畢業(yè)設(shè)計（論文）步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路設(shè)計

1、前 言 隨著社會的進(jìn)步和人民生活水平的不斷提高及全球經(jīng)濟(jì)一體化勢不可擋的浪潮，我國微特電機(jī)工業(yè)在最近10年得到了快速的發(fā)展?？焖侔l(fā)展的顯著標(biāo)志是使用領(lǐng)域不斷拓寬，用量大增，特別是在日用消費(fèi)市場和工業(yè)自動化裝置及系統(tǒng)的表現(xiàn)最為明顯。與此同時，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)、新材料以及控制理論和電機(jī)本體技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，用戶對電機(jī)控制的速度、精度和實時性提出了更高的要求，因此作為微特電機(jī)重要分枝的控制電機(jī)也得到了空前的發(fā)展。步進(jìn)電動機(jī)又稱為脈沖電動機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行組件。其功用是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一個脈沖電信號，電動機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度或前進(jìn)一步。步

2、進(jìn)電機(jī)和普通電動機(jī)不同之處是步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號的控制?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)階段，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)獲得最多的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別主要在于其脈沖驅(qū)動的形式，正是這個特點，步進(jìn)電機(jī)可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。不過步進(jìn)電機(jī)在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動機(jī)。在精度不是需要特別高的場合就可以使用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點。使用恰當(dāng)?shù)臅r候，甚至可以和直流伺

3、服電動機(jī)性能相媲美。步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制各個領(lǐng)域：機(jī)器人方面，機(jī)器人的的關(guān)節(jié)驅(qū)動及行進(jìn)的精確控制，需要步進(jìn)電機(jī)；數(shù)控機(jī)床方面，如數(shù)控電火花切割機(jī)床要求刀具精確走步，減小加工件表面的粗糙度的同時提高效率，需要步進(jìn)電機(jī)；辦公自動化方面，如電腦磁盤驅(qū)動器中的磁盤進(jìn)行讀盤操作的精確位置控制，需要步進(jìn)電機(jī)，在打印機(jī)、傳真機(jī)中也需要步進(jìn)電機(jī)對設(shè)備進(jìn)行位置控制。步進(jìn)電動機(jī)是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)常采用的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。這類電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的特點是控制簡單，適合計算機(jī)系統(tǒng)控制要求。步進(jìn)電動機(jī)的細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)較以往的電機(jī)系統(tǒng)，消除了低頻震蕩問題，控制分辨率更高，使其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。1步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展背景1.1國外步進(jìn)

4、電機(jī)的發(fā)展 步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁作用，其原始模型起源于19世紀(jì)中期，1870年開始出現(xiàn)最早的步進(jìn)電動機(jī)。此后，在電話自動交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電動機(jī)，不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨立系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)60年代后期，隨著永磁材料的發(fā)展，各種實用性步進(jìn)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，而半導(dǎo)體材料的發(fā)展則推動了步進(jìn)電機(jī)在眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用。近30年來，步進(jìn)電機(jī)迅速發(fā)展并成熟起來。從發(fā)展趨向來講，步進(jìn)電動機(jī)已經(jīng)能與直流電動機(jī)、異步電動機(jī)及同步電動機(jī)并列，成為電機(jī)的一種基本類型。1.1.1國內(nèi)步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展 我國的步進(jìn)電動機(jī)的研究和制造起始于20世紀(jì)50年代后期。從50年代后期到60年代后期，主要是

5、高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而開發(fā)的少量產(chǎn)品，這些產(chǎn)品以多段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為主。70年代初期，步進(jìn)電動機(jī)的生產(chǎn)和研究有所突破，除了反映在驅(qū)動器設(shè)計方面的長足進(jìn)步外，對反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)本體的設(shè)計研究也發(fā)展到了一個較高的水平。70年代中期到80年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動機(jī)不斷被開發(fā)。自80年代中后期以來，由于對步進(jìn)電動機(jī)精確模型作了大量的研究工作，各種混合式步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器作為產(chǎn)品廣泛應(yīng)用。1.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的發(fā)展1.2.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路也不斷改進(jìn)，發(fā)展了好幾種驅(qū)動方式。一般而言，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式有以下幾種：（1） 單電壓串電

6、阻驅(qū)動單電壓串電阻驅(qū)動器是最早的驅(qū)動器，是實現(xiàn)驅(qū)動器的基本功能的最簡單的電路實現(xiàn)形式。單電壓串電阻驅(qū)動主電路采用單管單端結(jié)構(gòu)，串電阻是為了使繞組導(dǎo)通電流上升的前端變陡，改善高頻的特性。這種驅(qū)動器的主要優(yōu)點是電路簡單，成本低；缺點是運(yùn)行效率低，電阻能量消耗大，電阻發(fā)熱還會影響整個系統(tǒng)的工作條件。（2）雙電壓驅(qū)動雙電壓驅(qū)動的基本思想是在較低的頻率段用較低的電壓驅(qū)動，而在高頻段時用較高的電壓驅(qū)動，其主電路采用的是雙管雙端驅(qū)動結(jié)構(gòu)。繞組中串聯(lián)電阻比不可少，驅(qū)動器存在較嚴(yán)重的發(fā)熱問題。轉(zhuǎn)換頻率將整個頻域分成兩段，特性不連續(xù)，在低于、接近轉(zhuǎn)換頻率時輸出特性下降較大。（3）高低壓驅(qū)動基本思想是在導(dǎo)通相的前沿

7、用高電壓驅(qū)動提高繞組導(dǎo)通電流的前沿，而在沿過后用低壓驅(qū)動維持繞組電流。主電路采用雙管雙端結(jié)構(gòu)。繞組中不需限流電阻，不存在電阻的發(fā)熱問題。優(yōu)點是電機(jī)相繞組在很寬的頻域都保持很大的平均電流，截止時瀉放迅速，擴(kuò)大了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻域；缺點是低頻運(yùn)行時，繞組的上沖電流比較大，電機(jī)的低頻域運(yùn)行不平穩(wěn)，噪聲較大。（4）斬波恒流驅(qū)動主回路由高壓晶體管、電機(jī)繞組和低壓晶體管串聯(lián)組成，逆變橋可以是多相h半橋結(jié)構(gòu)，也可以是h橋。這類驅(qū)動器的優(yōu)點是單步響應(yīng)過沖量小，能夠抑制低頻振蕩，運(yùn)行頻域?qū)挘蝗秉c是慣性濾波環(huán)節(jié)影響了系統(tǒng)的動態(tài)特性。（5） 細(xì)分驅(qū)動 細(xì)分驅(qū)動也稱為微步驅(qū)動。即：將一個步距角細(xì)分成若干個步的驅(qū)動方法

