基于串口通信的步進電機調(diào)速系統(tǒng)設計

1、題 目：基于串口通信的步進電機調(diào)速系統(tǒng)設計iv內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 基于串口通信的步進電機調(diào)速系統(tǒng)設計摘 要本設計方案中采用基于串口通信的at89c51型單片機內(nèi)部的定時器改變cp脈沖的頻率從而實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)速進行控制，實現(xiàn)電機調(diào)速與正反轉(zhuǎn)的功能。在實驗室和工業(yè)應用中，串口是計算機與外部串行設備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，由于串行通信方便易行，所以應用廣泛。在vc+6.0的環(huán)境下，編寫使用c語言，串口通信程序，由單片機控制的步進電動機的轉(zhuǎn)速。當由單片機控制的步進電動機的轉(zhuǎn)速的工作數(shù)據(jù)由串口傳到計算機時，操作人員能夠?qū)崟r監(jiān)控其工作狀態(tài)，工作數(shù)據(jù)，根據(jù)情況，并能更改其工作參數(shù)。這樣

2、，就使得控制步進電機的轉(zhuǎn)速。而電機的轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角，所以步進電機每給一個脈沖就轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。關鍵詞：步進電機調(diào)速；單片機；串口通信；vc+the stepper motor speed control system based on serial communicationabstractthe design of serial communication ba

3、sed on at89c51 single-chip microcomputer-based timer to change the internal pulse frequency of cp in order to achieve the speed of stepper motor control with the positive realization of motor function.in the laboratory and industry field, the computer serial port and external serial device data tran

4、smission between the channels, as a result of user-friendly serial communication lines, so a wide range of applications.in vc + +6.0 environment, prepared using the c language, serial communication procedures by the single-chip microcomputer to control the speed of the stepper motor. when controlled

5、 by the single-chip stepper motor speed the work of the serial data transmitted by the computer, the operator can work in real-time monitoring of its status, the work of data, depending on the circumstances and can change its operating parameters. this allows control of stepper motor speed. depends

6、on the speed of the electrical pulse frequency and pulse number, and not subject to the impact of changes in load, that is, to add an electrical pulse signal, a step motor is turned away from the angle, the stepper motor is a pulse on each rotation of a fixed point of view so that you can control th

7、e stepper motor through a pulse to pulse the next time interval to change the pulse frequency, the length of delay to a specific angle in order to change control of stepper motor speed, the stepper motor in order to achieve speed.keywords: stepper motor; singlechip; serial communication; visual c+目

8、錄摘 要iabstractii目 錄iii第一章 概述11.1開發(fā)背景及發(fā)展趨勢11.2功能要求及功能實現(xiàn)概述2第二章 系統(tǒng)結構的實現(xiàn)與步進電機的驅(qū)動32.1整體硬件結構32.2系統(tǒng)硬件電路設計32.2.1硬件的基本組成32.2.2電路圖32.2.2.1晶振電路42.2.2.2光電隔離器52.2.2.3 max232的介紹62.2.3 pcb板的生成62.3步進電機的結構特點72.3.1反應式步進電機的結構72.3.2 反應式步進電機的工作原理82.3.3 反應式步進電機的步進方式92.3.4 步進電動機的主要性能指標102.3.5步進電動機的運行特性112.3.6步進電機的選型132.4步進

9、電機驅(qū)動電路142.4.1單電壓驅(qū)動142.4.2 雙電壓驅(qū)動152.4.3 斬波驅(qū)動162.4.4 細分驅(qū)動172.4.5 集成電路驅(qū)動172.5 基于單片機的步進電機調(diào)速182.5.1 at89c51單片機簡介182.5.2步進電機調(diào)速222.5.2.1步進電機的正反轉(zhuǎn)232.5.2.2步進電機的加減速25第三章 gui設計263.1visual c+263.2步進電機速度控制界面設計27第四章 通信模式314.1基本原理314.2單片機的串行通信314.2.1串口接收數(shù)據(jù)344.2.2通信協(xié)議36第五章 結束語37附錄a39附錄b40附錄c41內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）第一

10、章 概述1.1開發(fā)背景及發(fā)展趨勢計算機串口編程在通信軟件中有著十分廣泛的應用，如電話，傳真，視頻控制等。一般情況下，涉及到遠程通信，自動控制的行業(yè)，通常也會涉及到串口通信技術。工業(yè)控制領域經(jīng)常涉及到串行通信問題。為了實現(xiàn)微機和單片機之間的數(shù)據(jù)交換，人們用各種不同方法實現(xiàn)串行通信，如dos下采用c語言。但在windows 環(huán)境下卻存在一些困難和不足。在windows操作系統(tǒng)已經(jīng)占據(jù)統(tǒng)治地位的情況下開發(fā)windows 環(huán)境下串行通信技術就顯得日益重要。在windows應用程序的開發(fā)中，我們常常需要面臨與外圍數(shù)據(jù)源設備通信的問題。計算機和單片機（如mcs-51）都具有串行通信口，可以設計相應的串口通

