zhuǎn) ： 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）。 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。并且步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差。 第 2章 硬件設計與基本原理 硬件原理框圖 步進電機 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。它所實現(xiàn)的功能是這樣的：用戶出于某種目的，需要將步進電機所帶動的負載進行旋轉(zhuǎn)。 關(guān)鍵詞： 步進電機，單片機， C51 Planar Wheel Stepper Motor Drive Feedback System Liu Wei Electronics information engineering college， Southwest China Normal University， Chongqing 400715， China Abstract： As a drive execute unit, stepper motor is widely used in industry, civil and medical treatment felid etc. This note introduced the frndamental, correlative echnic index and term first, the 57BYG stepper motor series as a main drive unit, MCU as a control unit , made up of the planar wheel stepper motor drive feedback system which core is MCU AT89S51. This system works as this: user controls the load fallowed the stepper motor through puter software interface of the system, so user can change the value of the load they need. eg,for whatever running speed, whatever running is a important part of the system, which doesn39。軟件是系統(tǒng)不可或缺的組成部分，本論文介紹了各模塊的設計思想和程序流程，并有詳細的注釋。本系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能是這樣的：用戶通過系統(tǒng)在計算機上的軟件界面來控制步進電機所帶動的負載，使用戶可以根據(jù)需要來調(diào)整負載的各種姿態(tài)。二維轉(zhuǎn)動步進電機驅(qū)動反饋系統(tǒng) 西南師范大學電子信息工程學院，重慶 400715 摘要： 步進電機作為一個驅(qū)動執(zhí)行單元，廣泛地使用于工業(yè)、民用和醫(yī)療等領(lǐng)域。本文首先介紹了步進電機的基本原理、相關(guān)的技術(shù)指標及術(shù)語，并選擇 57BYG系列步進電機作為系統(tǒng)的主要驅(qū)動單元，利用單片機作為控制單元，組成了以AT89S51 單片機為核心的 二 維轉(zhuǎn)動步進電機驅(qū)動反饋系統(tǒng)。如任意調(diào)整轉(zhuǎn)動速度，任意調(diào)整 轉(zhuǎn)動的角度。編程語言選用 C51。t work without it. This test show us design opinion and program flow of some fonction apartment, added the source code and note programme languge is 51. Key word： Stepper motor,SingleChip Microputer,C51 第 1章 引言 本系統(tǒng)由計算機、步進電機驅(qū)動和接口電路、步進電機等部分組成。如向左或向右以任意速度轉(zhuǎn)動任意角度，這時用戶只需要通過系統(tǒng)在計算機上的軟件界面來控制步進電機的轉(zhuǎn)動，進而調(diào)整負載的各種姿態(tài)。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停 止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。 步進電機的結(jié)構(gòu) ： 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。與齒 5 相對齊，（ A39。如 B 相通電， A， C 相不通電時，齒 2 應與 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。 如 A 相通電， B， C 相不通電，齒 4 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)。 由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關(guān)系。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。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)。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，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。常用 m表示。 θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機為例。 定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖 定力矩。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。用百分比表示：誤差/步距角 *100%。 失步： 電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的 步數(shù)。 失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。 最大空載的運行頻率： 電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。如下圖所示： 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。 