基于串口通信的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、題 目：基于串口通信的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)iv內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 基于串口通信的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要本設(shè)計(jì)方案中采用基于串口通信的at89c51型單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器改變cp脈沖的頻率從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速與正反轉(zhuǎn)的功能。在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)應(yīng)用中，串口是計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)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(yīng)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(jī)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)由單片機(jī)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的工作數(shù)據(jù)由串口傳到計(jì)算機(jī)時(shí)，操作人員能夠?qū)崟r(shí)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。而電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號(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)過一個(gè)步距角，所以步進(jìn)電機(jī)每給一個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這樣就可以通過控制步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來改變脈沖的頻率，延時(shí)的長短來具體控制步進(jìn)角來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)調(diào)速；單片機(jī)；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(shì)11.2功能要求及功能實(shí)現(xiàn)概述2第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)32.1整體硬件結(jié)構(gòu)32.2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)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(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)72.3.1反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)72.3.2 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理82.3.3 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)方式92.3.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)102.3.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性112.3.6步進(jìn)電機(jī)的選型132.4步進(jìn)

9、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路142.4.1單電壓驅(qū)動(dòng)142.4.2 雙電壓驅(qū)動(dòng)152.4.3 斬波驅(qū)動(dòng)162.4.4 細(xì)分驅(qū)動(dòng)172.4.5 集成電路驅(qū)動(dòng)172.5 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速182.5.1 at89c51單片機(jī)簡介182.5.2步進(jìn)電機(jī)調(diào)速222.5.2.1步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)232.5.2.2步進(jìn)電機(jī)的加減速25第三章 gui設(shè)計(jì)263.1visual c+263.2步進(jìn)電機(jī)速度控制界面設(shè)計(jì)27第四章 通信模式314.1基本原理314.2單片機(jī)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(jié)束語37附錄a39附錄b40附錄c41內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shì)計(jì)算機(jī)串口編程在通信軟件中有著十分廣泛的應(yīng)用，如電話，傳真，視頻控制等。一般情況下，涉及到遠(yuǎn)程通信，自動(dòng)控制的行業(yè)，通常也會(huì)涉及到串口通信技術(shù)。工業(yè)控制領(lǐng)域經(jīng)常涉及到串行通信問題。為了實(shí)現(xiàn)微機(jī)和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，人們用各種不同方法實(shí)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(shù)就顯得日益重要。在windows應(yīng)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(shè)備通信的問題。計(jì)算機(jī)和單片機(jī)（如mcs-51）都具有串行通信口，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的串口通

11、信程序，完成二者之間的數(shù)據(jù)通信任務(wù)。實(shí)際工作中利用串口完成通信任務(wù)的時(shí)候非常之多。本設(shè)計(jì)是在windows xp操作系統(tǒng)下，設(shè)計(jì)自己的通信協(xié)議，借助vc+6.0編程環(huán)境，使用c語言，實(shí)現(xiàn)串口通信，控制步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處是步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號(hào)的控制。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)環(huán)形分配器、功率放大器使勵(lì)磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵(lì)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(huì)在空間形成一種階躍變化

12、的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子步進(jìn)式的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著脈沖頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會(huì)增大。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)同時(shí)與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動(dòng)的形式，正是這個(gè)特點(diǎn)，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。步進(jìn)電機(jī)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(dòng)機(jī)有較好的性能。步進(jìn)電機(jī)的控制精度隨著發(fā)展在不斷提高，而且在很多場(chǎng)合可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點(diǎn)。近年來，隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的采用，促進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在機(jī)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(jī)床

13、上獲得越來越廣泛的應(yīng)用，由于步進(jìn)電機(jī)不需要a/d轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機(jī)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(dá)。隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在這個(gè)應(yīng)用中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)完成兩個(gè)工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進(jìn)電機(jī)也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機(jī)同步系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也可以并用在其他的機(jī)械上，比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動(dòng)器

14、的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，復(fù)印件，速印機(jī)，銀行自動(dòng)柜員機(jī)和繪圖儀中。1.2功能要求及功能實(shí)現(xiàn)概述設(shè)計(jì)適合的串口通信協(xié)議，用c語言編寫程序，使得計(jì)算機(jī)能夠定時(shí)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(gè)dialog。再由程序?qū)?shù)據(jù)正確的分配給每一個(gè)控件。當(dāng)操作人員看見異常的數(shù)據(jù)，或希望更改工作參數(shù)時(shí)，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(jī)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。由功能要求分析出總體設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)可以分為三塊：（1）界面設(shè)計(jì)；（2）基于單片機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（3）串口通信協(xié)議設(shè)計(jì)；第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)2.1整體硬件結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速與驅(qū)動(dòng)如圖

