殷洪亮 机电四班11步进电机运动控制系统设计.docx

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1、毕业设计（论文）（说明书）题目：步进电机运动限制系统设计姓名：殷瞭亮编号:平顶山工业职业技术学院年月日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书姓名殷嚓亮专业机电一体化任务下达日期年月H设计（论文）起先日期年月日设计（论文）完成日期年月日设计（论文）题目：步进电机运动限制系统设计A编制设计B设计专题（毕业论文）指导教师马桂荣系（部）主任平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录机械工程系机电一体化专业,学生殷噫亮于年月日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目：步进电机运动限制系统设计专题（论文）题目：指导老师：马桂荣答辩委员会依据学生提交的毕业设计（论文）材料，依据学生答辩状况，经答

2、辩委员会探讨评定，赐予学生毕业设计（论文）成果为O答辩委员会人,出席人答辩委员会主任（签字）：答辩委员会副主任（签字）：答辩委员会委员：，平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第页共一一页学生姓名：殷瞭亮专业机电一体化年级08级毕业设计（论文）题目：.评阅人：指导老师：（签字）年月日成绩：系（科）主任：（签字）年月日毕业设计（论文）及答辩评语：.1.23.3.44.4.55.5.66.668.8.9.9.9.10.10.11.1112.14.14.15.16.1617.17.18书目3ABSTRACT第1章绪论1.1 步进电机的特点1. 1.1步进电机的工作原理1.2步进电机的技术参数1

3、.2.1步进电机的基本参数2 .2.2步进电机动态指标及术语1. 3步进电机的分类1.1.1 步进电机分为三大类1.1.2 步进电机具体调速原理1.1.3 设计的基本要求第2章系统设计方案的论证2. 1限制方式的确定2. 2驱动方式的确定2. 3驱动电路的选择2. 4基本方案的确定第3章硬件电路的设计3. 1单片机的选择3.1.1单片机的引脚功能3.1.2主要特征3.2步进电机的选择3.2.1三相单三拍通电方式3.2.2三相双三拍通电方式3.3驱动电路的选择3.4光电编码器原理3.5电源电路设计3.6抗干扰设计3.7看门狗电路第4章软件的设计4.1显示子程序的设计4.2正反转程序流程图4.3转

4、速快慢转程序流程图第5章试验结果与分析5.1有关参数的分析5.2变更布局的方式致谢20.20.20.22.23.24参考文献本文论述了步进电机运动限制系统的开发过程，分析了国内步进电机运动限制系统的发展和运用现状，指出了现阶段存在的问题，阐述了步进电机运动限制系统的必要性。论文摘要:步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环限制元件。在非超载的状况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变更的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等限制领域用步进电机来限制变的特别

5、的简洁。步进电机的调速一般是变更输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过限制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来变更脉冲的频率，延时的长短来具体限制步进角来变更电机的转速，从而实现步进电机的调速。在本设计方案中采纳AT89C51型单片机内部的定时器变更CP脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行限制，实现电机调速与正反转的功能.关键词：步进电机单片机调速系统ABSTRACTSensoristestingfirstfeelingsweremeasured,andconvertitintoandmeasuringhavedefi

6、nedcorrespondence,itispowerdevicesinspectionandcontrolsystemisthemostimportantpart.Electromechanicalintegrationisthemainfunction,dynamicmechanicalfunction,informationfunctionandcontrolfunction,andwillintroducemicroelectronicstechnologyofmechanicaldeviceandelectronicdevicesuseorganiccombinationofrela

7、tedsoftware,constitutethefloorboardofthesystem.Inmechatronicssystem,wherethesensorsystem,theroleoftheequivalentsystem,canfeelorgansrapidlyandaccuratelytoobtaininformationandcanwithstandharshenvironmenttest,iselectromechanicalintegrationsystemtoachieveahighlevelofassurance.Suchaslackofthesesensorsont

