【正文】 ，定轉子間氣隙越小，電 機力矩越大，反之亦然。因永磁體的存在，該電畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 6 頁 共 66 頁 機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。例如： 四相，八相運行（ AABBBCCCDDDAA）完全可以采用二相八拍運行方式 .不難發(fā)現(xiàn)其條件為 C=A,D=B。 感應子式步進電機以相數(shù)可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。 步進電機的靜態(tài)指標術語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對極 N、 S磁場的激磁線圈對數(shù)。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)用 n 表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即ABBCCDDAAB，四相八拍運行方式即 AABBBCCCDDDAA。 θ=360度 /（轉子齒數(shù) J*運行拍 數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉子齒為 50 齒電機為例。 定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的） 靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 7 頁 共 66 頁 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，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%。 ： 電機運轉時運轉的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。 ： 轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。 ： 電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。如下圖所示： 圖 運行矩頻特性圖 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特 性等。 如下圖所示： 圖 力矩與頻率關系圖 其中，曲線 3 電流最大、或電壓最高 。 要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小 電感大電流的電機。 電機正反轉控制： 當電機繞組通電時序為 ABBCCDDA 時為正轉，通電時序為 DACABCAB時為反轉。 信號分配 感應子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為 ,步距角為 度 ；二相八拍為 ,步距角為 度。 功率放大 功率放大是驅動系統(tǒng)最為重要的部分。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。 為盡量提高電機的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅動電源。步進電機轉速越高，力距越大則要求電機 的電流越大，驅動電源的電壓越高。 圖 合成磁場夾角圖 步進電機的應用 步進電機的選擇 步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉矩、及電流三大要素組成。 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 11 頁 共 66 頁 電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。目前市場上步進電機的步距角一般有 度 / 度（五相電機）、 度 / 度（二、四相電機）、 度 /3 度 （三相電機）等。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。M 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 12 頁 共 66 頁 Ω=2π 米 P=2πfM/400( 半步工作） 其中 f為每秒脈沖數(shù)（簡稱 PPS) 應用中的注意點 步進電機應用于低速場合 每分鐘轉速不超過 1000轉，（ 6666PPS)，最好在 10003000PPS( 度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。 由于歷史原因，只有標稱為 12V 電壓的電機使用 12V 外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值 ，可根據(jù)驅動器選擇驅動電壓（建議： 57BYG 采用直流24V36V， 86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V），當然 12伏的電壓除 12V 恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源， 不過要考慮溫升。 電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。 電機不應在振動區(qū)內(nèi)工作，如 若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 應遵循先選電機后選驅動的原則 。從 20世紀 80 年代開始開發(fā)出了專用的 IC驅動電路，今天，畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 13 頁 共 66 頁 在打印機、磁盤器等的 OA裝置的位置控制中 ，步進電機都是不可缺少的組成部分之一。 2．與微機的連接、速度控制（啟動、停止和反轉） 及驅動電路的設計比較簡單。 4．停止時也可保持轉距。 6．即使沒有傳感器，也能精確定位。但是，這種電機也有自身的缺點。 11．超過負載時會破壞同步， 高 速工作時會發(fā)出振動和噪聲。備用 電池在 遭遇 停電時， 和 單片機電源 進行電壓比較然后供給單片機繼續(xù)運行 ，保證停電 時單片機 正常運行 記錄時間，當恢復供電后，單片機改變提供給步進電機的脈沖，加快步進電機轉速，當時間調(diào)節(jié)準確以后恢復正常轉速。 當然現(xiàn)在已有將微型電池集成到電路模塊的中的解決方案，但在考慮本設計只是一個模擬設計，所以選擇使用普通和簡單的模擬元器件來實現(xiàn)。當遭遇停電時，備用電池通過二極管自動接替供電，時鐘電路繼續(xù)運行。若此時發(fā)生寫動作，很可能產(chǎn)生錯誤，即時鐘信息數(shù)據(jù)丟失。 考慮各種原因后，即使在遭遇停電狀況時，啟動備用電源后，單片機還能正常運行， 繼續(xù)記錄時間信息， 因此在 恢復供電后可以 采用 LED 數(shù)碼管顯示的時間來調(diào)整 步進電機的轉速，使塔鐘的指針指向正確的時間。常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復式濾波及 有源濾波。 