15、2.1所示，主要包括脈沖信號(hào)發(fā)生、脈沖分配和功率驅(qū)動(dòng)三大部分。 2.1步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速與驅(qū)動(dòng)框圖（1）脈沖信號(hào)發(fā)生部分 這是一個(gè)頻率從幾赫茲到幾萬赫茲連續(xù)可調(diào)的變頻信號(hào)源，可用微機(jī)來產(chǎn)生，也可以用專門的硬件電路產(chǎn)生。脈沖信號(hào)發(fā)生部分能夠精確輸出脈沖數(shù)量和頻率，因此能夠準(zhǔn)確地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。（2）脈沖分配部分 步進(jìn)電機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)部分 經(jīng)脈沖分配部分輸出的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率很小，而步進(jìn)電機(jī)繞組的激磁需要相當(dāng)大的電流，所以還需進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。另外，為了防止干擾，脈沖分配送

16、出的脈沖還需要進(jìn)行光電隔離。2.2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)2.2.1硬件的基本組成該電路是由單片機(jī)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(shí)鐘震蕩器：at89c51中有一個(gè)構(gòu)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(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英或陶瓷震蕩器一起構(gòu)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(gòu)成并聯(lián)震蕩電路。對(duì)外接電容c1、c2雖然沒有非常嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)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(shí)鐘，采用外部時(shí)鐘如圖2.3所示。在這種情況下，外部時(shí)鐘脈沖接到xtal1端，既內(nèi)部時(shí)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(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)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(dāng)電信號(hào)送人光電耦合器的輸入端時(shí)，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(dǎo)通；當(dāng)輸入端無信號(hào)，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止，ce不通。對(duì)于數(shù)字量，當(dāng)輸人為低電子"0"時(shí)，光敏三極管截止，輸出為高電平"1"；當(dāng)輸人為高電平"1"時(shí)，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平"0"。若基極有出線則可滿足溫度補(bǔ)償、檢測(cè)調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好，價(jià)格便宜，因而應(yīng)用廣泛。光電耦合器之所以在傳輸信號(hào)的同時(shí)能有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，使通道上的信號(hào)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(huì)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(hào)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(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷妮?/p>

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(yīng)速度極快，其響應(yīng)延遲時(shí)間只有10s左右，適于對(duì)響應(yīng)速度要求很高的場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)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(hào)送到線路上。在接受方面，max232從線路上接受10v信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換成+5v電平。實(shí)際上max232只是一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器，但是只需要+5

21、v電源與45個(gè)小電容（10uf即可）就可以同時(shí)提供雙向電平調(diào)整。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)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(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個(gè)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(gòu)成兩個(gè)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(shè)計(jì)流程如下：前期準(zhǔn)備->pcb結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)->pcb布局->布線優(yōu)化和絲印->制版。第一：前期準(zhǔn)備。這包括準(zhǔn)備元件庫和原理圖。要做出一塊好的板子，除了要設(shè)計(jì)好原理之外，還要畫得好。在進(jìn)行pcb設(shè)計(jì)之前，首先要準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)比較松，只要注意定義好管腳屬性和與pcb元件的對(duì)應(yīng)關(guān)系就行。ps：注意標(biāo)準(zhǔn)庫中的隱藏管腳。之后就是原理圖的設(shè)計(jì)，做好后就準(zhǔn)備開始做pcb設(shè)計(jì)了。 第二：pcb結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這一步根據(jù)已經(jīng)確定的電路板尺寸和各項(xiàng)機(jī)械定位，在pcb 設(shè)計(jì)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(guān)、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(shí)如果前面講到的準(zhǔn)備工作都做好的話，就可以在原理圖上生成網(wǎng)絡(luò)表（design->create netlist），之后在pcb圖上導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)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(duì)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(shí)還可能需要鋪電源。時(shí)對(duì)于絲印，要注意不能被器件擋住或被過孔和焊盤去掉。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)正視元件面，底層的字應(yīng)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(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)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(duì)多相定子繞組輪流進(jìn)行勵(lì)磁。轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子本身沒有勵(lì)磁繞組的叫做“反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)” ；用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的叫做“永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)” 。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，但其工作原理都大同小異，本設(shè)計(jì)用的就是三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。2.3.1反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2.5所示是一個(gè)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。圖2.5反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖從圖中可以看出，它分成轉(zhuǎn)子和定子兩個(gè)部分。定子由硅鋼片疊成。定

