【正文】 均勻分布，但兩段轉子的齒相互錯開 1/2 個轉子齒距。具體的延時時間可以通過軟件來實現(xiàn)。硬件方法是依靠單片機內(nèi)部的定時器來實現(xiàn)的 ,在每次進入定時中斷后 ,改變定時常數(shù) ,從而升速時使脈沖頻率逐漸增大 ,減速時使脈沖頻率逐漸減小 ,這種方法占用CPU 時間較少 ,在各種單片機中都能實現(xiàn) ,是一種比較實用的調(diào)速方法。 基本要求 : 步進電機采用三相步進電機，功率為 1W。 2 方案的論證 控制方式的確定 步進電機控制雖然是一個比較精確的，步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)具有 成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點，在采用單片機的步進電機開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的 CP 脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進電機的運行速度。一種是延時，一種是定時。延時子山東科技大學學士學位論文 9 程序的延時時間與換向程序所用的時間和，就是 CP 脈沖的周期，該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實現(xiàn)不同速度的運行。因此只適合較簡單的控制過程。當定時器啟動后，定時器從 裝載的初值開始對系統(tǒng)及其周期進行加計數(shù)，當定時器溢出時，定時器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉去執(zhí)行定時中斷子程序。 由于從定時器裝載完重新啟動開始至定時器 申請 中斷止，有一定的時間間隔，造成定時時間增加，為了減少這種定時誤差，實現(xiàn)精確定時，要對重裝的計數(shù)初值作適當?shù)恼{(diào)整。二是重裝初值指令所占用的時間，包括在重裝初值前中斷服務程序重的其他指令因。用定時中斷方式來控制電動機變速時，實際上是不斷改變定時器裝載值的大小。為了減少每步計算裝載值的時間，系統(tǒng)設計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的 ROM中，系統(tǒng)在運行中用查表法查出所需的裝載值，這樣可大幅度減少占用 CPU的時間，提高系統(tǒng)的響應速度愿大多數(shù)步進電機運動控制 系統(tǒng)都運行在開環(huán)狀態(tài)下，因為 成本 較低，并可提供運動控制技術固有的位置控制，無須反饋。一個簡單的回路與指令校驗的步進電機比較，驗證步進電機移動到預計的位置； (2)反電動勢 , 一種無傳感器的檢測方法，使用步進電機的反電動勢（ eleCtromotiveforCe， emf）信號，測量和控制速度。 其它的方法包括各種不同的反電動勢控制電機參數(shù)測量和軟件技術，一些制造企業(yè)都會使用這些方法。 正阻尼使用這一信息阻擋振動的速度，產(chǎn)生更多的可用的轉矩輸出，降低轉矩的 機械 振動損耗。 傳統(tǒng)步進電機控制通常采用反饋設備和非傳感方法，是有效的實現(xiàn)帶有安全需求、危險狀況或高精確度要求的運動應用的方法。 事實上，步進系統(tǒng)可提高位移控制的的性能， 且不需要反饋。 閉環(huán)控制，是傳統(tǒng)步進控制的一個部分，能有效地提供更高地可靠性、安全性或產(chǎn)品質(zhì)量。近期，步進電機的閉環(huán)控制（ CLC）還能幫助執(zhí)行智能分布運動架構。但與伺服系統(tǒng)中使用的編碼器相比，閉環(huán)步進電機采用的編碼器成本更低。 山東科技大學學士學位論文 11 驅(qū)動方式 的確定 并于步進電機的驅(qū)動一般有兩種方法，一種是通過 CPU 直接來驅(qū)動，這種方法一般不宜采用，因為 CPU 的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進電機的轉動；別一種是通過 CPU 來間接驅(qū)動，就是把從 CPU 輸出的信號進行放大，然后直接驅(qū)動或是再通過光電隔離間接來驅(qū)動步進電機，這種方法比較安全可靠。 用編碼器還的測速發(fā)電機作為轉速測量工具 ,因為選擇了閉環(huán)控制，就必須有反饋元件，反饋元件一般有兩種，一種是采用同軸的測速發(fā)電機，把步進電機的轉速反饋回來，然后通過顯示器顯示出來并對步 進電機進行調(diào)節(jié)；別一種是通過光同軸的電編碼器把步進電機的轉速反饋回來對步進電機進行調(diào)節(jié)；兩者相比，后者的設計比較簡單，價格便宜，安全可靠，污染少。 