精華畢業(yè)設計系列推薦：XXXXX步進電機控制系統(tǒng)分析研究與設計

1、畢業(yè)設計（論文）題 目： xxxxx步進電機控制系統(tǒng)分析研究與設計 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 畢業(yè)設計（論文）成績評議專 業(yè)班 級姓 名 學 號 題 目步進電機控制系統(tǒng)設計指 導 教 師 評 閱成績評定： 指導教師： 年 月 日評 閱 教 師 意 見評閱教師： 年 月 日答 辯 小 組 意 見答辯小組負責人： 年 月 日 中 文 摘 要1、步進電機概述列出了步進電機的特點、技術參數(shù)和分類，并闡述了詳細調速原理。2、方案的論證 確定了步進電機的控制方法、驅動方式、驅動電路以及基本方案。3、硬件電路的設計 對單片機、步進電機、驅動電路、顯示電路與鍵盤、反饋電路進行了選擇，

2、并設計了電源電路、抗干擾及看門狗電路。4、軟件的設計 對顯示子程序、鍵盤子程序、驅動程序流程進行了設計，并繪制了正反轉程序流程圖。5、總結關鍵詞：步進電機單片機調速系統(tǒng)目 錄前 言-05第一章 步進電機概述-061.1 步進電機的特點-061.2 步進電機的技術參數(shù)-071.2.1步進電機的基本參數(shù)-071.2.2步進電機動態(tài)指標及術語-081.3步進電機的分類-101.4步進電機詳細調速原理-12第二章 方案的論證-142.1控制方式的確定-142.2驅動方式的確定-162.3驅動電路的選擇-172.4基本方案的確定-18第三章 硬件電路的設計-203.1單片機的選擇-203.1.1單片機的

3、選擇-203.1.2主要特性-223.2步進電機的選擇-233.2.1三相單三拍通電方式-243.2.2三相雙三拍通電方式-253.3驅動電路的選擇-293.4顯示電路與鍵盤的選擇-313.5反饋電路的選擇-34第四章 軟件的設計-374.1顯示子程序的設計-374.2鍵盤子程序的設計-374.3驅動程序流程的設計-384.4正反轉程序流程圖-394.4.1正反轉程序流程圖-394.4.2轉速快慢程序流程圖-404.4.3定時中斷流程圖-41五 總結-42前 言步進電機最早是在1920年由英國人所開發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進電機上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經過不

4、斷改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解性能、高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。在生產過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（vr）、永磁式步進電機（pm）、混合式步進電機（hb）和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進

5、角一般為7.5度 或15度；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅動方案所選用的步進電機。第一章 步進電機概述1.1步進電機的特點：1） 一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。2） 步進電機外表允許的溫度高。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表

6、允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3）步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4）步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情

7、況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。 tc * mergeformat 1.2步進電機的工作原理：步進電機是一種用電脈沖進行控制 ,將電脈沖信號轉換成相位移的電機 ,其機械位移和轉速分別與輸入電機繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率成正比 ,每一個脈沖信號可使步進電機旋轉一個固定的角度.脈沖的數(shù)量決定了旋轉的總角度 ,脈沖的頻率決定了電機運轉的速度.當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制

8、脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。1.2步進電機的技術參數(shù)：1.2.1步進電機的基本參數(shù) 1)空載啟動頻率:即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。2)電機固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86byg250a型電機給出的值

9、為0.9/1.8（表示半步工作時為0.9、整步工作時為1.8），這個步距角可以稱之為電機 固有步距角， 它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。3)步進電機的相數(shù)： 是指電機內部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9/1.8、三相的 為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。4)保持轉矩（holding torque）：是指步

10、進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力 矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2n.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2n.m的步進電機。 tc * mergeformat 1.2.2步進電機動態(tài)指標及術語：1）步距角精度： 步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同， 四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。 2)失步： 電機運轉

11、時運轉的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 3)失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。 4)最大空載起動頻率： 電機在某種驅動形式、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。 5)最大空載的運行頻率：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。 6)運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩特 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)。如下 圖1-1所示：圖2-1 力矩頻率曲線7)電機的共振點： 步進電機均有固定的共振區(qū)域，二