8、hesystemstateandaccurateandreliableinformationtotheautomaticdetectionsystem,theinformationprocessing,controldecision-makingfunctionscannottalkaboutandrealization.Sensorsinmechatronicssystem,iswidelyusedinmechanicalandelectronicproductsareindispensableinoneofthedevices.Keywords：sensor,electromechanic

9、al,integrationsystem第1章绪论步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的独创也渐渐应用在步进电机上，这对于数字化的限制变得更为简洁。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在须要高定位精度、高分解性能、高响应性、信任性等敏捷限制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很简洁发觉步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置限制、须要精确操作各项指令动作的敏捷限制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化限制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国

10、民经济领域都有应用。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以干脆用数字信号驱动，运用特别便利。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过肯定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要限制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此特别适合于单片机限制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘

11、图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和沟通电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机可以作为一种限制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环限制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制

12、成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变更产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为L8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。1.1 步进电机的特点1 .一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。2 .步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

13、3 .步进电机的力矩会随转速的上升而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。.步进电机低速时可以正常运转,但若高于肯定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载状况下能够正常启动的脉冲频率，假如脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的状况下，启动频率应更低。假如要使电机达到高速转动，脉冲频率应当有加速过程，即启动频率较低，然后按肯定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。1.Ll步进电机的工作原理

14、步进电机是一种用电脉冲进行限制，将电脉冲信号转换成相位移的电机，其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比，每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量确定了旋转的总角度，脉冲的频率确定了电机运转的速度.当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过限制脉冲个数来限制角位移量，从而达到精确定位的目的；同时可以通过限制脉冲频率来限制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。1.2步进电机的技术参数步进电机的基本参数1.空载启动频率：即步进电机在空载状况下能够正常启动的

15、脉冲频率，假如脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的状况下，启动频率更低。假如要使电机达到高速转动，脉冲频率应当有加速过程，即启动频率较低，然后肯定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。2 .电机固有步距角：它表示限制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1,8（表示半步工作时为0.9。、整步工作时为1.8。），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不肯定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。3 .步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、

16、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9。/1.8。、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36。/0.72。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满意自己步距角的要求。假如运用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上变更细分数，就可以变更步距角。4 .保持转矩（HOLDINGTORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变更，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要

17、的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的状况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。TC*MERGEFORMTo1.2.2步进电机动态指标及术语1 .步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。2 .失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。3 .失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采纳细分驱动是不能解决的。4 .最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的状况下，能

18、够干脆起动的最大频率。5 .最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6 .运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。7 .电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-25OPPS之间（步距角1.8度）或在400PPS左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。其它特性

19、还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的静力矩确定而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态流）平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。1.3步进电机的分类1.3.1 步进电机分为三大类1 .反应式步进电机（VAriABIeReluCtAnCe,简称VR）反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简洁，成本距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。2 .永磁式步进电机（PermAnentMAgnet）,简称PM永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极

20、数相同，所以一般步进角比较大，它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小（相比反应式），但启动运行频率较低，还须要正负脉冲供电。3 .混合式步进电机（HyBrid,简称HB）混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以供应软磁材料的工作点，而定子激磁只需供应变更的磁场而不必供应磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的沟通同步机设计的，后来发觉假如各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运

21、动。由于能够开环运行以及限制系统比较简洁，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。1. 3.2步进电机具体调速原理步进电机的调速一般是变更输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过限制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来变更脉冲的频率，延时的长短来具体限制步进角来变更电机的转速，从而实现步进电的调速。具体的延时时间可以通过软件来实现。这就须要采纳单片机对步进电机进行加减速限制，事实上就是变更输出脉冲的时间间隔，单片机限制步进电机加减法运转可实现的方法有软件和硬件,软件方法指的是依靠延时程序来变更脉冲输出的频率。1.4系统设计的