如下圖所示： 其中，曲線 3 電流最大、或電壓最高 。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。 電機正反轉(zhuǎn)控制： 當電機繞組通電時序為 ABBCCDDA 或 ( )時為正轉(zhuǎn)，通電時序為 DACABCAB 或 ( )時為反轉(zhuǎn)。一般來說升速和降速規(guī)律相 同，以下為升速為例介紹： 升速過程由突跳頻率加升速曲線組成（降速過程反之）。升降速曲線一般為指數(shù)曲線或經(jīng)過修調(diào)的指數(shù)曲線，當然也可采用直線或正弦曲線等。指數(shù)曲線在實際軟件編程中比較麻煩，一般事先算好時間常數(shù)存貯在計算機存貯器內(nèi)，工作過程中直接選取。一種特例是：步進電機的運行速度不超過突跳頻率，這時將不存在升降速問題。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。電機的步距角應等于或小于此角度。 靜力矩的選擇 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。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的 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） 電流的選擇 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遵循以下步驟： 力矩與功率換算 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= Ωn/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 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。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）。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）。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。二相恒流斬波驅(qū)動電源與單片機及電機接線圖如下： 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 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。電壓對力矩影響如下： 細分驅(qū)動器 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。它的技術(shù)參數(shù)如下：相數(shù)兩相；步距角 度或 度；靜態(tài)相電流 3A；相電阻 ；相電感 ；保持轉(zhuǎn)距 ?m；定位轉(zhuǎn)距 ?m；空載啟動頻率（半步方式） ；重量；轉(zhuǎn)動慣量 330g?cm2； 驅(qū)動 57BYG 步進電機的驅(qū)動器選用的是北京和利時電機技術(shù)有限公司生產(chǎn)的兩相混合式步進電動機細分驅(qū)動器。選擇驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機可以大大的簡化驅(qū)動電路的設計，且具有多種輸出電流，多種細分運行模式，自動半電流，錯相保護等功能。它的技術(shù)參數(shù)如下：10V~40V 寬電壓直流供電； H 橋雙極恒相流驅(qū)動；最大 3A 的八種輸出電流可選；最大 64 細分的八種運行模式可選；輸入信號光電隔離；標準共陽單脈沖接口；脫機（ FREE）保持功能。信 號低電平有效，此時對應的內(nèi)部光耦導通，控制信號輸入驅(qū)動器中。這樣就可以很方便的達到步進電機調(diào)速和定位的目的。 方向電平信號（ DIR）：用于控 制步進電機的旋轉(zhuǎn)方向。電機換向必須在電機停止后再進行，并且換向信號一定要在前一個方向的最后一個 CP 脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第一個 CP 脈沖前發(fā)出（參見下圖）。當此信號起作用時（低電平有效），電機處于自由無力矩狀態(tài)；當此信號為高電平或懸空不接時，取消脫機狀態(tài) 。單片機是把包括運算器、控制器、少量的存儲器、最基本的輸入輸出口電路、串行口電路、中斷和定時電路等都集成在一個尺寸有限的芯片上。單片機自 20 世紀 70 年代問世以來，以其鮮明的特點得到迅猛發(fā)展，已經(jīng)廣泛應用于家用電器、智能玩具、只能儀器儀表、工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，性能不斷提高，品種不斷豐富，已經(jīng)形成自動控制的一支力量。 AT89S51 系列單片機是ATMEL 公司生產(chǎn)的一種低功耗，高性能的 8 位 CMOS 微控制器芯片。 128 字節(jié)的片內(nèi) RAM。全靜態(tài)時鐘 0HZ 到 33HZ。 32 個可編程 I/O 口。 6 個中斷源。低功耗支持 Idle和 Powerdown 模式， Powerdown 模式支持中斷喚醒。雙數(shù)據(jù)指針。 這個是 DIP 封裝的 AT89S51 的引腳圖： 程序下載線 AT89S51 系列單片機最大的特點就是支持 ISP 在系統(tǒng)編程（ InSystem Programming）。只需要用下載電纜連到單片機的幾個編程引腳（ ， ）上。且下載電纜制作簡單。 J1 是連接步進電機驅(qū)動器的接口， 1 腳是公共陽端（ OPTO）； 2 腳是步進脈沖（ CP）； 3 腳是方向信號（ DIR）； 4 腳是脫機電平（ FREE）。當需要把程序下載到 AT89S51 上，只需要把下載線連到 J3 上，就可以對其進行程序的下載，而不需要象 8051 那樣把芯片取下再進行燒寫。所以，在實際應用時必須把微處理器 的信號電平（ TTL 電平）轉(zhuǎn)換為 RS232 電平，或者對兩者進行逆轉(zhuǎn)換。 第 3章 軟件設計 軟件設計思想 軟件是整個系統(tǒng)的靈魂，好的軟件設計會使系統(tǒng)發(fā)揮更好的性能和穩(wěn)定性。 C51 語言和開發(fā)環(huán)境 C 語言是一個通用的編程語言，它提供高效的代碼，結(jié)構(gòu)化的編程，和豐富的操作符。它一般來說限制較少，可以為各種軟件任務提供方便和有效的編程。優(yōu)化的 Cx51 C 編譯器完整的實現(xiàn)了 ANSI 的 C 語言標準。它首先的目標是生成針對 8051 的最快和最緊湊的代碼。 C 語言不能執(zhí)行的操作（如輸入和輸出）需要操作系統(tǒng)的支持。既然 Cx51 是 一