8、。細(xì)分驅(qū)動是美國學(xué)者在七十年代中期首次提出，它是建立在步進(jìn)電機(jī)的各相繞組理想對稱和距角特性嚴(yán)格正旋的基礎(chǔ)上的，通過控制電動機(jī)各相繞組中電流的大小和比例，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一。細(xì)分驅(qū)動的基本思想是在每次輸入脈沖時，不是將相繞組電流全部通入或者切除，而是只是改變相應(yīng)繞組中額定電流的一部分，這樣，電動機(jī)的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分，轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行角度也只有步距角的一部分。利用電流控制技術(shù)可以有效的實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動。細(xì)分驅(qū)動器有效抑制了步進(jìn)電機(jī)低頻運(yùn)行震蕩，控制精度很高，是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的發(fā)展方向。1.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器國內(nèi)、外的研究 細(xì)分驅(qū)動電路雖然可以使步距角減小到原來

9、整部運(yùn)行角的幾分之一至幾十分之一，實際由于加工誤差致使細(xì)分后的步距角精度并不高，但細(xì)分驅(qū)動能極大地改善步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。 近幾年來，由于集成電子技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分電路獲得了廣泛應(yīng)用。 國外對步進(jìn)電機(jī)的研究一直很活躍。目前，國外對步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動的一個重要發(fā)展方向是大量采用專用芯片。結(jié)果大大縮小了驅(qū)動器的體積，明顯提高了整體性能，比較典型的芯片有兩類：一類芯片的核心是用硬件和微程序來保證步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)合理的加減速過程，同時完成計長走步，正反轉(zhuǎn)等。對于開環(huán)使用的步進(jìn)電機(jī)，實現(xiàn)合理的加減速過程便可使其達(dá)到較高的運(yùn)行頻率而不失步或過沖。另一類芯片的核心是實現(xiàn)細(xì)分技術(shù)。

10、近年來， 國外許多廠商相繼推出了多種步進(jìn)電機(jī)控制與驅(qū)動芯片和多種不同功率等級的功率模塊。僅由幾個專用芯片和一個功率模塊便可構(gòu)成一個功能齊全、性能優(yōu)異的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。我國由于微電子技術(shù)、集成電路加工技術(shù)、電力電子技術(shù)水平的限制，目前情況下暫不能實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)專用集成驅(qū)動芯片的設(shè)計和生產(chǎn)，所以，用集成加分立元件開發(fā)出適合我國國情的高性能驅(qū)動器是一個比較現(xiàn)實的做法。12 步進(jìn)電機(jī)原理現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)階段，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)獲得最多的應(yīng)用。

11、2.1 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)基本上是由步距角的要求所決定，但是為了能實現(xiàn)“自動錯位”，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)必須滿足一定的條件，而不能是任意數(shù)值。當(dāng)定子的相鄰極為相鄰相時，在某一極下若定、轉(zhuǎn)子的齒對齊時，則要求在相鄰極下的定、轉(zhuǎn)子齒之間應(yīng)錯開轉(zhuǎn)子齒距的1/m倍，即它們之間在空間位置上錯開360/ m角。由此可得出這時轉(zhuǎn)子齒數(shù)應(yīng)符合下式條件 (2.1)式中 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的定子極對數(shù)； m電機(jī)的相數(shù)； k正整數(shù)圖2.1 三相步進(jìn)電動機(jī)的展開圖figure 2.1 three-phase stepping motor launch figure從圖2.1給出的步進(jìn)電動機(jī)定、轉(zhuǎn)

12、子展開圖中可以看出：當(dāng)a極面下的定、轉(zhuǎn)子齒對齊時，b極和c極極面下的齒就分別和轉(zhuǎn)子齒相錯三分之一的轉(zhuǎn)子齒距，即3。 從圖2.1中可以看到，若斷開a相控制繞組而由b相控制繞組通電，這時電機(jī)中產(chǎn)生沿b極軸線方向的磁場。同理，在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子按順時針方向轉(zhuǎn)過3使定子b極面下的齒和輪子齒對齊，相應(yīng)定子a極和c極面下的齒又分別和轉(zhuǎn)子齒相錯三分之一的轉(zhuǎn)子齒距，依此，當(dāng)控制繞組按a-b-c-a順序循環(huán)通電。 轉(zhuǎn)子就沿順時針力向以每拍轉(zhuǎn)過3的方式轉(zhuǎn)動。若改變通電順序，即按a-c-b-a順序循序通電，轉(zhuǎn)子便沿逆時針方向同樣以每拍轉(zhuǎn)過3的方式轉(zhuǎn)動。此時為單三拍通電方式運(yùn)行。采用三相單雙六拍通電方式運(yùn)行，即

13、按a-ab-b-bc-c-ca-a順序循環(huán)通電，步距角也減小一半，即每拍轉(zhuǎn)子僅轉(zhuǎn)過1.5。由以上分析可知，步進(jìn)電動機(jī)的步距角的大小足由轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、控制繞組的相數(shù)和通電方式所決定，它們之間存在以下關(guān)系 （2.2）式中通電狀態(tài)系數(shù)，當(dāng)采用單拍或雙拍方式時，c1；而采用單、雙拍方式時，c2。若步進(jìn)電動機(jī)通電的脈沖頻率為(即每秒的拍數(shù)或每秒的步數(shù))， 則步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為 （2.3）反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)是利用磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的，是我國目前使用最廣泛的步進(jìn)電動機(jī)型式。同一臺步進(jìn)電動機(jī)，因通電方式不同，運(yùn)行時的步距角也是不同的。采用單雙拍通電方式時，步距角要比單拍通電方式時減小一半。在實際使用中，單三拍通電

