【正文】 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)具有 十分 重要的意義。中國(guó)在文化大革命中已經(jīng)生產(chǎn)和應(yīng)用，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川都生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，驅(qū)動(dòng)電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國(guó)產(chǎn)化的，當(dāng)時(shí)是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運(yùn)算電路，還有電容耦合輸入的計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。一些少數(shù)高級(jí)的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機(jī)，交流電機(jī)。國(guó)外用許多現(xiàn)代的手段將步進(jìn)電機(jī)排擠出驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，除了前面提到的旋轉(zhuǎn)編碼器，打印機(jī)還使用光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制。 總的來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)是一種簡(jiǎn)易的開(kāi)環(huán)控制，對(duì)運(yùn)用者的要求低，不適合在大功率的場(chǎng)合使用。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，在改革開(kāi)放初期，國(guó)內(nèi)就已經(jīng)基本掌握，這與交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制相比，難度要低得多。步進(jìn)電機(jī)是一種將電 脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。另外通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差 (精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種 開(kāi)環(huán)控制。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)： （一） 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ) 相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì) N、 S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)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(guò)一個(gè)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(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用 θ 表示。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度 /（ 50*8） =度（俗稱半步）。此力矩是 衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。 （二） 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)： 步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 15%以內(nèi)。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(dòng)是不能解決的。 最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)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。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電 機(jī)運(yùn)行時(shí)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。 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 ）或在 400pps 左右（步距角為 度），電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)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。 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。 步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)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(lái)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。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)，但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。 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(dòng)，其功用是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或是直線位移，就是給一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或是前進(jìn)一步。 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。圖 1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。 當(dāng)開(kāi) 關(guān) SC 接通電源， SB、 SA、 SD 斷開(kāi)時(shí)，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)， 4號(hào)齒和 C相繞組的磁極對(duì)齊。依次類推， A、 B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、 B、 C、 D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。 永磁式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度 或 15 度 。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般 為 度。此類電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機(jī)。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。 靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)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。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。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(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸） 。 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(lái)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 典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)本體三部分組成。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動(dòng)或停止都完全取決于脈沖的有無(wú)或頻率的高低 。通常，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和電源組成。控制電路輸出的信號(hào)功率很低，不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率，必須進(jìn)行功率放大，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)部分。