11、信程序，完成二者之間的數(shù)據(jù)通信任務。實際工作中利用串口完成通信任務的時候非常之多。本設計是在windows xp操作系統(tǒng)下，設計自己的通信協(xié)議，借助vc+6.0編程環(huán)境，使用c語言，實現(xiàn)串口通信，控制步進電機的調(diào)速系統(tǒng)。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)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(jīng)濟領域都有應用。步進電機和普通電動機不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。步進電機經(jīng)環(huán)形分配器、功率放大器使勵磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流和直流電源接通后，就會在空間形成一種階躍變化

12、的旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子步進式的轉(zhuǎn)動，隨著脈沖頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會增大。步進電機的旋轉(zhuǎn)同時與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關。步進電機和普通電機的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動的形式，正是這個特點，步進電機可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術相結合。步進電機在控制精度、速度變化范圍、低速性能方面比傳統(tǒng)的閉環(huán)控制直流伺服電動機有較好的性能。步進電機的控制精度隨著發(fā)展在不斷提高，而且在很多場合可以發(fā)揮其結構簡單、可靠性高和成本低的特點。近年來，隨著微電子技術、電力電子技術和計算機技術的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的采用，促進了步進電動機的發(fā)展，使步進電動機在機械、電子、紡織、輕工、化工、石油、郵電、冶金、文教和衛(wèi)生等行業(yè)，特別是在數(shù)控機床

13、上獲得越來越廣泛的應用，由于步進電機不需要a/d轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，被認為是理想的數(shù)控機床執(zhí)行元件。早期的步進電機輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術的發(fā)展，步進電動機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上進行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進電動機用作數(shù)控銑床進給伺服機構的驅(qū)動電動機，在這個應用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅(qū)動電動機。除了在數(shù)控機床上的應用，步進電機也可以并用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅(qū)動器

14、的馬達，也可以應用在工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，復印件，速印機，銀行自動柜員機和繪圖儀中。1.2功能要求及功能實現(xiàn)概述設計適合的串口通信協(xié)議，用c語言編寫程序，使得計算機能夠定時從串口獲得數(shù)據(jù)，按照自己的協(xié)議，并按照信息發(fā)送到各個dialog。再由程序?qū)?shù)據(jù)正確的分配給每一個控件。當操作人員看見異常的數(shù)據(jù)，或希望更改工作參數(shù)時，可以通過程序把新的更改后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給單片機進行步進電機的調(diào)速。由功能要求分析出總體設計方案。整個系統(tǒng)可以分為三塊：（1）界面設計；（2）基于單片機的硬件系統(tǒng)設計。（3）串口通信協(xié)議設計；第二章 系統(tǒng)結構的實現(xiàn)與步進電機的驅(qū)動2.1整體硬件結構步進電機的調(diào)速與驅(qū)動如圖

15、2.1所示，主要包括脈沖信號發(fā)生、脈沖分配和功率驅(qū)動三大部分。 2.1步進電機的調(diào)速與驅(qū)動框圖（1）脈沖信號發(fā)生部分 這是一個頻率從幾赫茲到幾萬赫茲連續(xù)可調(diào)的變頻信號源，可用微機來產(chǎn)生，也可以用專門的硬件電路產(chǎn)生。脈沖信號發(fā)生部分能夠精確輸出脈沖數(shù)量和頻率，因此能夠準確地控制步進電機的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。（2）脈沖分配部分 步進電機的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使電動機繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部分就使脈沖分配部分。（3）功率驅(qū)動部分 經(jīng)脈沖分配部分輸出的信號，驅(qū)動功率很小，而步進電機繞組的激磁需要相當大的電流，所以還需進行功率放大才能驅(qū)動步進電機。另外，為了防止干擾，脈沖分配送

16、出的脈沖還需要進行光電隔離。2.2系統(tǒng)硬件電路設計2.2.1硬件的基本組成該電路是由單片機at89c51、max232、12m晶震、光電隔離器、74ls04、二極管、電容、電阻、電源等組成的。2.2.2電路圖本電路主要是由以下的器件組成，如圖2.2的框圖：圖2.2電路框圖其中電路原理圖（見附錄a）2.2.2.1晶振電路·時鐘震蕩器：at89c51中有一個構成內(nèi)部震蕩器的高增益反向放大器，引腳xtal1和xtal2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英或陶瓷震蕩器一起構成自激震蕩器震蕩電路如圖。外接石英晶體（或陶瓷震蕩器）及電容c1、c2接在放大器的震蕩回路