14、方式由于在切換時一相控制繞組斷電而另一相控制繞組開始斷電容易造成失步，此外，由單一控制繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，也容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，故運(yùn)行的穩(wěn)定性較差，所以很少采用。通常將它改為“雙三拍”通電方式。步進(jìn)電動機(jī)除了做成三相外，也可以做成三相、四相、五相、六相或更多的相數(shù)。由式（2.2）可知，電機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，則步距角就越小，從式(2.3)又可知這種電機(jī)在脈沖頻率定時轉(zhuǎn)速也越低。但電機(jī)相數(shù)越多，相應(yīng)電源就越復(fù)雜，造價也越高。所以，步進(jìn)電動機(jī)一般最多做到六相，只有個別電機(jī)才做成更多相數(shù)的。2.2 矩角特性在不改變通電狀態(tài)，即控制繞組電流不變時，步進(jìn)電動機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子失調(diào)角的關(guān)系稱為

15、矩角特性。靜轉(zhuǎn)矩的正方向取增大的方向，如圖2.2所示。當(dāng)一相通電，該極下定、轉(zhuǎn)子齒正好對齊，即0時，靜轉(zhuǎn)矩t0；轉(zhuǎn)子齒正對定子槽間，即時靜轉(zhuǎn)矩t=0。當(dāng)0時，t為負(fù)值；0 t0 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩可由電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理得出，靜轉(zhuǎn)矩的值可根據(jù)磁場儲能求出。若不計電機(jī)磁路鐵心部分磁場能變化的影響，一個定子磁極下氣隙部分的磁共能與磁場儲能w相等。為 = (2.4)當(dāng)控制繞組電流i不變時，靜轉(zhuǎn)矩為 (2.5)式中電機(jī)轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角。也可以看成是定、轉(zhuǎn)子齒中心線之間的夾角，用失調(diào)角來表示。則 ，為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；將式（2.4）代入式(2.5)，并考慮到每相控制繞組是安放在相對的兩個定子磁極下時，則

16、(2.6)電感 (2.7)式中 每極控制繞組的匝數(shù)； 定子每極氣隙的磁導(dǎo)。將以上關(guān)系代入后，可得 （2.8）又每極控制繞組的磁勢為。若忽略定、轉(zhuǎn)子鐵心中的磁位降，磁勢即可認(rèn)為是電機(jī)單邊氣隙的磁勢，則。將它代入式(2.6)可得 （2.9）步進(jìn)電動機(jī)中氣隙磁導(dǎo)可用氣隙比磁導(dǎo)來表示。是指電機(jī)單位鐵心長度上一個齒距內(nèi)定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁導(dǎo)，則 （2.10）式中定子每極的齒數(shù)；電機(jī)鐵心長度將式（2.10）代入式（2.9）后，可得 （2.11）氣隙比磁導(dǎo)的大小和齒形、齒寬與齒距的比值，氣隙與齒距的比值，以及齒部的飽和度有關(guān)。靜轉(zhuǎn)矩計算值的準(zhǔn)確程度由值的準(zhǔn)確程度決定。通?？蓪庀侗却艑?dǎo)以傅里葉級數(shù)來表示，即

17、 （2.12） 式中 氣隙比磁導(dǎo)的平均值；氣隙比磁導(dǎo)中次諧波的幅值。其中，及可從有關(guān)文獻(xiàn)中查得。若略去氣隙比磁導(dǎo)中高次諧波的影響，則式（2.12）可表示為 而 （2.13）式中氣隙比磁導(dǎo)的最大值，即時的氣隙比磁導(dǎo)值； 氣隙比磁導(dǎo)的最小值，即時的氣隙比磁導(dǎo)值。將式（2.12）代入式（2.11）可得出 （2.14） 式(2.14)表示了步進(jìn)電動機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系，即矩角特性，如圖2.3所示。理想的矩角特性是個正弦波形。 圖2.3 步進(jìn)電動機(jī)的矩角特性figure 2.3 stepping motor torque angle characteristics 由步進(jìn)電動機(jī)的矩角特性可知,在靜轉(zhuǎn)

18、矩的作用下，轉(zhuǎn)子有一定的穩(wěn)定平衡位置。若電動機(jī)空載，則穩(wěn)定平衡位置對應(yīng)于處。而處則為不穩(wěn)定平衡位置。在靜態(tài)情況下，如受外力矩的作用使轉(zhuǎn)子偏離它的穩(wěn)定平衡位置，但沒有超出相鄰的不穩(wěn)定平衡點。則在外力矩除去以后，電動機(jī)轉(zhuǎn)子在靜轉(zhuǎn)矩作用下仍能回到原來的穩(wěn)定平衡位置。所以二個不穩(wěn)定平衡點之間的區(qū)域構(gòu)成靜穩(wěn)定區(qū)，即，如圖2.3所示。2.3 連續(xù)脈沖運(yùn)行步進(jìn)電動機(jī)實際運(yùn)行時。外加脈沖頻率在很大范圍內(nèi)變動。根據(jù)電動機(jī)運(yùn)行性能的不同，可大致分為三個頻率區(qū)段。第一是極低頻段，它是指這樣的頻率，即每一脈沖的間隔時間長到足夠使轉(zhuǎn)子的振蕩過程完全來得及衰減，轉(zhuǎn)子可以處于新的穩(wěn)定平衡位置。這種情況下，電動機(jī)的運(yùn)行與加單

19、脈沖時沒有什么區(qū)別，它總是能穩(wěn)定運(yùn)行。第二是高頻段。它是指外加脈沖頻率大于（起動頻率）的頻段。這時外加脈沖的間隔時間小于自由振蕩周期的1/4、即加第一個脈沖后，電動機(jī)轉(zhuǎn)子不僅沒有出現(xiàn)振蕩過程，而且還沒有來得及達(dá)到新的穩(wěn)定平衡點，第二個脈沖就緊接著加上去。第三是低頻段，它是指極低頻與高頻之間的頻段。（1） 起動頻率步進(jìn)電動機(jī)的起動頻率是指它在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步地起動的脈沖最高頻率。它又可分為空載和負(fù)載兩種情況。它的大小與電動機(jī)本身的參數(shù)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)動慣量的大小，以及電源條件等因素有關(guān)。它是步進(jìn)電動機(jī)的一項重要技術(shù)指標(biāo)。對于步進(jìn)電動機(jī)起動時的物理過程，可作如下說明。（2） 參看圖2.4a，