驅(qū)動電路的選擇 步進電機的驅(qū)動電機有多種，但最為常用的就是單電壓驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、斬波驅(qū)動、細分控制驅(qū)動等。它的最大特點是結構簡單，因它的工作效率低，特別是在高頻下更顯的突出。 雙電壓驅(qū)動是電路一般采用兩種電源電壓來驅(qū)動，因這兩個電源分別是一個為高壓一個為低壓，因此也稱為高低壓驅(qū)動電路。不宜于電機的正常運行。所以從提高效率來看這是一種很好的驅(qū)動電路，它可以用較高的電源電壓，同時無需外接電阻來限定期額定電流和減少時間常數(shù)。 細分驅(qū)動是用脈沖電壓來供電的，對于一個電壓脈沖，轉子就可以轉動一步，一般會根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞阻會輪流切換，固可以使步進電機的轉子旋轉。別一種是用單片機采用數(shù)子脈寬調(diào)制的方法獲得階梯電流，這種方法需要復雜的計算可使細分后的步距角一致。 基本方案的確定 因本次設計的要求，選用三相三拍步進電機，單片機選用 89C51 作為控制器。選用 8713 作為步進電機的驅(qū)動芯片并通過光電耦合來驅(qū)動步進電機。但由鍵盤輸入的速度數(shù)值了得通過顯示器來顯示，固本次設計要兩排顯示，一排來顯示 給定的轉速一排來顯示實際的轉速。 AT89C51 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 位微處理器，俗稱單片機。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 。 (2)VSS（ 20）：接地，也就是 GND。 光電編碼器 8279 顯示器 光電耦合 AT89C51 鍵盤 8713 三相步進電機 山東科技大學學士學位論文 14 單片機是一種時序電路，必須有脈沖信號 才能工作，在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時，需在 XTL2 上加外部時鐘信號（詳細的內(nèi)容將在以后的課程中專門介紹）。 (5)ALE/PROG（ 30）：地址鎖存信號輸出端 /EPROM 編程脈沖輸入端。 (7)EA/VPP （ 31 ）：內(nèi) / 外部 ROM 選擇 端 。 P1 口（ 18）：準雙向通用 I/0 口。原理圖如 所示： 主要特性 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定、 128*8 位內(nèi)部 RAM、32 可編程 I/O 線 、兩個 16 位定時器 /計數(shù)器、 5個中斷源、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 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 13 J un 201 0 S he e t of F i l e : G : \電路原理圖 .ddb D r a w n B y :T 1/ P 15W R / P 16 R D / P 17X T A L 218X T A L 119GND20T 0/ P 14P 1 P 2P 4P 5P 6P 3P 7P 8R X D / P 10T X D / P 11R S T / V P D9P 38I N T 0/ P 12P 25P 21P 22P 23P 24I N T 1/ P 13P 26P 27P 28P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P 32P 33P 34P 35P 36P 37P 39V C C40AT89C51A T 89C 51 山東科技大學學士學位論文 15 圖 AT89C51的引腳圖 (1) 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1” 且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。在閑置模式下， CPU 停止工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍 結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 圖 三相反應式步進電動機的原理圖 三相單三拍通電方式 當 A 相控制繞組通電 ,其余兩相均不通電 ,電機內(nèi)建立以 定子 A 相極為軸線的磁場 .