12、、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，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，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。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)流）平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。如下圖1-2所示：圖2-2 力矩頻率特性曲線其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為

13、負載的最大速度點。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。1.3步進電機的分類 1)反應式步進電機（variable reluctance，簡稱 vr）反應式步進電機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應式步進電機有單段式和多段式兩種類型。 2)永磁式步進電機（permanent magnet），簡稱 pm永磁式步進電機的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。轉子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步進角比較大，它輸出轉矩大，動態(tài)性能好，消耗功率?。ㄏ啾确磻剑?，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電。 3)

14、混合式步進電機（hybrid，簡稱 hb） 混合式步進電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，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。因永磁體的存在，該電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)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅動用的交流同步機設計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能夠開環(huán)運行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領域中得到廣泛應用。 步進電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有三

15、個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。0、1/3、2/3,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以表示），即a與齒1相對齊，b與齒2向右錯開1/3，c與齒3向右錯開2/3，a與齒5相對齊，（a就是a，齒5就是齒1）下面是定轉子的展開如圖1-3所示：圖2-3 定子展開圖電動機定子鐵心和一般電機一樣由硅鋼片疊成，鐵心內孔表面有開口槽。轉子裝有一個軸向磁化永磁體用以產生一個單向磁場。永磁體產生的磁通，在每一個氣隙圓周上都是單方向通過氣隙的，這時作用在氣隙中的磁勢是同極性的，稱為單極磁勢。而轉子包括兩段，一段經永磁體磁化成n 極，另一段磁化為s 極，每段轉子齒以一個齒距間隔均勻分布，但兩段轉子的齒

16、相互錯開1/2 個轉子齒距。1.4 步進電機詳細調速原理：步進電機的調速一般是改變輸入步進電機的脈沖的頻率來實現(xiàn)步進電機的調速，因為步進電機每給一個脈沖就轉動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進電機的一個脈沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步進角來改變電機的轉速，從而實現(xiàn)步進電的調速。具體的延時時間可以通過軟件來實現(xiàn)。這就需要采用單片機對步進電機進行加減速控制,實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔,單片機控制步進電機加減法運轉可實現(xiàn)的方法有軟件和硬件兩種 ,軟件方法指的是依靠延時程序來改變脈沖輸出的頻率,其中延時的長短是動態(tài)的,軟件法在電機控制中, 要不停地產生控制脈

17、沖, 占用了大量的cpu 時間,使單片機無法同時進行其他工作;硬件方法是依靠單片機內部的定時器來實現(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速方法。第二章 方案的論證2.1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。系統(tǒng)可用兩種辦法實現(xiàn)步進電機的速度控制。一種是延時，一種是定時。延時方法是在每次換向之后調用一

18、個延時子程序，待延時結束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復始就可發(fā)出一定頻率的cp脈沖或換向周期。延時子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)，調用不同的子程序可以實現(xiàn)不同速度的運行。但占用cpu時間長，不能在運行時處理其他工作。因此只適合較簡單的控制過程。定時方法是利用單片機系統(tǒng)中的定時器定時功能產生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出cp脈沖的周期。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，定時器產生中斷，系統(tǒng)轉去執(zhí)行定時中斷子程序。將電機換向子程序放在定時中斷服務程序中，定時中斷一次，電機換向

19、一次，從而實現(xiàn)電機的速度控制。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{整。調整的重裝初值主要考慮兩個因素一是中斷響應所需的時間。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。綜合這兩個因素后，重裝計數(shù)初值的修正量取8個機器周期，即要使定時時間縮短8個機器周期。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。在控制過程中，采用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。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

20、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。但是，在某些應用中，需要更多的可靠性、安全性或產品質量的保證，因此，閉環(huán)控制也是一種選擇.以下是一些實現(xiàn)步進電機閉環(huán)控制的方法：1) 步進確認，這是最簡單的位移控制，使用一個低值的光學編碼器計算步進移動的數(shù)量。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）