17、中構成并聯(lián)震蕩電路。對外接電容c1、c2雖然沒有非常嚴格的要求，但電容的大小會輕微影響震蕩頻率的高低、震蕩工作的穩(wěn)定性、起震的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦使用30pf±10pf，而如果使用陶瓷諧振器建議選擇40pf±10pf。用戶還可以采用外部時鐘，采用外部時鐘如圖2.3所示。在這種情況下，外部時鐘脈沖接到xtal1端，既內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，xtal2懸空。 圖2.3 內(nèi)部震蕩電路2.2.2.2光電隔離器光電耦合器是把發(fā)光器件(如發(fā)光二極管)和光敏器件(如光敏三極管)組裝在一起，通過光線實現(xiàn)耦合構成電一光和光一電的轉(zhuǎn)換器件。圖2.4所示為常用的三極管型光

18、電耦合器原理圖。當電信號送人光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極管通過電流 圖2.4三極管型光電耦合器原理圖而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，ce導通；當輸入端無信號，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止，ce不通。對于數(shù)字量，當輸人為低電子"0"時，光敏三極管截止，輸出為高電平"1"；當輸人為高電平"1"時，光敏三極管飽和導通，輸出為低電平"0"。若基極有出線則可滿足溫度補償、檢測調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好，價格便宜，因而應用廣泛。光電耦合器之所以在傳輸信號的同時能有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，使通道上的信號噪聲比大

19、為提高，主要有以下幾方面的原因：(1)光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105106。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電壓會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極管 發(fā)光，從而被抑制掉了。(2)光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。(3)光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當外部設備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。因為光耦合器件的輸

20、入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。(4)光電耦合器的響應速度極快，其響應延遲時間只有10s左右，適于對響應速度要求很高的場合。2.2.2.3 max232的介紹max232是電壓轉(zhuǎn)換芯片，將ttl電平轉(zhuǎn)換成可以和電腦串口匹配的電壓max232芯片是美信公司專門為電腦的rs-232標準串口設計的接口電路,使用+5v單電源供電。在傳輸方面，max232內(nèi)部將+5v的電平提升為-10v+10v，然后接受ttl/ cmos的+5v電平，并轉(zhuǎn)化成10v信號送到線路上。在接受方面，max232從線路上接受10v信號，經(jīng)過內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換成+5v電平。實際上max232只是一個電平轉(zhuǎn)換器，但是只需要+5

21、v電源與45個小電容（10uf即可）就可以同時提供雙向電平調(diào)整。內(nèi)部結構基本可分三個部分：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給rs-232串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（r1in）、12腳（r1out）、11腳（t1in）、14腳（t1out）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（r2in）、9腳（r2out）、10腳（t2in）、7腳（t2out）為第二數(shù)據(jù)通道。ttl/cmos數(shù)據(jù)從t1in、t2in輸入轉(zhuǎn)換成rs-232數(shù)據(jù)從t1out、t2out送

22、到電腦dp9插頭；dp9插頭的rs-232數(shù)據(jù)從r1in、r2in輸入轉(zhuǎn)換成ttl/cmos數(shù)據(jù)后從r1out、r2out輸出。第三部分是供電。15腳dng、16腳vcc（+5v）。2.2.3 pcb板的生成 此硬件部分是建立在protel99的環(huán)境下工作的。 pcb基本設計流程如下：前期準備->pcb結構設計->pcb布局->布線優(yōu)化和絲印->制版。第一：前期準備。這包括準備元件庫和原理圖。要做出一塊好的板子，除了要設計好原理之外，還要畫得好。在進行pcb設計之前，首先要準備好原理圖sch的元件庫和pcb的元件庫。元件庫可以用peotel 自帶的庫，但一般情況下很難找

23、到合適的，最好是自己根據(jù)所選器件的標準尺寸資料自己做元件庫。原則上先做pcb的元件庫，再做sch的元件庫。pcb的元件庫要求較高，它直接影響板子的安裝；sch的元件庫要求相對比較松，只要注意定義好管腳屬性和與pcb元件的對應關系就行。ps：注意標準庫中的隱藏管腳。之后就是原理圖的設計，做好后就準備開始做pcb設計了。 第二：pcb結構設計。這一步根據(jù)已經(jīng)確定的電路板尺寸和各項機械定位，在pcb 設計環(huán)境下繪制pcb板面，并按定位要求放置所需的接插件、按鍵/開關、螺絲孔、裝配孔等等。并充分考慮和確定布線區(qū)域和非布線區(qū)域（如螺絲孔周圍多大范圍屬于非布線區(qū)域）。第三：pcb布局。布局說白了就是在板子

24、上放器件。這時如果前面講到的準備工作都做好的話，就可以在原理圖上生成網(wǎng)絡表（design->create netlist），之后在pcb圖上導入網(wǎng)絡表（design->load nets）。就看見器件雜亂無章的全堆上去了，各管腳之間還有飛線提示連接。然后就可以對器件布局了。第四：布線優(yōu)化和絲印。優(yōu)化布線后，如果什么需要修改之后，就可以鋪銅了（place->polygon plane）。鋪銅一般鋪地線（注意模擬地和數(shù)字地的分離），多層板時還可能需要鋪電源。時對于絲印，要注意不能被器件擋住或被過孔和焊盤去掉。同時，設計時正視元件面，底層的字應做鏡像處理，以免混淆層面。第五：制版。