22、基本要求探讨步进电机的特性、工作原理、及其具体的调速原理。TC*MERGEFORMAT2.1基本要求步进电机采纳三相步进电机，功率为1W。调速范围为。到100Ormin最高转速时，精度为2%。作到步进电机能精确的调速，没有振荡，能完成完整的硬件电路图的软件设计。第2章系统设计方案的论证2.1 限制方式的确定步进电机限制虽然是一个比较精确的，步进电机开环限制系统具有成本低、简洁、限制便利等优点，在采纳单片机的步进电机开环系统中，限制系统的CP脉冲的频率或者换向周期事实上就是限制步进电机的运行速度。系统可用两种方法实现步进电机的速度限制。一种是延时，一种是定时。延时方法是在每次换向之后调用一个延时

23、子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出肯定频率的CP脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是CP脉冲的周期，该方法简洁，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行。但占用CPU时间长，不能在运行时处理其他工作。因此只适合较简洁的限制过程。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生随意周期的定时信号，从而可便利的限制系统输出CP脉冲的周期。当定时器启动后，定时器从装载的初值起先对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序。将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，

24、从而实现电机的速度限制。由于从定时器装载完重新启动起先至定时器申请中断止，有肯定的时间间隔，造成定时时间增加，为了削减这种定时误差，实现精确定时，要对重装的计数初值作适当的调整。调整的重装初值主要考虑两个因素一是中断响应所需的时间。二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值前中断服务程序重的其他指令因。综合这两个因素后，重装计数初值的修正量取8个机器周期，即要使定时时间缩短8个机器周期。用定时中断方式来限制电动机变速时，事实上是不断变更定时器装载值的大小。在限制过程中，采纳离散方法来靠近志向的升降速曲线。为了削减每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的ROM

25、中，系统在运行中用查表法查出所需的装载值，这样可大幅度削减占用CPU的时间，提高系统的响应速度愿大多数步进电机运动限制系统都运行在开环状态下，因为成本较低，并可供应运动限制技术固有的位置限制，无须反馈。但是，在某些应用中，须要更多的牢靠性、平安性或产品质量的保证，因此，闭环限制也是一种选择.以下是一些实现步进电机闭环限制的方法：1 .步进确认，这是最简洁的位移限制，运用一个低值的光学编码器计算步进移动的数量。一个简洁的回路与指令校验的步进电机比较，验证步进电机移动到预料的位置；2 .反电动势，一种无传感器的检测方法，运用步进电机的反电动势eleCtromo测量和限制速度。当反电动势电压降至监测

26、探测水平常，闭环限制转为标准开环，完成最终的位移移动；3 .全伺服限制，指全时间的运用反馈设备，用于步进电机一编码器、解码器、或其它反馈传感器上，从而更为精确地限制步进电机位移和转矩。其它的方法包括各种不同的反电动势限制电机参数测量和软件技术，一些制造企业都会运用这些方法。这里，步进驱动监控和测量电机线圈，运用电压额电流信息提高步进电机限制。正阻尼运用这一信息阻挡振动的速度，产生更多的可用的转矩输出，降低转矩的机械振动损耗。无编码器安装监测采纳信息检测同步速度的损耗。传统步进电机限制通常采纳反馈设备和非传感方法，是有效的实现带有平安需求、危急状况或高精确度要求的运动应用的方法。大多数基于步进电

27、机的系统，一般都运行在开环状态下，这样可供应一个低成本的方案。事实上，步进系统可提高位移限制的的性能，且不须要反馈。但是，当步进电机在开环时运行，在吩咐步幅和实际步幅之间会有同步损耗的可能。闭环限制，是传统步进限制的一个部分，能有效地供应更高地牢靠性、平安性或产品质量。在这些步进系统中，反馈设备或间接参数传感方法的闭环能进行校正或限制失步、监测电机停滞，以及确保更大的可用转矩输出。近期，步进电机的闭环限制（CLC）还能帮助执行智能分布运动架构。然而，开环操作会有失步的风险，这将产生定位失误。但与伺服系统中运用的编码器相比，闭环步进电机采纳的编码器成本更低。故选择闭环限制。2.2 驱动方式的确定