21、信號，測量和控制速度。當反電動勢電壓降至監(jiān)測探測水平時，閉環(huán)控制轉為標準開環(huán)，完成最終的位移移動；3）全伺服控制，指全時間的使用反饋設備，用于步進電機-編碼器、解碼器、或其它反饋傳感器上，從而更為精確地控制步進電機位移和轉矩。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。這里，步進驅動監(jiān)控和測量電機線圈，使用電壓額電流信息提高步進電機控制。正阻尼使用這一信息阻擋振動的速度，產生更多的可用的轉矩輸出，降低轉矩的機械振動損耗。無編碼器安裝監(jiān)測采用信息檢測同步速度的損耗。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

22、確度要求的運動應用的方法。 大多數(shù)基于步進電機的系統(tǒng)，一般都運行在開環(huán)狀態(tài)下，這樣可提供一個低成本的方案。 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。但是，當步進電機在開環(huán)時運行，在命令步幅和實際步幅之間會有同步損耗的可能。 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、安全性或產品質量。在這些步進系統(tǒng)中，反饋設備或間接參數(shù)傳感方法的閉環(huán)能進行校正或控制失步、監(jiān)測電機停滯，以及確保更大的可用轉矩輸出。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。然而，開環(huán)操作會有失步的風險，這將產生定位失誤。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

23、成本更低。故選擇閉環(huán)控制。2.2 驅動方式的確定并于步進電機的驅動一般有兩種方法，一種是通過cpu直接來驅動，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來間接驅動，就是把從cpu輸出的信號進行放大，然后直接驅動或是再通過光電隔離間接來驅動步進電機，這種方法比較安全可靠。固本次設計應采用cpu間接驅動步進電機。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節(jié)；別一種是通過光同軸的電編碼器把步進

24、電機的轉速反饋回來對步進電機進行調節(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。固一般采用后者，用光電騙碼器作為反饋元件。2.3 驅動電路的選擇步進電機的驅動電機有多種，但最為常用的就是單電壓驅動、雙電壓驅動、斬波驅動、細分控制驅動等。單電壓驅動是步進電機控制中最為簡單的一種驅動電路，它在本質上是一個單間的反相器。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。它的外接電阻r要消耗相當一部分的熱量，這樣就會影響電路的穩(wěn)定性所以此種驅動方式一般只用在小功率的步進電機的驅動電路中。雙電壓驅動是電路一般采用兩種電源電壓來驅動，因這兩個電源分別是一個為高壓一個為低壓

25、，因此也稱為高低壓驅動電路。雙電壓驅動電路的缺點是在高低壓連接處電流出現(xiàn)谷點，這樣必然引起力矩在谷點處下降。不宜于電機的正常運行。對于斬波電路驅動則可以克服這種缺點，并且還可以提高步進電機的效率。所以從提高效率來看這是一種很好的驅動電路，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)。但由于其波形頂部呈現(xiàn)鋸齒形波動，所以會產生較大的電磁噪聲。細分驅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。細分控制的電路一般分為兩類，一類是采用線性模擬功率放大器的方法獲得階梯形電流，

26、這種方法簡單，但效率低。別一種是用單片機采用數(shù)子脈寬調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。但因本次設計對步進電機的精度要求比較高轉速的調節(jié)范圍比較廣，固應選用驅動芯片8713來驅動，并通過軟件來實現(xiàn)步進電機的調速。2.4 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。選取用8279來驅動顯示和鍵盤。選用8713作為步進電機的驅動芯片并通過光電耦合來驅動步進電機。然后由于步進電機同軸的光電編碼器作為反饋元件，并把反饋回的信號經cpu處理后再由顯示器顯示出來。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

27、排來顯示給定的轉速一排來顯示實際的轉速。系統(tǒng)原理框圖如3-1所示： 8279at89c51鍵盤顯示器8713光電耦合三相步進電機光電編碼器圖3-1 系統(tǒng)原理框圖第三章 硬件電路的設計3.1 單片機的選擇 本次設計以cpu選用89c5l作為步進電機的控制芯片89c51的結構簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上使用方便等優(yōu)點，而且完全兼容mcs5l系列單片機的所有功能。at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。