25、pcb布局及布線和生成的pcb板模型如附錄b。2.3步進電機的結構特點 步進電動機的結構分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組，由環(huán)形分配器送來的電脈沖對多相定子繞組輪流進行勵磁。轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結構；轉(zhuǎn)子本身沒有勵磁繞組的叫做“反應式步進電動機” ；用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的叫做“永磁式步進電動機” 。步進電動機的結構形式很多，但其工作原理都大同小異，本設計用的就是三相反應式步進電動機。2.3.1反應式步進電機的結構如圖2.5所示是一個三相反應式步進電機的結構圖。圖2.5反應式步進電機結構圖從圖中可以看出，它分成轉(zhuǎn)子和定子兩個部分。定子由硅鋼片疊成。定

26、子上有六個磁極（大極），每兩個相對的磁極（n、s極）組成一對，共3對。每對磁極都纏有同一繞組，也即形成一相，這樣3對磁極有3對繞組，形成3相。可以得出，四相步進電機有4對磁極、4對繞組，5相步進電機有5對磁極、5對繞組以此類 推。每個磁極內(nèi)表面都分布著很多小齒，它們大小相同間距相同。轉(zhuǎn)子式由軟磁材料制作成的，其外表也均勻分布著小齒，這些小齒與定子上的小齒齒距相同，形狀相似。由于小齒的齒距相同，所以不管是定子還是轉(zhuǎn)子，其齒距角都可以計算如下： （2.1）式中：z轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。例如，如果轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為40. 則齒距角為： （2.2）2.3.2 反應式步進電機的工作原理 反應式步進電機的步進原理如圖2.

27、6所示是三相反應式步進電動機的工作原理圖。 圖2.6反應式步進電動機工作原理步進電動機由轉(zhuǎn)子和定子組成。定子上有a、b、c三對繞組磁極，分別稱為a相、b相、c相。轉(zhuǎn)子是硅鋼片等軟磁材料迭合成的帶齒廓形狀的鐵心。如果在定子的三對繞組中通直流電流，就會產(chǎn)生磁場。當a、b、c三對磁極的繞組依次輪流通電，則a、b、c三對磁極依次產(chǎn)生磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。(1)當a相通電，b相和c相不通電時，電動機鐵心的aa/ 方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子1、3齒與a相磁極對齊。2、4兩齒與b、c兩磁極相對錯開。(2)當b相通電、c相和a相斷電時，電動機鐵心的bb/方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋

28、轉(zhuǎn)，2、4齒與b相磁極對齊。1、3兩齒與c、a兩磁極相對錯開。(3)當c相通電，a相和b相斷電時，電動機鐵心的cc/方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時針方向又旋轉(zhuǎn)，1、3齒與c相磁極對齊。2、4兩齒與a、b兩磁極相對錯開。綜上所述，可以得到如下結論：(1)步進電動機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即步距角；(2)改變步進電動機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變；(3)步進電動機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高。2.3.3 反應式步進電機的步進方式反應式步進電機的步進方式可以有三種：單三拍、

29、雙三拍、六拍。(1)單三拍工作方式三相步進電機若按abc通電相序連續(xù)通電，則步進電動機就連續(xù)地沿逆時針方向旋動，每換接一次通電相序，步進電動機沿逆時針方向轉(zhuǎn)過，即步距角為。如果步進電動機定子磁極通電相序按acb進行，則轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。上述通電方式稱為三相單三拍通電方式。所謂“單”是指每次只有一相繞組通電的意思。從一相通電換接到另一相通電稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個步距角，故所謂“三拍”是指通電換接三次后完成一個通電周期。(2)雙三拍工作方式三相步進電機的各相除了采用單三拍方式通電工作外，還可以有其他通電方式。雙三拍就是其中之一。雙三拍的工作方式是：每次對兩相同時通電，即所謂的“雙”；磁場

30、旋轉(zhuǎn)一周需要換相三次，即所謂“三拍”，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距角，這與但三拍是一樣的。在雙三拍工作方式中，步進電機正向通電的順序為：abbcca；反轉(zhuǎn)的通電順序為：baaccb。(3)六拍工作方式六拍工作方式也是步進電機的另一種通電方式。這是單三拍與雙三拍交替使用的一種方法，也稱為單雙六拍或12相勵磁法。步進電機的正轉(zhuǎn)通電順序為：aabbbccca；反轉(zhuǎn)通電順序為：aacccbbba?？梢?，磁場旋轉(zhuǎn)一周，通電需要換相6次（即六拍），轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)動一個齒距角。這是與單三拍和雙三拍最大的區(qū)別。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距角需要六拍，所以，六拍工作時，步距角要比單三拍和雙三拍的步距角小一半，即步進電機的精度提高了一倍。