26、子上有六個(gè)磁極（大極），每兩個(gè)相對(duì)的磁極（n、s極）組成一對(duì)，共3對(duì)。每對(duì)磁極都纏有同一繞組，也即形成一相，這樣3對(duì)磁極有3對(duì)繞組，形成3相?？梢缘贸?，四相步進(jìn)電機(jī)有4對(duì)磁極、4對(duì)繞組，5相步進(jìn)電機(jī)有5對(duì)磁極、5對(duì)繞組以此類 推。每個(gè)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(jì)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(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)原理如圖2.

27、6所示是三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理圖。 圖2.6反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子組成。定子上有a、b、c三對(duì)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(duì)繞組中通直流電流，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)a、b、c三對(duì)磁極的繞組依次輪流通電，則a、b、c三對(duì)磁極依次產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。(1)當(dāng)a相通電，b相和c相不通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(duì)齊。2、4兩齒與b、c兩磁極相對(duì)錯(cuò)開。(2)當(dāng)b相通電、c相和a相斷電時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(shí)針方向旋

28、轉(zhuǎn)，2、4齒與b相磁極對(duì)齊。1、3兩齒與c、a兩磁極相對(duì)錯(cuò)開。(3)當(dāng)c相通電，a相和b相斷電時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(shí)針方向又旋轉(zhuǎn)，1、3齒與c相磁極對(duì)齊。2、4兩齒與a、b兩磁極相對(duì)錯(cuò)開。綜上所述，可以得到如下結(jié)論：(1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(gè)確定的角度，即步距角；(2)改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)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(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)方式反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)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(jìn)電機(jī)若按abc通電相序連續(xù)通電，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就連續(xù)地沿逆時(shí)針方向旋動(dòng)，每換接一次通電相序，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過，即步距角為。如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子磁極通電相序按acb進(jìn)行，則轉(zhuǎn)子沿順時(shí)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(dòng)一個(gè)步距角，故所謂“三拍”是指通電換接三次后完成一個(gè)通電周期。(2)雙三拍工作方式三相步進(jìn)電機(jī)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(duì)兩相同時(shí)通電，即所謂的“雙”；磁場(chǎng)

30、旋轉(zhuǎn)一周需要換相三次，即所謂“三拍”，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角，這與但三拍是一樣的。在雙三拍工作方式中，步進(jìn)電機(jī)正向通電的順序?yàn)椋篴bbcca；反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篵aaccb。(3)六拍工作方式六拍工作方式也是步進(jìn)電機(jī)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(lì)磁法。步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篴abbbccca；反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篴acccbbba?？梢姡艌?chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，通電需要換相6次（即六拍），轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(dòng)一個(gè)齒距角需要六拍，所以，六拍工作時(shí)，步距角要比單三拍和雙三拍的步距角小一半，即步進(jìn)電機(jī)的精度提高了一倍。

31、2.3.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)1. 步矩角步矩角是指每給一個(gè)電脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過角度的理論值，它是步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)之一。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)步矩角大小的要求不同。它的大小直接影響步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行頻率。因此，在選擇步進(jìn)電機(jī)的步矩角b時(shí)，若通電方式和系統(tǒng)的傳動(dòng)比已初步確定，則步矩角應(yīng)滿足 b<imin （2.3）式中：i為傳動(dòng)比；min為負(fù)載軸要求的最小位移增量（或稱脈沖當(dāng)量，即每一個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的負(fù)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(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的最大值或轉(zhuǎn)角不超過一定值時(shí)的轉(zhuǎn)矩值。通常反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩為零，而若干類型的永磁式

32、步進(jìn)電機(jī)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(dāng)繞組內(nèi)的電流值不變時(shí)，靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系稱為矩角特性。 負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為 tl=（0.30.5）tsmax （2.4）為保證步進(jìn)電機(jī)在系統(tǒng)中正常工作，還必須滿足: tst>tlmax （2.5） 式中：tst為步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；tlmax為步進(jìn)電機(jī)最大靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 通常取 tst=tlmax/（0.30.5） （2.6）以便有相當(dāng)?shù)牧貎?chǔ)蓄。3）動(dòng)轉(zhuǎn)矩 是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)情況下的最大輸出轉(zhuǎn)矩值，它與運(yùn)行的頻率有關(guān)。3. 響應(yīng)頻率在某一頻率范圍，步