28、并于步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过CPU干脆来驱动，这种方法一般不宜采纳，因为CPU的输出电流脉冲是特殊小的它不能足以让步进电机的转动；别一种是通过CPU来间接驱动，固本次设计应采纳CPU间接驱动步进电机。用编码器还的测速发电机作为转速测量工具，因为选择了闭环限制，就必需有反馈元件，反馈元件一般有两种，一种是采纳同轴的测速发电机，把步进电机的转速反馈回来，然后通过显示器显示出来并对步进电机进行调整；别一种是通过光同轴的电编码器把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调整；两者相比，后者的设计比较简洁，价格便宜，平安牢靠，污染少。固一般采纳后者，用光电骗码器作为反馈元件。2.3 驱动电路

29、的选择步进电机的驱动电机有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分限制驱动等。单电压驱动是步进电机限制中最为简洁的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。它的最大特点是结构简洁，因它的工作效率低，特殊是在高频下更显的突出。它的外接电阻R要消耗相当一部分的热量，这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。双电压驱动是电路一般采纳两种电源电压来驱动，因这两个电源分别是一个为高压一个为低压，因此也称为凹凸压驱动电路。双电压驱动电路的缺点是在凹凸压连接处电流出现谷点，这样必定引起力矩在谷点处下降。不宜于电机的正常运行。对于斩波电路驱动则可以克

30、服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定期额定电流和削减时间常数。由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声。细分驱动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转动一步，一般会依据电压脉冲的安排方式,步进电机各相绕阻会轮番切换，固可以使步进电机的转子旋转。细分限制的电路一般分为两类，一类是采纳线性模拟功率放大器的方法获得阶梯形电流，这种方法简洁，但效率低。别一种是用单片机采纳数子脉宽调制的方法获得阶梯电流，这种方法须要困难的计算可使细分后的步距角一样。但因本次设计对步进电机的精度要求比

31、较高转速的调整范围比较广，固应选用驱动芯片8713来驱动，并通过软件来实现步进电机的调速。2.4 基本方案的确定因本次设计的耍求，选用三相三拍步进电机，单片机选用89C51作为限制器。选取用8279来驱动显示和键盘。选用8713作为步进电机的驱动芯片并通过光电耦合来驱动步进电机。然后由于步进电机同轴的光电编码器作为反馈元件，并把反馈回的信号经CPU处理后再由显示器显示出来。但由键盘输入的速度数值了得通过显示器来显示，固本次设计要两排显示，一排来显示给定的转速一排来显示实际的转速。第3章硬件电路的设计3.1 单片机的选择本次设计以CPU选用89C51作为步进电机的限制芯片.89C51的结构简洁并

32、可以在编程器上实现闪耀式的电擦写达几万次以上.运用便利等优点，而且完全兼容MCS51系列单片机的全部功能。AT89C51是一种带4K字节闪耀可编程可擦除只读存储器(FPEROMFAlshProgrAmmABleAndErAsABleReAdOnlyMemory)的低电压，高性能CM0S8位微处理器，俗称单片机。该器件采纳ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪耀存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微限制器，为很多嵌入式限制系统供应了一种敏捷性高且价廉的方案3.1.1 单片机的引脚功能1. VCC

33、(40)：电源+5V。2. VSS(20)：接地,也就是GND。3. XTLl(19)和XTL2(18)：振荡电路。4. PSEN(29)：片外ROM选通信号,低电平有效。5. ALE/PR0G(30)：地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。6. RST/VPD(9)：复位信号输入端/备用电源输入端。7. EA/VPP(31)：内/外部ROM选择端8. PO(39-32)：双向I/O口。9.Pl口(1-8)：准双向通用I/O口。9. P2(21-28)：准双向I/O口。原理图如3-1所示：P13匚437PO2(AD2)P14536PO.3(AD3)P15匚635PO4(AD4)P1.6