31、2.3.4 步進電動機的主要性能指標1. 步矩角步矩角是指每給一個電脈沖信號，電動機轉(zhuǎn)子所應轉(zhuǎn)過角度的理論值，它是步進電機的主要性能指標之一。不同的應用場合，對步矩角大小的要求不同。它的大小直接影響步進電機的起動和運行頻率。因此，在選擇步進電機的步矩角b時，若通電方式和系統(tǒng)的傳動比已初步確定，則步矩角應滿足 b<imin （2.3）式中：i為傳動比；min為負載軸要求的最小位移增量（或稱脈沖當量，即每一個脈沖所對應的負載軸的位移增量）。 2. 轉(zhuǎn)矩 1）保持轉(zhuǎn)矩（或定位轉(zhuǎn)矩）是指繞組不通電時電磁轉(zhuǎn)矩的最大值或轉(zhuǎn)角不超過一定值時的轉(zhuǎn)矩值。通常反應式步進電機的保持轉(zhuǎn)矩為零，而若干類型的永磁式

32、步進電機具有一定的保持轉(zhuǎn)矩。 2）靜轉(zhuǎn)矩 是指不改變控制繞組通電狀態(tài)，即轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)情況下的電磁轉(zhuǎn)矩。它是繞組內(nèi)的電流及失調(diào)角的函數(shù)。當繞組內(nèi)的電流值不變時，靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關系稱為矩角特性。 負載轉(zhuǎn)矩tl與最大靜轉(zhuǎn)矩的關系為 tl=（0.30.5）tsmax （2.4）為保證步進電機在系統(tǒng)中正常工作，還必須滿足: tst>tlmax （2.5） 式中：tst為步進電機起動轉(zhuǎn)矩；tlmax為步進電機最大靜負載轉(zhuǎn)矩。 通常取 tst=tlmax/（0.30.5） （2.6）以便有相當?shù)牧貎π睢?）動轉(zhuǎn)矩 是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動情況下的最大輸出轉(zhuǎn)矩值，它與運行的頻率有關。3. 響應頻率在某一頻率范圍，步

33、進電機可以任意運行而不丟失一步，則這一最大頻率稱為響應頻率。通常用起動頻率fst來作為衡量的指標，它是能不丟步地起動的極限頻率，有時也叫做突跳頻率或牽入頻率。對于一定的步進電機及驅(qū)動器，起動頻率的值與負載的大小有關，負載的大小包含負載轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)動慣量兩個方面的意義。4. 運行頻率運行頻率是指頻率連續(xù)上升時，電動機能不失步運行的極限頻率。它的值也與負載的大小有關。在相同負載情況下，連續(xù)頻率fc的值遠大于響應頻率或起動頻率f0st。2.3.5步進電動機的運行特性 1. 矩角特性 矩角特性是反映步進電機電磁轉(zhuǎn)矩t隨偏轉(zhuǎn)角的關系。定子一相繞組通以直流電后，如果轉(zhuǎn)子上沒有負載轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)子齒和通電相

34、磁極上的小齒對齊，這個位置稱為步進電機的初始平衡位置。當轉(zhuǎn)子有負載作用時，轉(zhuǎn)子齒就要偏離初始位置，由于磁力線有力圖縮短的傾向，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直到這個轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡。轉(zhuǎn)子齒偏離初始平衡位置的角度就叫做偏離角。若用電度角e表示偏轉(zhuǎn)角，則由于定子每相繞組通電循環(huán)一周，對應轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過一個齒矩角，故電度角是空間角度的z倍，即e=z。而t=f（e）就是矩角特性曲線。此曲線可近似的用一條正弦曲線表示，如圖所示。從圖看出，e達到/2或-/2時，即在定子齒與轉(zhuǎn)子齒錯過1/4個齒距時，轉(zhuǎn)矩t達到最大值，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩tsmax。步進電機的負載轉(zhuǎn)矩必須小于最大靜轉(zhuǎn)矩，否則，根本帶不動負載。為了能穩(wěn)定運

35、行，負載轉(zhuǎn)矩一般只能是最大靜轉(zhuǎn)矩的30%50%左右。因此，這一特性反映了步進電機帶負載的能力，通常在技術數(shù)據(jù)中都有說明，它是步進電機的最主要的性能指標之一。2. 單步運行特性 加一個控制脈沖改變一次通電狀態(tài)，步進電動機的這種工作狀態(tài)稱為單步運行。 (1)穩(wěn)定區(qū)。設初始時對應于步進電動機u相的矩角特性曲線如圖318所示。在外力矩作用下步進電動機轉(zhuǎn)子偏離一角度日e (e為用電角度表示的定子齒軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線之夾角)，只要滿足e，當外力矩消失后，在步進電動機自身的電磁力矩作用下轉(zhuǎn)子仍能回到原平衡點o，將至區(qū)間稱為步進電動機的靜穩(wěn)定區(qū)。若改變步進電動機通電狀態(tài)，如v相通電，矩角特性向前移動一個距角be