保護(hù)電路在出現(xiàn)短路、過(guò)載、過(guò)熱等故障時(shí)迅速停止驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的運(yùn)行。繞組通電時(shí)，電感使繞組電流上升速度受到限制，因此影響電機(jī)繞組電流的大小。 8 圖 23 電感 電阻串聯(lián)電路及其電流波形 步進(jìn)電機(jī)的相繞組可以等效為一個(gè)電感一電阻串聯(lián)電路。在 t=0時(shí)刻，電壓 V施加到該電路上時(shí)，電路中的電流變化規(guī)律為 : I(t)=V(1eRt/L)/R 通電瞬間繞組電流上升速率為 : di(0)/dt=V/t 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，電流達(dá)到最大值 : Imax=V/R L/R 定義為該電路的時(shí)間常數(shù)，是電路中的電流達(dá)到最大電流 Imax的 63%所需要的時(shí)間。低頻時(shí)電流能夠達(dá)到最大值 (a)。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小與繞組的電流成正比，所以電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)能夠達(dá)到其額定轉(zhuǎn)矩，而在某一特定頻率以上運(yùn)行時(shí)，繞組電流隨著頻率的提高逐漸下降，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)逐漸減小，從而降低了高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)帶負(fù)載能力?？梢酝ㄟ^(guò)加大繞組的電壓從而增加電 流上升的速率得時(shí)間常數(shù)。 單片機(jī)原理 單片機(jī)原理概述 單片機(jī)（ singlechip microputer）是把微型計(jì)算機(jī)主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。由于單片機(jī)的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)傳送距離，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度，同時(shí)它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機(jī)在工業(yè)過(guò)程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。人們需要通過(guò)人機(jī)對(duì)話，了解系統(tǒng)的工作情況和進(jìn)行控制。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成基本上如圖 26所示。本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一款最小應(yīng)用系統(tǒng)，最小應(yīng)用系統(tǒng)是指能維持單片機(jī)運(yùn)行的最簡(jiǎn)單配置的系統(tǒng)。對(duì)于片內(nèi)有 ROM/EPROM 的芯片來(lái)說(shuō) ,最小應(yīng)用系統(tǒng)即為配有晶體振蕩器、復(fù)位電路和電源的單個(gè)芯片；對(duì)與片內(nèi)沒(méi)有 ROM/EPROM芯片來(lái)說(shuō)，其最小應(yīng)用系統(tǒng)除了應(yīng)配置上述的晶振、復(fù)位電路和電源外，還應(yīng)配備 EPROM或 EEPROM 作為程序存儲(chǔ)器使用。 AT89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系制應(yīng)用場(chǎng)合。其將通用的微處理器和 Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 存儲(chǔ)器可有效地降開(kāi)發(fā)成本。 8k可反復(fù)擦寫(xiě) (1000 次） Flash ROM 256x8bit 內(nèi)部 RAM 時(shí)鐘頻率 024MHz 可編程 UART 串行通道 共 6個(gè)中斷源 3級(jí)加密位 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 AT89C52P 為 40 腳雙列直插封裝的 8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 VCC（ 40 腳）和 VSS（ 20 腳）為供電端口，分別接 +5V 電源的正負(fù)端。 P0 口， P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口， 也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。 P1 口， P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 (IIL)。Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P1 接收低 8 位地址。對(duì)端口 P2 寫(xiě)“ 1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 (IIL)。在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX RI 指令）時(shí)， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。 P3 口， P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。對(duì) P3 口寫(xiě)入“ 1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要 的用途是它的第二功能， P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。一般情況下， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。 PSEN，程序儲(chǔ)存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89C52 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。 EA/VPP，外部訪問(wèn)允許。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。 XTAL2，振蕩器反相放大器的輸出端。并非所有的地址都被定義，從80H— FFH 共 128 個(gè)字節(jié)只有一部分被定義，還有相當(dāng)一部分沒(méi)有定義。不應(yīng)將數(shù)據(jù)“ 1”寫(xiě)入未定義的單元，由于這些單元在將來(lái)的產(chǎn)品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復(fù)位后這些單元數(shù)值總是“ 0”。定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的控制和狀態(tài) 位位于 T2CON和 T2MOD，寄存器對(duì)（ RCAO2H、 RCAP2L）是定時(shí)器 2 在 16 位捕獲方式或 16 位自動(dòng)重裝載方式下的捕獲 /自動(dòng)重裝載寄存器。當(dāng)一條指令訪問(wèn) 7FH 以上的內(nèi)部地址單元時(shí)，指令中使用的尋址方式是不同的，也即尋址方式?jīng)Q定是訪問(wèn)高 128 字節(jié) RAM 還是訪問(wèn)特殊功能寄存器。 例如，下面的直接尋址指令訪問(wèn)特殊功能寄存器 0A0H（即 P2 口）地址單元。 MOV R0， data，堆棧操作也是間接尋址方式，所以，高 128 位數(shù)據(jù) RAM 亦可作為堆棧區(qū)使用。 14 定時(shí)器 2， 是一 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器。定時(shí)器 2 有三種工作方式：捕獲方式，自動(dòng)重裝載（向上或向下計(jì)數(shù)）方式和波特率發(fā)生器方式，工作方式由 T2CON 的控制位來(lái)選擇。在計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，當(dāng) T2 引腳上外部輸入信號(hào)產(chǎn)生由 1 至 0 的下 降沿時(shí)，寄存器的值加 1，在這種工作方式下，每個(gè)機(jī)器周期的 5SP2 期間，對(duì)外部輸入進(jìn)行采樣。由于識(shí)別 1 至 0 的跳變需要 2 個(gè)機(jī)器周期（ 24 個(gè)振蕩周期），因此，最高計(jì)數(shù)速率為振蕩頻率的 1/24。 捕獲方式，在捕獲方式下，通過(guò) T2CON 控