20、轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定平衡點，當(dāng)外加第一個脈沖時，假如不計電路的時間常數(shù)的影響。電磁轉(zhuǎn)矩值便如圖2.4a中曲線“l(fā)”所示。在改變通電狀態(tài)的瞬時，作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩為圖中的線段，它使轉(zhuǎn)子加速，沿圖示的箭頭方向即增大的方向，向新的穩(wěn)定平衡點運(yùn)動。電動機(jī)能否起動起來還要看第二、第三等脈沖連續(xù)作用叫的情況而定。經(jīng)過一小段時間，再加上第二個脈沖，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩如圖2-4b中曲線“2”的矩角特性所示。值的大小由脈沖頻率決定。 （2.15） 因起動頻率在高頻范圍內(nèi)，在時間內(nèi)轉(zhuǎn)子來不及轉(zhuǎn)過一個步距角。這時，仍可以分成兩種不同的情況。a 脈沖頻率相對來說不是太高 圖2.4 起動過程的初始階段figure 2.4

21、start process of the initial stage 當(dāng)?shù)谝幻}沖經(jīng)過時間后加入第二脈沖。在此瞬間若轉(zhuǎn)子己達(dá)到圖2.4b曲線“l(fā)”的b點。由于通電狀態(tài)改變，作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)閷?yīng)于曲線“2”上的點。電磁轉(zhuǎn)矩的大小雖有改變，但仍為正向轉(zhuǎn)矩，對轉(zhuǎn)子繼續(xù)產(chǎn)生正向的加速度，并使它向新的穩(wěn)定平衡位置運(yùn)動，所以，只要第一拍末轉(zhuǎn)子所達(dá)到的位置b點處于其動穩(wěn)定區(qū)de范圍內(nèi)。就能保讓電動機(jī)在第二拍過程中不致失步。這一關(guān)系同樣適用于電機(jī)起動過程的任何拍，并由此判斷它是否失步。以上僅表明電動機(jī)從第一拍轉(zhuǎn)到第二拍時沒有失步，但電動機(jī)能否最終起動起來，還要看第3、4等脈沖作用的情況。實際上，考察步

22、進(jìn)電動機(jī)的起動過程與電動機(jī)能否起動，只需分析拍就夠了。b 脈沖頻率相當(dāng)高當(dāng)轉(zhuǎn)子在第一拍末加入第二脈沖的瞬間僅到達(dá)圖2-4b中曲線“1”上的c點。由于通電狀態(tài)改變，作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)閷?yīng)于曲線“2”上的點時因電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，便使電動機(jī)減速。若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減至零時，它尚未進(jìn)入其動穩(wěn)定區(qū)開始向相反方向運(yùn)動，這就再也不能達(dá)到所要求的新的穩(wěn)定平衡位置，電動機(jī)失步了。與一般同步電動機(jī)牽入同步的過程有些類似，是由同步轉(zhuǎn)矩來起動的。同時，還可以由此分析影響步進(jìn)電動機(jī)起動的有關(guān)因素。（1）當(dāng)脈沖持續(xù)時間小到某一數(shù)值，轉(zhuǎn)子還來不及運(yùn)動到動穩(wěn)定區(qū)，這時通電狀態(tài)改變，使電動機(jī)減速，直到轉(zhuǎn)速為零時，轉(zhuǎn)子仍未能進(jìn)入動穩(wěn)

23、定區(qū)它就要失步。按能起動的最短的脈沖間隔時間便可決定電動機(jī)的起動頻率，則= (2.16)（2）起動頻率的大小與電動機(jī)的步距角有關(guān)。因此，電機(jī)的相數(shù)及運(yùn)行的拍數(shù)越多, 步距角就越小，使裕量角越大，進(jìn)入動穩(wěn)定區(qū)越容易，相應(yīng)電機(jī)的起動頻率也就越高。（3）電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩值越大，相應(yīng)地作用于電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩也越大，使加速度越大，轉(zhuǎn)子達(dá)到動穩(wěn)定區(qū)所需時間就越短，故起動頻率越高。（4）轉(zhuǎn)子齒數(shù)增多，步距角就減小，起動頻率也隨之增高。（5）電機(jī)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量(包括轉(zhuǎn)子本身及負(fù)載)越小，同樣的電磁轉(zhuǎn)矩下產(chǎn)生的角加速度就越大，容易進(jìn)入動穩(wěn)定區(qū)，相應(yīng)起動頻率也越高。（6）負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時，使作用在轉(zhuǎn)子的加

24、速轉(zhuǎn)矩減小，起動頻率也將降低。（7）電路時間常數(shù)增大時，控制繞組中電流上升速度變慢，將使電磁轉(zhuǎn)矩變小，起動頻率也所降低。（8）電機(jī)的內(nèi)部或外部阻尼轉(zhuǎn)矩增大時，相當(dāng)于負(fù)載轉(zhuǎn)矩有所增加，相應(yīng)地使起動頻率降低。總之，步進(jìn)電動機(jī)有定的起動頻率，它的大小取決于電機(jī)的相數(shù)、通電方式、最大靜轉(zhuǎn)矩及矩角持件的波形、控制繞組電路的時間常數(shù)和電流波形、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量。以及電機(jī)的內(nèi)部或外部阻尼的大小等。對于定的電動機(jī)，并在給定的驅(qū)動電源的情況下，起動頻率主要與負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)動慣量的大小有關(guān)。3 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動3.1 電源功放級 驅(qū)動電源性能的好壞與可靠性在很大程度上與末級功放所用的功率組件直接相關(guān)