36、(電角度)如圖318所示的曲線v，新的平衡點o1，對應的新穩(wěn)定區(qū)為(十be)至(十be)。在改變通電狀態(tài)前或改變過程中，只要轉(zhuǎn)子的步進角e滿足(十be)e(十be)。步進電動機轉(zhuǎn)子就可趨向新的平衡點，稱區(qū)間(十be)至(十be)為動穩(wěn)定區(qū)。 · (2)單步運行特性 改變通電狀態(tài)，由u相轉(zhuǎn)為v相，矩角特性便從u相平衡點o躍到v相矩角特性的a點，轉(zhuǎn)子在正電磁力矩作用下加速地向新平衡點o1轉(zhuǎn)動。到達o1時，由于轉(zhuǎn)子積累的動能使其沖過平衡點繼續(xù)轉(zhuǎn)動，這時轉(zhuǎn)子受到與轉(zhuǎn)角相反方向的電磁力矩作用(負電磁力矩)，試圖將轉(zhuǎn)子拉回到o1點，轉(zhuǎn)子開始減速為零。雖然轉(zhuǎn)子沖過平衡點，但只要轉(zhuǎn)角e不超過動穩(wěn)定區(qū)

37、，即：e(十be)，在負電磁力矩作用下仍可返回新平衡點o1。同理，當返回到o1時，由于積累的動能使轉(zhuǎn)子又反方向沖過o1點，在正電磁力矩作用下又可返回新平衡點o1，。 步進電動機轉(zhuǎn)子的力矩方程為 （2.7）式中：te為電磁力矩；j為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，為轉(zhuǎn)子小齒輪軸線與定子齒軸線間夾角；z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；c為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)部分的阻尼系數(shù)。 te=tmsin（bee）=tm（bee） （2.8）式中：tm為電磁力矩最大值。由上式可得 tm（bee）= （2.9）也可寫成+ tme=tmbe （2.10）令 （步進電動機無阻尼固有角頻率）， （步進電動機阻尼率）因此，步進電動機阻尼固有角頻率為 （2.11）步進電動

38、機阻尼固有頻率為 （2.12）3.加減速特性描述了步進電動機由靜止到工作頻率或由工作頻率到靜止的加減速過程中，勵磁繞組通電狀態(tài)的變化頻率f與時間t的關系。當要求步進電動機起動到大于起動頻率的工作頻率f時，速度必須上升；當從最高工作頻率fmax一或高于起動頻率的工作頻率f停止時，速度必須下降。步進電動機在起停和調(diào)速過程中，其加減速的時間常數(shù)和不能過小，否則會出現(xiàn)失步或越步，使用中應加以注意。 4.脈沖信號頻率對電機運行的影響 當脈沖信號頻率很低時，控制脈沖以矩形波輸入，電流波形比較接近于理想的矩形波。如果脈沖信號頻率增高，由于電動機繞組的電感有阻止電流變化的作用，因此電流波形發(fā)生畸變。在開始通電

39、瞬間，由于電流不能突變，其值不能立即升起，故使轉(zhuǎn)矩下降，使起動轉(zhuǎn)矩減小，有可能起動不起來。在斷電的瞬間，電流也不能迅速下降，而產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩致使電動機不能正常工作。如果脈沖頻率很高，則電流還來不及上升到穩(wěn)定值i就開始下降，于是，電流的幅值降低。因而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減小致使帶負載的能力下降。故頻率過高會使步進電動機起動不了或運行時失步而停機。因此，脈沖信號頻率不能過高過低，要有一定的限制2.3.6步進電機的選型本設計選擇的電機型號為45bf008；步距角為1.5o ；步進電機空載啟動頻率500hz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(zhuǎn)。在有

40、負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速從低速升到高速）；選擇低于啟動頻率480hz 設定啟動轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分，電機六拍工作方式時電機步距角為1.5o/s，電機轉(zhuǎn)動一圈為360o ，360/1.5=240個脈沖；240個脈沖/s走一圈。240*25=6000個脈沖/ 分（100脈沖/s），推出1000ms/100=10ms/脈沖。2.4步進電機驅(qū)動電路 為了提高步進電機系統(tǒng)的性能和效率，一般對驅(qū)動電路有如下要求：(1)通電周期內(nèi)能提供足夠大的矩形波或類似矩形波的電流；(2)具有截止電流釋放回路，以

41、降低相繞組兩端的反電勢，加快電流衰減；(3)驅(qū)動電源效率高，功耗低，運行可靠、穩(wěn)定；(4)成本低，便于生產(chǎn)。如果脫離了驅(qū)動電路來談步進電機的性能是不恰當?shù)?，所以我們先了解步進電機的驅(qū)動方式，步進電機的驅(qū)動方式有多種，我們可以根據(jù)實際的需要來選用合適的驅(qū)動方式。2.4.1單電壓驅(qū)動單電壓驅(qū)動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源對繞組供電。如圖2.7所示：圖2.7單電壓驅(qū)動電路電路中的限流電阻r1決定了時間常數(shù)(步進電機的勵磁繞組是一個電感線圈，其電感l(wèi)和回路總電阻r總之比稱為電機驅(qū)動回路的時間常數(shù))，但r1太大會使繞組供電電流減小。這一矛盾不能解決時，會使電動機的高頻性能下降?？稍趓1兩端并