28、該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。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3.1.1單片機的引腳功能:1）vcc（40）：電源+5v。2）vss（20）：接地，也就是gnd。3）xtl1（19）和xtl2（18）：振蕩電路。 單片機是一種時序電路，必須有脈沖信號才能工作，在它的內部有一個時鐘產生電路，有兩種振蕩方式，一種是內部振蕩方式，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

29、加外部時鐘信號（詳細的內容將在以后的課程中專門介紹）。4）psen（29）：片外rom選通信號，低電平有效。5）ale/prog（30）：地址鎖存信號輸出端/eprom編程脈沖輸入端。6）rst/vpd（9）：復位信號輸入端/備用電源輸入端。7）ea/vpp（31）：內/外部rom選擇端8）p0口（39-32）：雙向i/o口。9p1口（1-8）：準雙向通用i/0口。9）p2口（21-28）：準雙向i/0口。原理圖如4-1所示：圖3-1 at89c51的引腳圖3.1.2 主要特性： 與mcs-51 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：0hz-24hz

30、三級程序存儲器鎖定、128*8位內部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、片內振蕩器和時鐘電路 1) 振蕩器特性：xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，xtal2應不接。有余輸入至內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。2) 芯片擦除：整個perom陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ale管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代

31、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。此外，at89c51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，cpu停止工作。但ram定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存ram的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。3.2 步進電機的選擇 因本次設計的要求，步進電機的應選用三相三拍的步進電機，關于步進電機的具體說明如下；反應式步進電動機是利用凸極轉子交軸磁阻與直軸磁阻之差所產生的反應轉矩而轉動的所以也稱為磁阻式步進電動機現(xiàn)以一個最簡單的三相反應式步進電動機為例說明其工作原理

32、.圖4-2是一臺三相反應式步進電動機的原理圖定子鐵芯為凸極式共有三對六個磁極每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組轉子用軟磁性材料制成也是凸極結構只有四個齒齒寬等于定子的極靴寬下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理.圖3-2 三相反應式步進電機3.2.1 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4-4 (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,使轉子齒2,4 的軸線與定子b 相極軸線對齊,即轉

33、子走了一步,如圖4-4(b)所示, 若再斷開b相,使c相控制繞組通電,轉子又轉過30 使轉子齒1,3 的軸線與定子c相極軸線對齊,如圖4-4(c)所示.如此按a-bc-a 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a-c-b-a 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一拍,三拍是指經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.三相單三拍運行時的步距角為30度

34、.其原理圖如3-2所示:圖3-2-1定轉子展開圖（a相繞組通電）3.2.2 三相雙三拍通電方式 控制繞組的通電方式為ab-bc-ca-ab 或ab-ca-bc-ab 每拍同時有兩相繞組通電三拍為一個循環(huán)，當a b 兩相控制繞組同時通電時轉子齒的位置應同時考慮到兩對定子極的作用，只有a 相極和b 相極對轉子齒所產生的磁拉力相平衡才是轉子的平衡位置如4-2-2 b 所示，可見雙三拍運行時的步距角仍是30,但雙三拍運行時每一拍總有一相繞組持續(xù)通電，例如由a b 兩相通電變?yōu)閎 c 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。即

35、起到一定的電磁阻尼作用所以電機工作比較平穩(wěn)，而在三相單三拍運行時由于沒有這種阻尼作用，所以轉子達到新的平衡位置容易產生振蕩穩(wěn)定性不如雙三拍運行方式。三相雙三拍運行方式ab相與bc相導通的結構如圖3-2-2所示： (a)ab 相導通 (b)bc 相導通 圖3-2-2 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，若將失調角的坐標軸統(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4-3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