25、。 最初使用的末級功放組件是可控硅。 可控硅是一種脈沖觸發(fā)的開關(guān)器件，它突出的優(yōu)點是輸入功率小、輸出功率太、耐壓高、成本低。在七十年代由于國內(nèi)大功率高低壓晶體管較少，所以用可控硅為功率器件的驅(qū)動器曾一度占據(jù)主流。但是，可控硅雖然觸發(fā)簡單，但關(guān)斷困難。總的來看線路復(fù)雜，容易形成誤觸發(fā)、可靠性差、不便于調(diào)試和維護(hù)、抗干擾能力不好，近年來隨著大功率晶體管的發(fā)展一般不再采用。晶體管具有控制方便、調(diào)試容易、開關(guān)速度快以及組件損耗小等優(yōu)點，并且由于采用先進(jìn)的設(shè)計，晶體管的開關(guān)特性和耐壓過流能力有了相當(dāng)大的改進(jìn)，因而近幾年國內(nèi)外絕大多數(shù)的驅(qū)動電源使用晶體三極管作為末級功放組件。近年來，由于v形槽金屬氧化物半

26、導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(vmosfet)綜合了大功率雙極晶體管和場效應(yīng)晶體管的優(yōu)點，具有大功率、高耐壓、高增益的特點，且沒有少數(shù)載流子存儲時間和溫度失控，并有顯著的抑制二次擊穿特性，因而使用它可大大提高驅(qū)動電源的可靠性，隨著成本的降低及使用經(jīng)驗的積累，越來越多的驅(qū)動電源將會使用mosfet作為末級功放組件。3.2驅(qū)動電源的分類步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源有多種形式，相應(yīng)它的分類方法也很多。若按配套的步進(jìn)電動機(jī)容量大小來分，有功率步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源和伺服步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源兩類。 按電源輸出脈沖的極性來分，有單向脈沖電源和正、負(fù)雙極性脈沖電源兩種，后者是作為永磁步進(jìn)電動機(jī)或感應(yīng)式永磁步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動源。 按供出

27、電脈沖的功率元件來分，有晶體管驅(qū)動電源、高頻晶閘管驅(qū)動電源和可關(guān)斷晶閘管驅(qū)動電源三種。 按脈沖的供電方式來分，有單一電壓型電源；高、低壓切換型電源；斬波恒流驅(qū)動電源；細(xì)分電路電源等。 單一電壓型電源是最簡單的驅(qū)動電源，其原理如圖3.1所示。當(dāng)信號脈沖輸入時，晶體管導(dǎo)通，電容c在起始瞬間相當(dāng)于將電阻r短接，使控制繞組電流迅速上升。當(dāng)電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，利用串聯(lián)電阻r來限流。在整個工作過程中只有一種電源供電。步進(jìn)電動機(jī)的每相控制繞組只需要由一只功率元件供出電脈沖。這種線路特點是：結(jié)構(gòu)簡單，電阻r和控制繞組串聯(lián)后可減小回路的時間常數(shù)，但由于電阻r上要消耗功率，引起電源的效率降低，用這種電源供電的步進(jìn)

28、電動機(jī)其起動和運(yùn)行頻率都不會太高。圖3.1 單一電壓型驅(qū)動電源原理圖 圖3.2 高、低壓切換型驅(qū)動電源figure 3.1 single voltage type drive power principle diagramfigure 3.2 high and low voltage power supply switch type drive 高、低壓切換型電源的原理如圖3.2所示。步進(jìn)電動機(jī)的每一相控制繞組需要有兩只功率元件串聯(lián)，它們分別由高壓和低壓兩種不同的電源供電。高壓供電是用來加速電流的上升速率，改善電流波形的前沿，而低壓是用來維持穩(wěn)定的電流值。低壓電源中串聯(lián)一個數(shù)值較小的電阻r，其

29、目的是為了調(diào)節(jié)控制繞組的電流值，使各相電流平衡。這種電源效率較高，起動和運(yùn)行頻率也比單一電壓型電源要高，但由于這種驅(qū)動電路在低頻時繞組通電周期長，繞組電流有較大的過沖，所以低頻時電機(jī)的振動噪聲較大，低頻時共振現(xiàn)象依然存在。 斬波恒流驅(qū)動電源是性能較好，目前使用較多的一種驅(qū)動方式。其基本思想是：去論電機(jī)是在鎖定狀態(tài)還是在低頻段或高頻段運(yùn)行，均使導(dǎo)通相繞組的電流保持額定值。圖3.3是斬波恒流驅(qū)動電路的原理圖。相繞組的通斷由開關(guān)管vt1和vt2共同控制，vt2的發(fā)射極接一只小電阻r，電動機(jī)繞組的電流經(jīng)這個電阻到地，小電阻的壓降與電動機(jī)繞組電流成正比，所以這個電阻是電流采樣電阻。 當(dāng)為高電平時，vt1

30、和vt2兩個開關(guān)管均導(dǎo)通，電源向繞組供電。由于繞組電感的作用，r上的電壓逐漸升高，當(dāng)超過給定電壓的值時，比較器輸出低電平，使與門輸出低電平，vt1截至，電源被切斷，繞組電流經(jīng)vt2、r、vd2續(xù)流，采樣電阻r的端電壓隨之下降。當(dāng)采樣電阻r上的電壓小于給定電壓時，比較器輸出高電平，與門也輸出高電平，vt1重新導(dǎo)通，電源又開始向繞組供電。如此反復(fù)，繞組的電流就穩(wěn)定在由給定電壓所決定的數(shù)值上。 當(dāng)控制脈沖變?yōu)榈碗娖綍r，vt1和vt2兩個開關(guān)管均截至，繞組中的電流經(jīng)二極管vd1、電源和二極管vd2放電，電流迅速下降?？刂泼}沖、vt1的基極電位及繞組電流的波形如圖34所示。在vt2導(dǎo)電期間內(nèi)，電源以脈沖

31、式供電，所以這種驅(qū)動電源具有較高的效率。由于在斬波驅(qū)動下繞組電流恒定，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩均勻。這種驅(qū)動電路的另一個優(yōu)點是能夠有效地抑制共振，因為電機(jī)共振的基本原因是能量過剩，而斬波恒流驅(qū)動的輸入能量是隨著繞組電流的變化自動調(diào)節(jié)的，可以有效地防止能量積聚。但是，由于電流波形為鋸齒形，這種驅(qū)動方式會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。圖3.3 斬波恒流驅(qū)動電路的原理圖figure 3.3 chopped constant current drive circuit principle diagram圖3.4 斬波恒流控制的電流波形figure 3.4 chopped constant current control