42、聯(lián)一個電容以使電流的上升波形變陡，來改善高頻特性。但這樣做又使低頻性能變差。這種驅(qū)動方式的優(yōu)點是：電路簡單；缺點：r1在工作中要消耗一定能量，所以電路損耗大，效率低。 2.4.2 雙電壓驅(qū)動 雙電壓驅(qū)動有兩種方法：雙電壓法和低電壓法。1.雙電壓法雙電壓法的基本思路是：在低頻段使用較低的電壓驅(qū)動，在高頻段用較高的電壓驅(qū)動。當電機工作在低頻時，給t1低電平，使t1關斷。這時電動機的繞組低電壓vl供電，控制脈沖通過t2使繞組得到低壓脈沖電源。如圖2.8所示。圖2.8雙電壓法驅(qū)動電路當電機工作在高頻時，給t1高電平使t1打開。這時二極管d2方向截止，切斷低電壓電源vl，電機繞組由高電壓vh供電，控制脈

43、沖通過 t2使繞組得到高壓脈沖電源。這種驅(qū)動方法的優(yōu)點：當電機工作在高頻段時有很好的高頻性能；缺點：沒法擺脫單電壓驅(qū)動的弱點，在限流電阻r上仍然會產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。 2.高低壓法高低壓法的基本思路是：不論電動機工作的頻段如何，在繞組通電的開始用高壓供電，使套組中電流迅速上升，而后用抵押來維持繞組中的電流。高低壓驅(qū)動電路的原理如圖2.9所示。高壓開關管t1的輸入脈沖uh與低壓開關管t2的輸入同時起步。兩個脈沖同時使開關管t1、t2導通，使高電壓vh為電動機繞組供電。這使得繞組中的電流i迅速上升，電流波形前沿很陡，如圖2.10所示的波形圖。當脈沖uh降為低電平時，高壓開關管t1截止，高電壓被切斷，低

44、電壓vl繼續(xù)通過二極管d2為繞組供電。這種驅(qū)動電路的有點是：由于電路中沒有串聯(lián)電阻，而且繞組的電阻小，所以低電壓只需數(shù)伏就可以為繞組提供較大的電流；缺點是：由于這種驅(qū)動在低頻時電流有較大的上沖，所以電動機低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，且在高低壓交接處有一個凹陷，這樣會使得輸出轉(zhuǎn)矩下降。圖2.9高低壓法驅(qū)動原理圖 圖2.10高低壓法驅(qū)動電流波形圖2.4.3 斬波驅(qū)動斬波驅(qū)動電路的原理如圖2.11所示。圖2.11 斬波驅(qū)動原理圖t2每導通一次，t1導通多次，繞組的電流波形為鋸齒形。這樣的驅(qū)動電路它的優(yōu)點是：有效的抑制了共振，克服了高低壓驅(qū)動繞組轉(zhuǎn)矩下降的缺點，提高了電源效率和高頻性能；缺點是：由

45、于電流波形為鋸齒形，所以會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。 2.4.4 細分驅(qū)動由于步進電機的繞組產(chǎn)生的電磁力和繞組通電電流大小有關，假設通 電相的電流不是一步到位，而且斷電相的電流也不是馬上一步為0時，它們所產(chǎn)生的磁場合力會使步進電機的轉(zhuǎn)子有一個新的平衡位置，這個新的平衡位置是在原來的步距范圍內(nèi)。也就是說，如果繞組中的電流的波形不再是一個近似方波，而是一個分成n個階級的近似梯形波，則電流每升或降低一步時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一小步。當轉(zhuǎn)子按照這樣的規(guī)律轉(zhuǎn)過n小步時，實際上相當于它轉(zhuǎn)過了一個步距角，它的各相電流波形如圖2.12所示。圖2.12細分驅(qū)動電流波形圖這種將一個步距角細分成若干小步的驅(qū)動方法就稱為細分驅(qū)動。這

46、種驅(qū)動電路的優(yōu)點：大大提高了步進電機對執(zhí)行機構的控制精度，同時減小或消除了噪聲、振蕩和轉(zhuǎn)矩波動。是一種比較理想的驅(qū)動方式。2.4.5 集成電路驅(qū)動 集成電路驅(qū)動就是將驅(qū)動電路集成在一塊芯片上，它們大多都集驅(qū)動和保護于一體。目前，已有多種步進電機驅(qū)動集成電路芯片，作為小功率步進電機驅(qū)動的專用驅(qū)動芯片，被廣泛應用于小型儀表、計算機外設等領域，使用起來非常方便。可以說驅(qū)動電路集成化已經(jīng)成為驅(qū)動電路的一種趨勢。具體的芯片如：ucn5804b等。 經(jīng)過以上的比較介紹，本設計采用單電壓驅(qū)動。2.5 基于單片機的步進電機調(diào)速2.5.1 at89c51單片機簡介at89c51是美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓，