電容濾波電路是最簡單的濾波器，它是在整流電路的負載上并聯(lián)一個電容 C。 電容濾波是通過電容器的充電、放電來濾掉交流分量的。并入電容 C后，在 u20 時， D D3導通， D D4截止，電源在向 RL供電的同時，又向 C充電儲能，由于充電時間常數(shù) τ 1很?。ɡ@組電阻和二極管的正向電阻都很?。?，充電很快，輸出電壓 uo隨 u2上升，當 uC = 22U 后， u2開始下降 u2uC， t1~t2時段內(nèi)， D1~D4全部反偏截止，由電容 C向RL放電， 由于放電時間常數(shù) τ 2較大，放電較慢，輸出電壓 uo 隨 uC 按指數(shù)規(guī)律緩慢下降，如圖中的 ab 實線段。 c點以后， u2uC， D1~D4又截止， C 又放電，如此不斷的充電、放電，使負載獲得如圖（ b）中實線所示的 uo波形。 （ a）電路 （ b）波形 圖 橋式整流電容濾波電路及波形 由上討論可見，輸出電壓平均值 U0的大小與 τ τ 2的大小有關， τ 1越畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 17 頁 共 66 頁 小， τ 2越大， U0也就越大。因此，電容濾波器輸出電壓在 22 2~ UU 范圍內(nèi)波動，在工程上一般采用經(jīng)驗公式估算其大小， RL愈小，輸出平均電壓愈低，因此輸出平均電壓可按下述工程估算取值 （全波）半波） 2o 2o (UU UU ?? 對于單相橋式整流電路而言，無論有無濾波電容，二極管的最高反向工作電壓都是 2 U2。一般在幾十微法到幾千微法，電容器耐壓應大于 22U 。 M,線圈電阻 ,外徑為 75mm。在長期運行過程中，該電阻極易燒毀，如無適當電阻更換，可用混聯(lián)方法將眾多水泥電阻組成電阻組，并用散熱器冷卻散熱 。 步進電機的驅動脈沖采用三相六拍制，即 A— AB— B— BC— C— CA 正轉。 用 AT89C51 的 , 分別控制步進電機的 A相 ,B相和 ,C 相線圈 .以 A 相為例 ,其控制過程為 , 當 輸出為高電平時 ， 光電 耦 合器的發(fā)光二極管發(fā)光 ,光敏三極管導通 ， 使擔負驅動任務的 CMOS 功率管 T1導通 ,A 相繞組通電 .按照類似的邏輯分析 ,不難知道 ,當 輸出低電平時 ,使 A 相繞組不通電 ,采用光電 耦 合器可以把工作在較大的脈沖電流狀態(tài)下的驅動電路與單片機隔離開來 ，還可避免單片機與步進電機功率回路的其他干擾 。 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 19 頁 共 66 頁 圖 時鐘顯示電路采用 LED 數(shù)碼管 （ 也稱半導體數(shù)碼管 ） ，是目前數(shù)字電路中最常用的顯示器件。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按 能顯示多少個 “8” 可分為 1 位、 2位、 4位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應用時應將公共極 COM 接到 +5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。 當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 20 頁 共 66 頁 1. 靜態(tài)顯示驅動：靜態(tài)驅動也稱直流驅動。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用 I/O端口多，如驅動 5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58 ＝ 40根 I/O 端口來驅動，要知道一個 89S51 單片機可用的 I/O 端 口才 32 個呢：），實際應用時必須增加譯碼驅動器進行驅動，增加了硬件電路的復雜性。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。 LED 數(shù)碼管 是以發(fā)光二極管作筆段并按共陰極方式或共陽極方式連接后封裝而成的。 LED 數(shù)碼管型號較多，規(guī)格尺寸也各異，顯示顏色有紅、綠、橙等。共陰極 LED 數(shù)碼管則與之相反，它是將發(fā)光二極管的陰極 (負極 )短接后作為公共陰極。使用 LED 數(shù)碼管時，工作電流一般選 10mA 左右／段，既保證亮度適中，又不會損壞器件。 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 21 頁 共 66 頁 按鍵控制 當遇到停電情況，步進電機停止運行，當恢復供電后，需要改變步進電機轉速或者轉動方向來調(diào)整塔鐘指針指示到正確時間，因此需要按鍵來控制。 AT89C51 單片機特性 AT89C51 是一種低功耗 ,高性能的 8 位 的 CMOS 微處理器芯片 ， 片內(nèi)帶有 4K字節(jié)的閃速可編及可擦除只讀存儲器 ,簡寫為 PEROM。 片上的允許在線對程序存儲器重新編程 ， 也可用常規(guī)的非易揮發(fā)存儲芯片編程器編程 。 這種 AT89C51具有以下標準特性 :4K字節(jié)的 PEROM,128字節(jié)的 RAM,32條 I/O線 ,兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 ,一個五源兩級的中斷結構 ,一個全雙 I 的串行口 ,片內(nèi)振蕩器與時鐘電路。此外 ,AT89C51 還支持兩種軟件可選的省電模式。在掉電模式下 ,只保存 RAM 的內(nèi)容 ,振蕩器停振 ,關閉芯片的所有其它功能 ,直到 下一次硬件復位到來。 選用的 AT89C51 的定時器 /計數(shù)器來實現(xiàn)計時，是一個非常普遍的應用。 。因此，把秒計時用硬件定時和軟件計數(shù)想結合的方法實現(xiàn)，例如把定時器的定時設定為 125ms， 這樣計數(shù) 8次就可以得到 1s，而 8 次計數(shù)可用軟件方法實現(xiàn)。 ，即通過中斷服務程序進行計數(shù)器溢出次數(shù)（每次 125ms）的累計，計滿 8次即得到秒計時。例如，秒計數(shù) 單元每次加 1，都要比較判斷是否計滿 60，則繼續(xù)計數(shù)；若計滿 60，則轉去對分計數(shù)單元加 1. 4．設置時鐘顯示緩沖區(qū)。因此，要在內(nèi)部 RAM 中設置 6 個單元的顯示緩沖區(qū)，從左向右依次存放時，分，秒的數(shù)值。其流程如下圖所示。放入 熄滅符 數(shù)據(jù) MOV TMOD,01H 定時器 0，工作方式 1 MOV TL0,0DCH 裝計數(shù)初值 MOV TH0,0BH SETB TR0 TR0置 1，定時開始 MOV IE,01H 允許中斷 MOV 30H,08H 設置循環(huán)次數(shù) ML0:LCALL DISPLAY 調(diào)用顯示子程序 SJMP ML0 中斷服務程序 PITO 中斷服務程序的主要功能是進行計時操作。 其中計時到 1 小時的時候跳轉到報時子程序。 畢業(yè) 設計（ 論文 ） 第 25 頁 共 66 頁 圖 PITO程序流程圖 PITO 計數(shù)器重新加載 循環(huán)次數(shù)減 1 是否滿 8 次？ 秒加 1