32、of the current waveform圖3.5階梯波形電流圖3figure 3.5 ladder wave current figure 細(xì)分電路電源是使步進(jìn)電動機(jī)的步距角減小，從而使步進(jìn)運(yùn)動變成近似的勻速運(yùn)動的一種驅(qū)動電源。這樣，步進(jìn)電動機(jī)就能象伺服電動機(jī)一樣平滑運(yùn)轉(zhuǎn)。為了減小步距角，單從電機(jī)本身來解決是有限度的，特別是小機(jī)座號的電機(jī)，于是設(shè)法從驅(qū)動電源上來解決。設(shè)法將原來的供電的矩形脈沖電流波改為階梯波形電流，如圖3-5所示。這樣在輸入電流的每一個階梯時，電機(jī)的偏轉(zhuǎn)角(即相應(yīng)的步距角)減小，從而提高其運(yùn)行的平滑性。這種供電方式就是細(xì)分電路驅(qū)動。從圖3-5中可以看到，供給電機(jī)的電流是

33、由零經(jīng)過五個均勻?qū)挾群头鹊碾A梯上升到穩(wěn)定值。下降時，又是經(jīng)過同樣的階梯從穩(wěn)定值降至零。這可以使電機(jī)內(nèi)形成一個基本上連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場，使電動機(jī)能基本上接近于平滑運(yùn)轉(zhuǎn)。細(xì)分電路電源，是先通過順序脈沖形成器將各順序脈沖依次放大，將這些脈沖電流在電機(jī)的控制繞組中進(jìn)行疊加而形成階梯波形電流,順序脈沖形成器通?？梢杂靡莆恍问降沫h(huán)形脈沖分配器來實現(xiàn)。3.2.1步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的原理步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它的工作原理是被勵磁的定子電磁鐵吸引可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子銜鐵產(chǎn)生轉(zhuǎn)距而旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)是靠各相定子繞組輪流通電使之勵磁而轉(zhuǎn)動，將電磁能轉(zhuǎn)變成機(jī)械角位移。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的定子繞組由一相通電變?yōu)?/p>

34、另一相通電時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個角度，這個角度就是步進(jìn)電機(jī)的步距角。所謂步距角細(xì)分就是在步進(jìn)電機(jī)繞組換相時，不是立即讓其導(dǎo)通或截止。下面以三相六拍步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)步距角二細(xì)分的原理,如圖37 所示。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處在a 相通電時，轉(zhuǎn)子在a-a 位置上，當(dāng)由a相通電轉(zhuǎn)為a、b 兩相通電時，轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過角,停在a 、b 兩相之間的位置 處，由于轉(zhuǎn)距與流過繞組的電流成正比，如果此時b 相繞組電流不是由0一次上升為額定電流，而是先達(dá)到，那么轉(zhuǎn)子將不是順時針轉(zhuǎn)過至位置，而是轉(zhuǎn)過停在位置 處；同理，當(dāng)由a 、b 兩相繞組通電變?yōu)閎 相繞組通電時，如果a 相電流不是突然由額定電流降為0，而是由降為，則轉(zhuǎn)子

35、將不是轉(zhuǎn)到位置bb，而是轉(zhuǎn)到位置 ， 從而將精度提高一倍，以上是步進(jìn)電機(jī)二細(xì)分的原理。如果在上述過程中，定子繞組中的電流不是突然由0 變到，或由變?yōu)?，而是分十級逐步完成，即將b相繞組以相同的時間間隔按如下過程通電00.1ie0.2ie0.9ieie，a 相繞組以相同的時間間隔按如下過程斷電ie0.9ie 0.2ie0.1ie0，如此，步進(jìn)電機(jī)就完成了十細(xì)分。由此可見，細(xì)分操作就是使步進(jìn)電機(jī)各相電流有序的升級或降級，從而提高系統(tǒng)的控制精度。 圖3.7 步進(jìn)電機(jī)步矩角細(xì)分示意圖figure 3.7 step motor torque angle subdivision schemes step

36、恒頻斬波細(xì)分控制實際上是斬波恒流驅(qū)動電路的改進(jìn)。在斬波恒流驅(qū)動電路中，繞組中電流的大小取決于比較器的給定電壓，在工作中這個給定電壓是一個恒定值。現(xiàn)在用一個階梯電壓來代替這個給定電壓，就可以得到階梯形電流波。恒頻斬波細(xì)分驅(qū)動電路如圖3.8所示，單片機(jī)是控制主體，它通過定時器t0輸出20khz的方波，送d觸發(fā)器，作為恒頻信號。同時，單片機(jī)將階梯電壓的數(shù)字信號輸出到d/a轉(zhuǎn)換器，作為控制信號。階梯電壓的每一次變化都使轉(zhuǎn)子走一細(xì)分步。 恒頻斬波細(xì)分電路工作原理如下：當(dāng)d/a轉(zhuǎn)換器的輸出電壓不變時，恒頻信號clk的上升沿使d觸發(fā)器輸出為高電平，使開關(guān)管vt1、vt2導(dǎo)通，繞組中的電流上升，取樣電阻r2上

37、壓降增加，當(dāng)這個壓降大于時，比較器輸出低電平，使d觸發(fā)器的輸出 為低電平，vt1、vt2截止，繞組的電流下降。當(dāng)r2 上的壓降小于時，比較器輸出高電平，d觸發(fā)器又輸出高電平，vt1、vt2導(dǎo)通，繞組中的電流重新上升。這樣的過程反復(fù)進(jìn)行，使繞組電流波形為鋸齒波。因為clk脈沖的頻率較高，鋸齒形波紋會很小。恒頻脈沖clk、階梯波給定電壓，vt1的控制電壓和繞組電流的波形示意圖如圖3.9所示。圖3.8恒頻斬波細(xì)分驅(qū)動電路figure 3.8constant frequency chopped subdivided driving circuit圖3.9恒頻斬波細(xì)分驅(qū)動的電流波形6figure 3.9

38、 constant frequency chopped subdivided driving the current waveform4 硬件設(shè)計本文中，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器的基本框圖4-1，l297內(nèi)部帶有斬波恒流電路，繞組相電流峰值由uref確定。當(dāng)采用兩片l297通過l298分別驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的兩繞組，且通過兩個d/a轉(zhuǎn)換器改變每相繞組的uref時，即組成了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路.圖4.1步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)框圖figure 4.1 stepping motor subdivision driver system diagram 本設(shè)計采用單片機(jī)at89s51來作為整個步進(jìn)電機(jī)控制系