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

34、磁極上的小齒對(duì)齊，這個(gè)位置稱為步進(jìn)電機(jī)的初始平衡位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子有負(fù)載作用時(shí)，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(gè)轉(zhuǎn)矩與負(fù)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(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過一個(gè)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(dá)到/2或-/2時(shí)，即在定子齒與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)過1/4個(gè)齒距時(shí)，轉(zhuǎn)矩t達(dá)到最大值，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩tsmax。步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須小于最大靜轉(zhuǎn)矩，否則，根本帶不動(dòng)負(fù)載。為了能穩(wěn)定運(yùn)

35、行，負(fù)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(jìn)電機(jī)帶負(fù)載的能力，通常在技術(shù)數(shù)據(jù)中都有說明，它是步進(jìn)電機(jī)的最主要的性能指標(biāo)之一。2. 單步運(yùn)行特性 加一個(gè)控制脈沖改變一次通電狀態(tài)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的這種工作狀態(tài)稱為單步運(yùn)行。 (1)穩(wěn)定區(qū)。設(shè)初始時(shí)對(duì)應(yīng)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)u相的矩角特性曲線如圖318所示。在外力矩作用下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dāng)外力矩消失后，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身的電磁力矩作用下轉(zhuǎn)子仍能回到原平衡點(diǎn)o，將至區(qū)間稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜穩(wěn)定區(qū)。若改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電狀態(tài)，如v相通電，矩角特性向前移動(dòng)一個(gè)距角be

36、(電角度)如圖318所示的曲線v，新的平衡點(diǎn)o1，對(duì)應(yīng)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(jìn)角e滿足(十be)e(十be)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就可趨向新的平衡點(diǎn)，稱區(qū)間(十be)至(十be)為動(dòng)穩(wěn)定區(qū)。 · (2)單步運(yùn)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(diǎn)o躍到v相矩角特性的a點(diǎn)，轉(zhuǎn)子在正電磁力矩作用下加速地向新平衡點(diǎn)o1轉(zhuǎn)動(dòng)。到達(dá)o1時(shí)，由于轉(zhuǎn)子積累的動(dòng)能使其沖過平衡點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)轉(zhuǎn)子受到與轉(zhuǎn)角相反方向的電磁力矩作用(負(fù)電磁力矩)，試圖將轉(zhuǎn)子拉回到o1點(diǎn)，轉(zhuǎn)子開始減速為零。雖然轉(zhuǎn)子沖過平衡點(diǎn)，但只要轉(zhuǎn)角e不超過動(dòng)穩(wěn)定區(qū)

37、，即：e(十be)，在負(fù)電磁力矩作用下仍可返回新平衡點(diǎn)o1。同理，當(dāng)返回到o1時(shí)，由于積累的動(dòng)能使轉(zhuǎn)子又反方向沖過o1點(diǎn)，在正電磁力矩作用下又可返回新平衡點(diǎn)o1，。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)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(jìn)電動(dòng)機(jī)無阻尼固有角頻率）， （步進(jìn)電動(dòng)機(jī)阻尼率）因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)阻尼固有角頻率為 （2.11）步進(jìn)電動(dòng)

38、機(jī)阻尼固有頻率為 （2.12）3.加減速特性描述了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(lì)磁繞組通電狀態(tài)的變化頻率f與時(shí)間t的關(guān)系。當(dāng)要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)到大于起動(dòng)頻率的工作頻率f時(shí)，速度必須上升；當(dāng)從最高工作頻率fmax一或高于起動(dòng)頻率的工作頻率f停止時(shí)，速度必須下降。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在起停和調(diào)速過程中，其加減速的時(shí)間常數(shù)和不能過小，否則會(huì)出現(xiàn)失步或越步，使用中應(yīng)加以注意。 4.脈沖信號(hào)頻率對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響 當(dāng)脈沖信號(hào)頻率很低時(shí)，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(hào)頻率增高，由于電動(dòng)機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，有可能起動(dòng)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(dòng)機(jī)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(fù)載的能力下降。故頻率過高會(huì)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)不了或運(yùn)行時(shí)失步而停機(jī)。因此，脈沖信號(hào)頻率不能過高過低，要有一定的限制2.3.6步進(jìn)電機(jī)的選型本設(shè)計(jì)選擇的電機(jī)型號(hào)為45bf008；步距角為1.5o ；步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)頻率500hz即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有