36、相當于轉過2/3 電角度,它的穩(wěn)4-3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 * mergeformat * mergeformat * mergeformat (3-1)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。1)單步運行狀態(tài)單步運行狀態(tài)是指步進電動機在一相或多相控制繞組通電狀態(tài)下僅改變一次通電狀態(tài)時的運行方式.2)動穩(wěn)定區(qū)當a 相控制繞組通電時矩角特性如圖1-12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* mergeformat 處，

37、如果將a相通電改變?yōu)閎相通電，那么矩角特性應向前移動一個步距角* mergeformat 變?yōu)榍€b，* mergeformat 點為新的穩(wěn)定平衡點由于在改變通電狀態(tài)的初瞬轉子位置來不及改變還處于=0的位置，對應的電磁轉矩卻由o 突變?yōu)榍? mergeformat 線b上的c 點，電機在該轉矩的作用下轉子向新的穩(wěn)定平衡位置，移動直至到達* mergeformat 點為止對應它的靜穩(wěn)定區(qū)為止，（-+ * mergeformat ） (+ * mergeformat )， 即改變通電狀態(tài)的瞬間只要轉子在這個區(qū)域內就能趨向新的穩(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

38、始穩(wěn)定平衡點oa 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. 3)最大負載能力步進電動機帶恒定負載時負載轉矩為* mergeformat ，* mergeformat 若a 相控制繞組通電則轉子的穩(wěn)定平衡位置為圖1-13 a中曲線a 上的* mergeformat 點，這一點的電磁轉矩正好與負載轉矩相平衡，當輸入一個控制脈沖信號通電狀態(tài)由a相改變?yōu)閎 相，矩角特性變?yōu)榍€b 在改變通電狀態(tài)的瞬間電機產生的電磁轉矩* mergeformat 大

39、于負載轉矩* mergeformat ，電機在該轉矩的作用下轉過一個步距角到達新的穩(wěn)定平衡點ob，如圖3-6所示:最大負載轉矩的確定 mergeformat mergeformat mergeformat mergeformat 如果負載轉矩增大為* mergeformat ，且* mergeformat ，如圖3-14（b）則初始平衡位置為* mergeformat 點，但在改變通電狀態(tài)的瞬間電機產生電磁轉矩為* mergeformat ，由于* mergeformat ，轉子不能到達新的穩(wěn)定平衡位置點* mergeformat ，而是向失調角減小的方向滑動，電機不能帶動負載作步進運行，這時

40、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* mergeformat 才能保證電機正常的步進運行，把* mergeformat 稱為最大負載轉矩也稱為啟動轉矩當然它比最大靜轉矩* mergeformat 可求得啟動轉矩公式3-2-1。tst=tmaxsin()=tmaxcos * mergeformat (3-2-1)3.3驅動電路的選擇 因從cpu輸出的脈沖信號特別小，固應先經過pwm8713脈沖分配器對脈沖進行分配并經過放大然后再經過光耦驅動來驅動步進進電機。具體的連接圖如4-3-1所示： 圖3-3-1 步進電機驅動電路圖pwm8713

41、芯片介紹如下；pmm8713是日本三洋電機公司生產的步進電機脈沖分配器。該器件采用dip 16封裝，適用于二相或四相步進電機。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，它不但可滿足后級功率放大器的要求，而且在所有輸人端上均內嵌有施密特觸發(fā)電路，抗干擾能力很強，其原理框圖如圖1所示，表1所列是pmm8713的引腳功能。在pmm8713的內部電路中，時鐘選通部分用于設定步進電機的正反轉脈沖輸入法。pmm8713有兩種脈沖輸人法:雙脈沖輸人法和單脈沖輸人法。采用雙脈沖輸人法的連線方式如圖4-3-2

42、(a)所示，其中cpi ca兩端分別輸人步進電機正反轉的控制脈沖。當采用單脈沖輸人法時，其連線方式如圖2所示； pmm8713引腳概要pmm8713 功能介紹pmm8713 是專用的步進電機的步進脈沖產生芯片,它適用于三相和四相步進電機。如圖1 所示pmm8713 的引腳,cu 為加脈沖輸入端,它使步進電機正轉,cp 為減脈沖輸入端,它使步進電機反轉,ck為脈沖輸入端,當脈沖加入此引腳時,cu 和cp 應接地,正反轉由u/ d 的電平控制,ea 和eb 用來選擇勵磁方式的,可以選擇的方式有一相勵磁、二相勵磁和一二相勵磁,c 用來選擇三、四相步進電機,vss 為芯片工作地,r 為芯片復位端,41