39、統(tǒng)的運(yùn)動控制核心部件整個系統(tǒng)的組成包括單片機(jī), 電機(jī)驅(qū)動模塊,獨立按鍵等模塊組成。4.1 at89c51引腳功能說明at89c51的引腳結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示，有雙列直插封裝（dip）方式和方形封裝方式，下面分別敘述這些引腳的功能3。圖4.1 at89c51引腳結(jié)構(gòu)圖figure 4.1 at89c51 pins structure （1）主電源引腳3。vcc：電源端。gnd：接地端。（2） 外接晶體引腳xtal1和xtal2。xtal1：接外部晶體的一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時，該引腳接受振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入

40、端4。xtal2：接外部晶體的另一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，此引腳應(yīng)懸浮不連接。時鐘產(chǎn)生產(chǎn)生和復(fù)位電路，時鐘產(chǎn)生電路如圖4.2所示，復(fù)位電路如圖4.3時鐘電路連接18端、19端。復(fù)位電路連接9端。片內(nèi)電路與片外器件就構(gòu)成一個時鐘產(chǎn)生電路，cpu的所有操作均在時鐘脈沖同步下進(jìn)行。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在1.2mhz12mhz之間選取。c1、c2是反饋電容，其值在5pf30pf之間選取，典型值為30pf。本電路選用的電容為30pf，晶振頻率為12mhz。這樣就確定了單片機(jī)的4個周期分別如下。振蕩周期1/12s機(jī)器周期（sm）1

41、s指令周期14s圖4.2 時鐘產(chǎn)生電路figure 4.2 clock produces circuit xtal1和xtal2：片內(nèi)振蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容。在石英晶體的兩個管腳加交變電場時，它將會產(chǎn)生一定頻率的機(jī)械變形，而這種機(jī)械振動又會產(chǎn)生交變電場，上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。一般情況下，無論是機(jī)械振動的振幅，還是交變電場的振幅都非常小。但是，當(dāng)交變電場的頻率為某一特定值時，振幅驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩。這一特定頻率就是石英晶體的固有頻率，也稱諧振頻率。即用來連接at89c51片內(nèi)osc的定時反饋回路，如圖4-3所示。石英晶振起振后要能在xtal2線上

42、輸出一個3v左右的正弦波，以便使mcs-51片內(nèi)的osc電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。通常，osc的輸出時鐘頻率fosc為0.5mhz-16mhz，典型值為12mhz或者11.0592mhz。電容c1和c2可以幫助起振，典型值為30pf，調(diào)節(jié)它們可以達(dá)到微調(diào)fosc的目的5。圖4.3為單片機(jī)復(fù)位電路。單片機(jī)在開機(jī)時都需要復(fù)位，以便中央處理器cpu以及其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機(jī)的復(fù)位后是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的rst引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖（2個機(jī)器周期）以上的高電平，單片機(jī)便可實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。mcs-51單片機(jī)的rst

43、引腳是復(fù)位信號的輸入端。例如：若mcs-51單片機(jī)時鐘頻率為12mhz，則復(fù)位脈沖寬度至少應(yīng)該為2s6。圖4.3 復(fù)位電路figure 4.3 reset circuit 上圖為上電復(fù)位和按鍵復(fù)位電路。上電瞬間，rst端的電位與vcc相同，隨著電容的逐步充電，rst端的電位逐漸下降，此時=2210-61103=22ms。當(dāng)按下鍵時，rst端出現(xiàn)5100012004.2v，使單片機(jī)復(fù)位。（3）控制或與其它電源復(fù)用引腳rst，ale/prog，psen和ea/vpp。rst：復(fù)位輸入端。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時，在該引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ale/prog：當(dāng)訪問外部存儲器時，ale（

44、地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的1/6）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的，然而要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。在對flash編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（prog）。如果需要的話，通過對專用寄存器（sfr）區(qū)中8eh單元的d0位置數(shù)，可禁止ale操作。該位置數(shù)后，只有在執(zhí)行一條movx或movc指令期間，ale才會被激活。另外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，該設(shè)定禁止ale位無效。psen：程序存儲允許（psen）輸出是外部程序存儲器的

45、讀選通信號。當(dāng)at89c51由外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）時，每個機(jī)器周期兩次psen有效（即輸出2個脈沖）。但在此期間內(nèi)，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的psen信號將不出現(xiàn)。ea/vpp：外部訪問允許端。要使cpu只訪問外部存儲器（地址為0000hffffh），則ea端外部必須保持低電平（接到gnd端）。然而要注意的是：如果保密lb1被編程，復(fù)位時在內(nèi)部會鎖存ea端的狀態(tài)7。當(dāng)ea端保持高電平（接vcc端）時，cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序。在flash存儲器編程期間，該引腳也用于施加12v的編程允許電源vpp(如果選用12v編程)。（4）輸入/輸出引腳p0.0p0.7，p1.

46、0p1.7，p2.0p2.7，p3.0p3.78。（a）p0端口（p0.0p0.7）p0是一個8位漏極開路型雙向i/o端口。作為輸出端口用時，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動8個ttl輸入，對端口寫1時，又可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，它是分時多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在flash編程時，p0端口接受指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。（b）p1端口（p1.0p1.7）p1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位i/o端口。p1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個ttl輸入。對端口寫1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把

47、端口拉到高電位，這時可用作輸入口，p1口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號低的引腳會輸出一個電流（iil）。在flash編程和程序校驗時，p1接受低8為地址。（c）p2端口（p2.0p2.7）p2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o端口。p2的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個ttl輸入。對端口寫1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。p2作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（iil）9。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行movxdptr指令）時，p2送出高8位地址。在訪問8位地址的外

48、部數(shù)據(jù)寄存器（如執(zhí)行movri指令）時，p2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（sfr）區(qū)p2寄存器的內(nèi)容）在整個訪問期間不會改變9。在對flash編程和程序校驗期間，p2也接收高位地址和一些控制信號。（d）p3端口（p3.0p3.7）p3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o端口。p3的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個ttl輸入。對端口寫1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。p3作輸入口使用時，因為內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（iil）10。在at89c51中，p3端口還用于一些復(fù)用功能。復(fù)用功能如表4.4所示。在對flash編程或程序校驗