由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點 ,使轉子齒 1, 3 的軸線與定子 A 相極軸線對齊 ,如圖 (a)所示 .若 A 相控制繞組斷電 ,B 相控制繞組通電時 ,轉子在反應轉矩的作用下 ,逆時針方向轉過 30,176。 使轉子齒 1,3 的軸線與定子 C相極軸線對齊 ,如圖 (c)所示 .如此按 AB– CA 的順序輪流通電 ,轉子就會一步一步地按逆時針方向轉動 ,其轉速取決 于各相控制繞組通電與斷電的頻率 ,旋轉方向取決于控制繞組輪流通電的順序若按 ACBA 的順序通電 ,則電機按順時針反方向轉動 . 上述通電方式稱為三相單三拍運行 ,” 三相 ” 是指三相步進電動機 ,”單 ” 是指每次只有一相控制繞組通電 ,控制繞組每改變一次通電方式稱為山東科技大學學士學位論文 17 一拍 ,三拍是指經(jīng)過三次改變通電方式為一個循環(huán) ,我們稱每一拍轉子轉過的角度為步距角 。, 但雙三拍運行時每一拍總有一相繞組持續(xù)通電，例如由 AB 兩相通電變?yōu)?BC 兩相通電時， B 相保持持續(xù)通電狀態(tài) C 相磁拉力圖使轉子逆時針方向轉動，而 B 相磁拉力卻起有阻止轉子繼續(xù)向前轉動的作用。三相雙三拍運行方式 AB 相與 BC 相導通的結構如圖 所示： 山東科技大學學士學位論文 18 (a)BC 相導通 (a)AB 相導通 圖 三相雙三拍運行方式 在分析步進電動機動態(tài)運行時，不僅要知道某一相控制繞組通電時的矩角特性，而且要知道整個運行過程中各相控制繞組通電狀態(tài)下的矩角特性，即所謂矩角特性族以三相單三拍的通電方式為例，若將 失調(diào)角 θ 的坐標軸統(tǒng)一取在 A 相磁極的軸線上，顯然 A 相通電時矩角特性如圖 中曲線 A 所示穩(wěn)定平衡點為 O 點 ， B 相通電時轉子轉過 1/3 齒距相當于轉過2π/3 電角度 ,它的穩(wěn) 中曲線 C, 這三條曲線就構成了三相單三拍通電方式時的矩角特性族總之矩角特性族中的每一條曲線依次錯開一個用電角度表示的步矩角 () 同理可得到三相單雙六拍通電方式時的矩角特性族如圖 所示： 山東科技大學學士學位論文 19 圖 三拍時的矩角特性族 圖 六拍時的矩角特性族 步進電機的動態(tài)特性是指步進電動機在運行過程中的特性它直接影響系統(tǒng)工作的可靠性和系統(tǒng)的快速反應。 (2)動穩(wěn)定區(qū) 當 A 相控制繞組通電時矩角特性如圖 中的曲線 A 所示，若步進電動機為理想空載則轉子處于穩(wěn)定平衡點 處，如果將 A 相通電改變?yōu)?B 相通山東科技大學學士學位論文 20 電，那么矩角特性應向前移動一個步距角 變?yōu)榍€ B， 點為新的穩(wěn)定平衡點 。 對應它的靜穩(wěn)定區(qū)為，（ π+ ） θ (π+ )， 即改變通電狀態(tài)的瞬間只要轉子在這個區(qū)域內(nèi)就能趨向新的穩(wěn)定平衡位置，因此把后一個通電相的靜穩(wěn)定區(qū)稱為前一個通電相的動穩(wěn)定區(qū)，把初始穩(wěn)定平衡點 與動穩(wěn)定區(qū)的邊界點 A 之間的距離稱為穩(wěn)定裕度，拍數(shù)越多步距 角越小，動穩(wěn)定區(qū)就越接近靜穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定裕度越大，運行的穩(wěn)定性越好轉子從原來的穩(wěn)定平衡點到達新的穩(wěn)定平衡點的時間越短，能夠響應的頻率也就越高 。如圖 所示 : 山東科技大學學士學位論文 21 (a) (a) 圖 最大負載轉矩的確定 如果負載轉矩增大為 ，且 ，如圖 （ b）則初始平衡位置為 點，但在改變通電狀態(tài)的瞬間電機產(chǎn)生電磁轉矩為 ，由于 ，轉 子不能到達新的穩(wěn)定平衡位置點 ，而是向失調(diào)角 θ 減小的方向滑動，電機不能帶動負載作步進運行，這時步進電動機實際上是處于失控狀態(tài)，由此可見只有負載轉矩小于相鄰兩個矩角特性交點 S 所對應的電磁轉矩 才能保證電機正常的步進運行，把 稱為最大負載轉矩也稱為啟動轉矩當然它比最大靜轉矩 可求得啟動轉矩公式 。具體的連接圖如 所 示： PWM8713 芯片介紹如下 PMM8713 是日本三洋電機公司生產(chǎn)的步進電機脈沖分配器。 PMM8713 在控制二相或四相步進電機時都可選擇三種勵磁方式 (1 相勵磁， 2 相勵磁， 3相勵磁三種勵磁方式之一 )，每相最小的拉電流和灌電流為 20mA，它不但可滿