40、負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）；選擇低于啟動(dòng)頻率480hz 設(shè)定啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分，電機(jī)六拍工作方式時(shí)電機(jī)步距角為1.5o/s，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈為360o ，360/1.5=240個(gè)脈沖；240個(gè)脈沖/s走一圈。240*25=6000個(gè)脈沖/ 分（100脈沖/s），推出1000ms/100=10ms/脈沖。2.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 為了提高步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的性能和效率，一般對(duì)驅(qū)動(dòng)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(shì)，加快電流衰減；(3)驅(qū)動(dòng)電源效率高，功耗低，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定；(4)成本低，便于生產(chǎn)。如果脫離了驅(qū)動(dòng)電路來談步進(jìn)電機(jī)的性能是不恰當(dāng)?shù)模晕覀兿攘私獠竭M(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有多種，我們可以根據(jù)實(shí)際的需要來選用合適的驅(qū)動(dòng)方式。2.4.1單電壓驅(qū)動(dòng)單電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只用一個(gè)電壓電源對(duì)繞組供電。如圖2.7所示：圖2.7單電壓驅(qū)動(dòng)電路電路中的限流電阻r1決定了時(shí)間常數(shù)(步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組是一個(gè)電感線圈，其電感l(wèi)和回路總電阻r總之比稱為電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路的時(shí)間常數(shù))，但r1太大會(huì)使繞組供電電流減小。這一矛盾不能解決時(shí)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的高頻性能下降?？稍趓1兩端并

42、聯(lián)一個(gè)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(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是：電路簡單；缺點(diǎn)：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(dòng) 雙電壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)，在高頻段用較高的電壓驅(qū)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)工作在低頻時(shí)，給t1低電平，使t1關(guān)斷。這時(shí)電動(dòng)機(jī)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(dòng)電路當(dāng)電機(jī)工作在高頻時(shí)，給t1高電平使t1打開。這時(shí)二極管d2方向截止，切斷低電壓電源vl，電機(jī)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(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)電機(jī)工作在高頻段時(shí)有很好的高頻性能；缺點(diǎn)：沒法擺脫單電壓驅(qū)動(dòng)的弱點(diǎn)，在限流電阻r上仍然會(huì)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(dòng)機(jī)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(dòng)電路的原理如圖2.9所示。高壓開關(guān)管t1的輸入脈沖uh與低壓開關(guān)管t2的輸入同時(shí)起步。兩個(gè)脈沖同時(shí)使開關(guān)管t1、t2導(dǎo)通，使高電壓vh為電動(dòng)機(jī)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(dāng)脈沖uh降為低電平時(shí)，高壓開關(guān)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(dòng)電路的有點(diǎn)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(diǎn)是：由于這種驅(qū)動(dòng)在低頻時(shí)電流有較大的上沖，所以電動(dòng)機(jī)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(gè)凹陷，這樣會(huì)使得輸出轉(zhuǎn)矩下降。圖2.9高低壓法驅(qū)動(dòng)原理圖 圖2.10高低壓法驅(qū)動(dòng)電流波形圖2.4.3 斬波驅(qū)動(dòng)斬波驅(qū)動(dòng)電路的原理如圖2.11所示。圖2.11 斬波驅(qū)動(dòng)原理圖t2每導(dǎo)通一次，t1導(dǎo)通多次，繞組的電流波形為鋸齒形。這樣的驅(qū)動(dòng)電路它的優(yōu)點(diǎn)是：有效的抑制了共振，克服了高低壓驅(qū)動(dòng)繞組轉(zhuǎn)矩下降的缺點(diǎn)，提高了電源效率和高頻性能；缺點(diǎn)是：由

45、于電流波形為鋸齒形，所以會(huì)產(chǎn)生較大的電磁噪聲。 2.4.4 細(xì)分驅(qū)動(dòng)由于步進(jìn)電機(jī)的繞組產(chǎn)生的電磁力和繞組通電電流大小有關(guān)，假設(shè)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(shí)，它們所產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子有一個(gè)新的平衡位置，這個(gè)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(gè)近似方波，而是一個(gè)分成n個(gè)階級(jí)的近似梯形波，則電流每升或降低一步時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一小步。當(dāng)轉(zhuǎn)子按照這樣的規(guī)律轉(zhuǎn)過n小步時(shí)，實(shí)際上相當(dāng)于它轉(zhuǎn)過了一個(gè)步距角，它的各相電流波形如圖2.12所示。圖2.12細(xì)分驅(qū)動(dòng)電流波形圖這種將一個(gè)步距角細(xì)分成若干小步的驅(qū)動(dòng)方法就稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。這