49、時，p3還接收一些控制信號。表4.4 p3各端口引腳與復(fù)用功能表table 4.4 p3 each port pins and reuse menu端口引腳復(fù)用功能p3.0rxd(串性輸入口)p3.1txd(串性輸出口)p3.2int0(外部中斷0)p3.3int1(外部中斷1)p3.4t0(定時器0的外部輸入)p3.5t1(定時器1的外部輸入)p3.6wr(外部數(shù)據(jù)寄存器寫選通)p3.7rd(外部數(shù)據(jù)寄存器讀選通)4.2單片機(jī)端口分配及功能1、其中p 0口用于控制電機(jī)驅(qū)動芯片l298的工作。2、p 1和 p 2口主要用于用于負(fù)責(zé)處理dac 0832數(shù)模轉(zhuǎn)化芯片的工作。 3、p 3口主要用于處

50、理鍵盤掃描電路的。4.3 l297的工作原理介紹 l297是意大利sgs半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號，可用于計算機(jī)控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī)，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。芯片內(nèi)的pwm斬波器電路可開關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電機(jī)繞組中的電流。該集成電路采用了sgs公司的模擬/數(shù)字兼容的i2l技術(shù)，使用5v的電源電壓，全部信號的連接都與tfl/cmos或集電極開路的晶體管兼容。l297的芯片引腳特別緊湊，采用雙列直插20腳塑封封裝，其引腳見圖4.5，內(nèi)部方框見圖4.6。在圖4.6所示的l297的內(nèi)部方框圖中。變換器是一個重要組成部分。變換器

51、由一個三倍計算器加某些組合邏輯電路組成，產(chǎn)生一個基本的八格雷碼(順序如圖3所示)。由變換器產(chǎn)生4個輸出信號送給后面的輸出邏輯部分，輸出邏輯提供禁止和斬波器功能所需的相序。為了獲得電動機(jī)良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號是通過2個pwm斬波器控制電動波器包含有一個比較器、一個觸發(fā)器和一個外部檢測電阻，如圖4.8所示，晶片內(nèi)部的通用振蕩器提供斬波頻率脈沖。每個斬波器的觸發(fā)器由振蕩器的脈沖調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載電流提高時檢測電阻上的電壓相對提高，當(dāng)電壓達(dá)到uref時(uref是根據(jù)峰值負(fù)載電流而定的)，將觸發(fā)器重置，切斷輸出，直至第二個振蕩脈沖到來、此線路的輸出(即觸發(fā)器q輸出)是一恒定速率的pwm信號，l297

52、的control端的輸入決定斬波器對相位線a，b，c，d或抑制線inh1和inh2起作用。control為高電平時，對a，b，c，d有抑制作用；為低電平時，則對抑制線inh1和inh2有抑制作用，從而可對電動機(jī)和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。圖4.5 l297引腳圖figure 4.5 l297 pins figure 圖4.6 l297內(nèi)部方框電路圖figure 4.6 l297 internal box circuit diagram 圖4.7 l297變換器換出的八步雷格碼（順轉(zhuǎn)）圖4.8 斬波器線路figure4.7 l297 converter for eight steps out of the

53、reg code (the turn)figure 4.8 chopped device linesl297各引腳功能說明1腳(syng)斬波器輸出端。如多個297同步控制，所有的sync端都要連在一起，共用一套振蕩元件。如果使用外部時鐘源，則時鐘信號接到此引腳上。2腳(gnd)接地端。3腳(home)集電極開路輸出端。當(dāng)l297在初始狀態(tài)(abcd=0101)時，此端有指示。當(dāng)此引腳有效時，晶體管開路。4腳(a)a相驅(qū)動信號。5腳(inh1)控制a相和b相的驅(qū)動極。當(dāng)此引腳為低電平時，a相、b相驅(qū)動控制被禁止；當(dāng)線圈級斷電時，雙極性橋用這個信號使負(fù)載電源快速衰減。若control端輸入是低電

54、平時，用斬波器調(diào)節(jié)負(fù)載電流。6腳(b)b相驅(qū)動信號。7腳(c)c相驅(qū)動信號。8腳(inh2)控制c相和d相的驅(qū)動級。作用同inh1相同。9腳(d)d相驅(qū)動信號。10腳(enable)l297的使能輸入端。當(dāng)它為低電平時，inh1，inh2，a，b，c，d都為低電平。當(dāng)系統(tǒng)被復(fù)位時用來阻止電機(jī)驅(qū)動。11腳(control)斬波器功能控制端。低電平時使inh1和inh2起作用，高電平時使a，b，c，d起作用。12腳(vcc)+5v電源輸入端。13腳(sens2)c相、d相繞組電流檢測電壓反饋輸入端。14腳(sens1)a相、b相繞組電流檢測電壓反饋輸入端。15腳(vref )斬波器基準(zhǔn)電壓輸入端。

55、加到此引腳的電壓決定繞組電流的峰值。16腳(osc)斬波器頻率輸入端。一個rc網(wǎng)絡(luò)接至此引角以決定斬波器頻率，在多個l297同步工作時其中一個接到rc網(wǎng)絡(luò)，其余的此引角接地，各個器件的腳 i (sync)應(yīng)連接到一起。17腳(cw/ccw)方向控制端。步進(jìn)電機(jī)實際旋轉(zhuǎn)方向由繞組的連接方法決定。當(dāng)改變此引腳 的電平狀態(tài)時，步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。18腳(clock)步進(jìn)時鐘輸入端。該引腳輸入負(fù)脈沖時步進(jìn)電機(jī)向前步進(jìn)一個增量，該步進(jìn)是在信號 的上升沿產(chǎn)生。19腳(half/full)半步、全步方式 選擇端。此引腳輸入高電平時為半步方式(四相八拍)，低電平時為全步方式。如選擇全步方式時變換器在奇數(shù)狀態(tài)，會得到單相工作方式(單四拍)。20腳(reset)復(fù)位輸入端。此引腳輸入負(fù)脈沖