43、 為四相步進脈沖輸出端,31 為三相步進脈沖輸出端,em 為勵磁監(jiān)視端,co 為輸入脈沖監(jiān)視端,vdd為芯片的工作電源( + 4 + 18v).3.4 顯示電路與鍵盤的選擇 顯示電路的用8279芯片來驅動，8279芯片分別接兩排顯示器，每排為4位顯示，分別用來顯示步進電機的實際轉速與給定轉速。8279芯片的具體介紹如下；1) db0db7：雙向數(shù)據(jù)總線。在cpu于827數(shù)據(jù)與命令的傳送。2) clk：8279的系統(tǒng)時鐘，100khz為最佳選擇。3) reset：復位輸入線，高電平有效。當 reset 輸入端出現(xiàn)高電平時，8279被初始復位。4) /cs：片選信號。低電平使能，使能時可將命令寫入

44、8279或讀取8279的數(shù)據(jù)。5) a0：用于區(qū)分信息的特性。當a0=1時，cpu向8279寫入命令或讀取8279的狀態(tài)；當a0為0時，讀寫一數(shù)據(jù)。6) /rd：讀取控制線。/rd=0,8279會送數(shù)據(jù)至外部總線。7) /wr：寫入控制線。/wr=0,8279會從外部總線捕捉數(shù)據(jù)。8) irq：中斷請求輸出線，高電平有效。當fifo ram 緩沖器中存有鍵盤上閉合鍵的鍵碼時，irq線升高，向cpu請求中斷，當cpu將緩沖器中的輸入鍵數(shù)的數(shù)據(jù)全部讀取時，中斷請求線下降為低電平。9) l0sl3：掃描輸出線，用于對鍵盤顯示器掃 描。可以是編碼模式（16對1）或譯碼模式（4對1）。10) rl7：反

45、饋輸入線，由內部拉高電阻拉成高電平，也可由鍵盤上按鍵拉成低電平。11) ft、cntl/stb ：控制鍵輸入線，由內部拉高電 阻拉成高電平，也可由外部控制按鍵拉成低電平。12) tb03、outa03：顯示段數(shù)據(jù)輸出線，可分別作為兩個半字節(jié)輸出，也可作為8位段數(shù)據(jù)輸出口，此時outb0為最低位， outa3位最高位。13) 消隱輸出線，低電平有效。當顯示器切換時或使用消隱命令時，將顯示消隱。具體芯片理框圖如4-4-1所示：圖3-4-1 8279的引腳圖鍵盤的連接一般有兩種方式，一種是獨立式鍵盤；一種是行列式鍵盤。獨立式鍵盤就是各個鍵相互獨立，每個鍵盤接一根輸入線，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)來確定

46、那個鍵按下。這種鍵盤的輸入線較多，結構復雜，一般適用于按鍵較少操作速度較高的場合。而行列式鍵盤是由行和列線交義組成，一般用于按鍵較多的場合。本次設計一共用9個鍵因此采用行列式鍵盤。具體的原理圖如3-4-2所示:圖3-4-2 鍵盤連接圖顯示電路的選擇顯示電路選用兩排led顯示，每排分別為四位。能滿足設計的要求，轉速范圍為0至1000。led顯示電路有兩種接法，一種為共陰極，一種為共陽極。原理圖如3-14所示: 圖314顯示器接線圖3.5 反饋電路的選擇應選用光電編碼器作為反饋元件，光電編碼器與步進電機是同軸的輸出經過放大送到計算機。并通過顯示器顯示出步進電機的實際轉速。關于光電編碼器的說明如下；

47、光電編碼器，是一種通過光電轉換將位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖1所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉速。圖3-5-1 光電編碼器的原理圖根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。本次設計用絕對式編碼器其原理如下：絕對編碼器是直接輸出