34、匚734PO.5(AD5)P1.7匚833PO.6(AD6)RSTC932PO.*RXD)P30匚IO31ZJ*(TXD)P3.1匚1130ALE(INTO)P32匚1229PSEr7(TntT)P33匚1328P2.7(A15)(TO)P34匚1427P2.6(AK)(T1)P35匚1526P2.5(A13)(WR)P3.6匚1625P2.4(Al2)图3-1AT89C51的引脚图3.1.2 主要特征与MCS-51兼容4K字节可编程闪耀存储器寿命：100O写/擦循环数据保留时间：全静态工作：OHZ-24HZ三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数

35、器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路1 .振荡器特性：XTALl和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采纳。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必需保证脉冲的凹凸电平要求的宽度。2 .芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的限制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平IOms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必需被执行此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻

36、辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPlJ停止工作。但RAM定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.2 步进电机的选择反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简洁的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理.图3-2是一台三相反应式步进电动机的原理图定子铁芯为凸极式共有三对六个磁极每两个相对的磁极上绕有一相限制绕组转子用软磁性材料制成也是凸极结构只有四个齿齿宽等于定子的极靴宽下面通过几种基本的限制方式来说明其工作原理.图

37、3-2三相反应式步进电动机的原理图3.2.1 三相单三拍通电方式当A相限制绕组通电,其余两相均不通电，电机内建立以定子A相极为轴线的磁场.由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点,使转子齿1,3的轴线与定子A相极轴线对齐,若A相限制绕组断电,B相限制绕组通电时,转子在反应转矩的作用下,逆时针方向转过30,。使转子齿2,4的轴线与定子B相极轴线对齐,即转子走了一步,若再断开B相,使C相限制绕组通电,转子又转过30使转子齿1,3的轴线与定子C相极轴线对齐,如此按A-B-C-A的依次轮番通电,转子就会一步一步地按逆时针方向转动,其转速取决于各相限制绕组通电与断电的频率,旋转方向取决于限制绕组轮番通电的依

38、次若按A-C-B-A的依次通电,则电机按顺时针反方向转动.上述通电方式称为三相单三拍运行，“三相”是指三相步进电动机，“单”是指每次只有一相限制绕组通电，限制绕组每变更一次通电方式称为一拍,三拍是指经过三次变更通电方式为一个循环,我们称每一拍转子转过的角度为步距角.三相单三拍运行时的步距角为30度.其原理图如3-3所示：ABCW11JLrLrLrLnJLnJlnJT1：I，：；图33定转子绽开图(A相绕组通电)3.2.2 三相双三拍通电方式限制绕组的通电方式为AB-BC-CA-AB或AB-CA-BJAB每拍同时有两相绕组通电三拍为一个循环，当AB两相限制绕组同时通电时转子齿的位置应同时考虑到两

39、对定子极的作用，只有A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡才是转子的平衡位置如4-2-2B所示，可见双三拍运行时的步距角仍是30,但双三拍运行时每一拍总有一相绕组持续通电，例如由AB两相通电变为BC两相通电时，B相保持持续通电状态C相磁拉力图使转子逆时针方向转动，而B相磁拉力却起有阻挡转子接着向前转动的作用。即起到肯定的电磁阻尼作用所以电机工作比较平稳，而在三相单三拍运行时由于没有这种阻尼作用，所以转子达到新的平衡位置简洁产生振荡稳定性不如双三拍运行方式。三相双三拍运行方式AB相与BC相导通的结构如图3-4所示：(B)BC相导通(A)AB相导通图34三相双三拍运行方式在分析步进电动机动态运