47、高性能的cmos8位單片機片內(nèi)4kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（perom）和128bytes的隨機存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失存儲技術生產(chǎn)，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（cpu）和flash存儲單元，功能強大。at89c51單片機可為你提供許多高性價的應用場合，可靈活的應用于各種控制領域。圖2.13 單片機at89c51主要性能參數(shù)：·與mcs-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)的全兼容 ·4k字節(jié)可重擦寫flash閃速存儲器·1000次可擦寫周期·全靜態(tài)操作：0hz-24mhz·三級加密程序存儲

48、器·128×8字節(jié)內(nèi)部ram ·32個可編程i/o口線·2個16位定時/計數(shù)器·6個中斷源·可編程串行uart通道·低功耗空閑和掉電模式 （1）at89c51引腳功能說明：·vcc：電源電壓·gnd：地·p0口：po口是一組8位漏極開路行雙向i/o口，也既地址/數(shù)據(jù)總線復用口?？勺鳛檩敵隹谑褂脮r，每位可吸收電流的方式驅(qū)動8個ttl邏輯電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，

49、po口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求接上拉電阻。·p1口：p1口是一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p1的輸入緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸出口。作輸入口時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流（i）。flash編程和程序校驗期間，p1口接收8位地址。·p2口：p2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2的輸入緩沖極可以驅(qū)動（輸入或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時和作為輸出口，作輸

50、出口時，因為存在內(nèi)部上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部存儲器或1位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行movxdptr指令）時，p2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行movxri指令）時，p2口線的內(nèi)容（也既特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中r2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。flash編程或校驗時，p2亦接收高地址和其他控制信號。·p3口：p3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p1的輸入緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對p3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸出端口。作輸出端口時，被外部拉低的p

51、3口將用上拉電阻輸出電流。p3口除可作為一般的i/o口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.1所示：表2.1 at89c51端口p3口還接收一些用于flas 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號·rst：復位輸出。當震蕩器工作時，rst引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平使機器復位。 ·ale/當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)，即使不訪問外部字節(jié)，ale仍時鐘震蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘脈沖或用于定時目的。要注意的是：每次訪問外部存儲器時將跳過一個ale脈沖。對flash存儲器編程期間，該引

52、腳還要輸入編程脈沖（）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的8eh單元的d0位置位，可禁止ale操作。該位置位后，只有一條movx和movc指令可激活。此外，此引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應該置ale無效。·：程序存入允許（）輸出的是外部程序存儲器的讀選通信號，當at89c51由外部程序取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次有效，既輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的信號不出現(xiàn)。·ea/vpp：外部訪問允許。欲使cpu僅訪問外部程序存儲器（地址為0000h-ffffh），ea端必須保持低電平（接地）。要注意的是：如果加密位lb1被

53、編程，復位時內(nèi)部會鎖存ea端狀態(tài)。flash存儲器編程時，該引腳加上+12v的編程允許電源vpp，當然這必須是該器件是使用12v的編程電壓vpp。·xtal1：震蕩器反向放大器及內(nèi)部時鐘的輸入端。·xaal2：震蕩器反向放大器的輸出端。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻的觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的所以外部 表2.2 at89c51寄存器寄存器內(nèi)容寄存器內(nèi)容pc0000htmod00hacc00htcom00hb00hth000hpsw00htlo00hsp07hth100h0dptr0000hth100hp1p30ffhscon00hipxxx00000sbuf不定ie0xx

54、x00000pcon0xxx00000時鐘的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)的時間和最大低電平持續(xù)的時間應符合產(chǎn)品技術條件的要求。（2）at89c51控制信號rst/vpd（9腳）復位信號時鐘電路工作后，在引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平，芯片內(nèi)部進行初始復位，復位后片內(nèi)存儲器的狀態(tài)如表所示，p1p3口輸出高電平，初始值07h寫入堆棧指針sp、清0程序計數(shù)器pc和其余特殊功能寄存器，但始終不影響片內(nèi)ram狀態(tài)，只要該引腳保持高電平，89c51將循環(huán)復位，rat/vpd從高電平到低電平單片機將從0號單元開始執(zhí)行程序，另外該引腳還具有復用功能，只要將vpd接+5v備用電源，一旦vcc電位突然降低或斷電，能保護片內(nèi)ram中的信息不丟失，恢復電后能正常工作。at89c81通常采用上電自動復位和開關手動復位，我們采用的是手動復位開關如圖2.14所示：圖2.14復位電路手動開關未按下之前，電容正極處于加電狀態(tài)，當按鍵按下去后，vcc與gnd導通，電容放電，從而實現(xiàn)放電。2.5.