48、數(shù)字量的傳感器，它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心磁道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件；當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉換出相應的電平信號，形成二進制數(shù)。這種編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 n位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有n條碼道。目前國內已有16位的絕對編碼器產品。絕對式編碼器是利用自然二進制或循環(huán)二進制（格雷碼）方式進行光電轉換的。絕對式編碼器與增量式

49、編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設計可采用二進制碼、循環(huán)碼、二進制補碼等。它的特點如下：1) 可以直接讀出角度坐標的絕對值；2) 沒有累積誤差；3) 電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。第四章 軟件的設計開 始8279初始化設置顯示數(shù)據(jù)區(qū)首址設置位選字輸出位選字讀顯示數(shù)據(jù)查段選碼輸出段選碼顯示完8位數(shù)據(jù)否返回改變位選字延時1ms讀顯示數(shù)據(jù)4.1 顯示子程序的設計圖4-1-1 顯示程序流程圖4.2鍵盤子程序的設計圖4-2-1 鍵盤程序流

50、程圖4.3驅動程序流程的設計：圖4-3-1 主程序流程圖4.4正反轉程序流程圖4.4.1正反轉程序流程圖圖4-4-1 正反轉程序流程圖4.4.2 轉速快慢程序流程圖4-4-2 轉速快慢程序流程圖4.4.3定時中斷流程圖圖4-4-2 中斷子程序流程圖五 總 結通過這兩個多月的畢業(yè)設計，把所學過的各種知識進行了一次全面而系統(tǒng)的綜合，并融會貫通，把所學到的各種理論與思想進行可一次合理的應用，把所查閱到的各種文獻及與設計相關的資料進行了合理的提取與分析，并應用到實際。這不但增強了自己的知識結構，同時對所學過的各種理論知識與專業(yè)知識進行了一次全面的終結。由于不斷的上機操作與實踐，不但加強了自己動手能力，

51、同時對一些計算機軟件的應用有了一定的掌握與理解，并加強了網(wǎng)上學習和查閱資料的能力。步進電機調速系統(tǒng)適用各種現(xiàn)場自動化控制，特別應用于小功率負載的控制；具有成本底，性能穩(wěn)定,可靠性高等優(yōu)點。步進電機作為執(zhí)行元件，在科技的進步中起到了非常重要的作用，而步進電機調速系統(tǒng)可方便地應用與各種自動化控制系統(tǒng)與領域。畢業(yè)設計是對大學所學課程的一個高度的綜合。無論是基礎知識還是專業(yè)知識都被設計統(tǒng)一起來，使零散的知識系統(tǒng)化，形成了一種能力，這也是畢業(yè)設計所要達到的目的。這也為我們走入社會打下一個良好的基礎，為走入社會對知識與理論的應用做了一個好的鋪墊。人生的路是漫長而曲折的，在這漫長而曲折的道路上需要自己的不斷努力與拼搏。作為即將離校的學生，走出校門就站在另一個人生起點上，還有很長的路要走，這必須有足夠的勇氣與自信去迎接挑戰(zhàn)，克服困難，創(chuàng)造奇跡。特別對未來要充滿期盼，充滿希望，要微笑著走人生的每一步?！奥仿湫捱h兮，我將上下而求索”。戀愛運up一緒lets月亭方正！気持今flying get！dou都斗豆逗陡抖痘兜讀蚪竇篼蔸乧侸兠凟剅吺唗投斣枓梪橷毭氀浢瀆瀆瞗窬竇脰艔豆讀逾郖酘酡鈄鋀鈄閗闘阧餖饾斗鬦鬪鬬鬭du讀度毒渡堵獨肚鍍賭睹杜督都犢妒頓蠹篤嘟瀆櫝牘黷髑芏儥凟剢剫匵厾噣土涂妬嬻宅帾斁晵暏樚樞橐櫝殬殰涜瀆牘犢獨琽瓄皾睪秺竇竺笁篤纛荰蝳螙蠧