46、種驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)：大大提高了步進(jìn)電機(jī)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度，同時(shí)減小或消除了噪聲、振蕩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。是一種比較理想的驅(qū)動(dòng)方式。2.4.5 集成電路驅(qū)動(dòng) 集成電路驅(qū)動(dòng)就是將驅(qū)動(dòng)電路集成在一塊芯片上，它們大多都集驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體。目前，已有多種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路芯片，作為小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的專用驅(qū)動(dòng)芯片，被廣泛應(yīng)用于小型儀表、計(jì)算機(jī)外設(shè)等領(lǐng)域，使用起來非常方便?？梢哉f驅(qū)動(dòng)電路集成化已經(jīng)成為驅(qū)動(dòng)電路的一種趨勢(shì)。具體的芯片如：ucn5804b等。 經(jīng)過以上的比較介紹，本設(shè)計(jì)采用單電壓驅(qū)動(dòng)。2.5 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速2.5.1 at89c51單片機(jī)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(jī)片內(nèi)4kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（perom）和128bytes的隨機(jī)存儲(chǔ)器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。at89c51單片機(jī)可為你提供許多高性價(jià)的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活的應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。圖2.13 單片機(jī)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(chǔ)器·1000次可擦寫周期·全靜態(tài)操作：0hz-24mhz·三級(jí)加密程序存儲(chǔ)

48、器·128×8字節(jié)內(nèi)部ram ·32個(gè)可編程i/o口線·2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器·6個(gè)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(fù)用口。可作為輸出口使用時(shí)，每位可吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl邏輯電路，對(duì)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(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，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，

49、po口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求接上拉電阻。·p1口：p1口是一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p1的輸入緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)ttl邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸出口。作輸入口時(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)輸出一個(gè)電流（i）。flash編程和程序校驗(yàn)期間，p1口接收8位地址。·p2口：p2口是一個(gè)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(dòng)（輸入或輸出電流）4個(gè)ttl邏輯門電路。對(duì)端口“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)和作為輸出口，作輸

50、出口時(shí)，因?yàn)榇嬖趦?nèi)部上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問外部存儲(chǔ)器或1位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行movxdptr指令）時(shí)，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(chǔ)器（如執(zhí)行movxri指令）時(shí)，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(gè)訪問期間不改變。flash編程或校驗(yàn)時(shí)，p2亦接收高地址和其他控制信號(hào)。·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(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)ttl邏輯門電路。對(duì)p3口寫入“1”時(shí)，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(shí)，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(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)·rst：復(fù)位輸出。當(dāng)震蕩器工作時(shí)，rst引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平使機(jī)器復(fù)位。 ·ale/當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)鐘震蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘脈沖或用于定時(shí)目的。要注意的是：每次訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ale脈沖。對(duì)flash存儲(chǔ)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(duì)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(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)該置ale無效。·：程序存入允許（）輸出的是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)at89c51由外部程序取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，既輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的信號(hào)不出現(xiàn)。·ea/vpp：外部訪問允許。欲使cpu僅訪問外部程序存儲(chǔ)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(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的編程電壓vpp。·xtal1：震蕩器反向放大器及內(nèi)部時(shí)鐘的輸入端。·xaal2：震蕩器反向放大器的輸出端。由于外部時(shí)鐘信號(hào)是通過一個(gè)2分頻的觸發(fā)器后作為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)的時(shí)間和最大低電平持續(xù)的時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。（2）at89c51控制信號(hào)rst/vpd（9腳）復(fù)位信號(hào)時(shí)鐘電路工作后，在引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，芯片內(nèi)部進(jìn)行初始復(fù)位，復(fù)位后片內(nèi)存儲(chǔ)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(jì)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(fù)位，rat/vpd從高電平到低電平單片機(jī)將從0號(hào)單元開始執(zhí)行程序，另外該引腳還具有復(fù)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(hù)片內(nèi)ram中的信息不丟失，恢復(fù)電后能正常工作。at89c81通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和開關(guān)手動(dòng)復(fù)位，我們采用的是手動(dòng)復(fù)位開關(guān)如圖2.14所示：圖2.14復(fù)位電路手動(dòng)開關(guān)未按下之前，電容正極處于加電狀態(tài)，當(dāng)按鍵按下去后，vcc與gnd導(dǎo)通，電容放電，從而實(shí)現(xiàn)放電。2.5.