40、行时，不仅要知道某一相限制绕组通电时的矩角特性，而且要知道整个运行过程中各相限制绕组通电状态下的矩角特性，即所谓矩角特性族以三相单三拍的通电方式为例，若将失调角O的坐标轴统一取在A相磁极的轴线上，明显A相通电时矩角特性如图4-3中曲线A所示稳定平衡点为0,点B相通电时转子转过1/3齿距相当于转过2冗/3电角度,它的稳4-3中曲线C,这三条曲线就构成了三相单三拍通电方式时的矩角特性族总之矩角特性族中的每一济吧等彷3甄一个用电角度表示的步矩角%*MERGEFORMAT%*MERGEFORMATsy-乙一百*MERGEFORMA步进电机的动态特性是指步进电动机在运行过程中的特性它干脆影响系统工作的牢

41、靠性和系统的快速反应。1 .单步运行状态：单步运行状态是指步进电动机在一相或多相限制绕组通电状态下仅变更一次通电状态时的运行方式.2 .动稳定区：当相限制绕组通电时矩角特性如图1-12中的曲线所示，若步进电动机为志向空载则转子处于稳定平衡点0八*MERGEFORMAT处，假如将A相通电变更为B相通电，那么矩角特性应向前移动一个步距角%*MERGEFORMAT变为曲线B,*mergeformt点为新的稳定平衡点由于在变更通电状态的初瞬转子位置来不及变更还处于二O的位置，对应的电磁转矩却由0突变为曲Gr*MERGEFORMAT线B上的C点，电机在该转矩的作用下转子向新的稳定平衡位置，移动直至到达内

42、*MERGEFORMAT点为止对应它的静稳定区为止，(-+%*MERGEFORMAT)(+j*MERGEFORMAT),BP变更通电状态的瞬间只要转子在这个区域内就能趋向新的稳定平衡位置，因此把后一个通电相的静稳定区称为前一个通电相的动稳定区，把初始稳定平衡点OA与动稳定区的边界点A之间的距离称为稳定裕度，拍数越多步距角越小，动稳定区就越接近静稳定区稳定裕度越大，运行的稳定性越好转子从原来的稳定平衡点到达新的稳定平衡点的时间越短，能够响应的频率也就越高.原理图如3-5所示：图3-5频率图3 .最大负载实力步进电动机带恒定负载时负载转矩为5*MERGEFORMAT,4】4*MERGEFORMAT

43、若A相限制绕组通电则转子的稳定平衡位置为图1T3A中曲线A上的心*MERGEFORMAT点，这一点的电磁转矩正好与负载转矩相平衡，当输入一个限制脉冲信号通电状态由A相窣更为B相，矩角特性变为曲线B在变更通电状态的瞬间电机产生的电磁转矩Zi*MERGEFORMAT大于负载转矩7*MERGEFORMAT,电机在该转矩的作用下转过一个步距角到达新的稳定平衡点OB3.3 驱动电路的选择因从CPU输出的脉冲信号特殊小，固应先经过PWM8713脉冲安排器对脉冲进行安排并经过放大然后再经过光耦驱动来驱动步进进电机。具体的连接图如3-6所示：图3-6步进电机驱动电路图3.4 光电编码器原理光电编码器，是一种通

44、过光电转换将位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在肯定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。依据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。依据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、肯定式以及混合式三种。本次设计用肯定式编码器其原理如下：肯定编码器是干脆输出数字量的传感器，它的圆形码盘上沿径向有若干同心磁道，每条道上由透光和不透光的扇形

45、区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，编码器的特点是不要计数器，在转轴的随意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。码道越多，辨别率就越高，对于一个具有N位二进制辨别率的编码器，码盘必需有N条码道。目前国内有16位的肯定编码器产品。肯定式编码器是利用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换的。肯定式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，肯定编码器可有若干编码，依据读出码盘上的编码，检测肯定位置。编码的设计可采纳二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点如下：1 .可以干脆读出角度坐标的肯定值；2 .没有累积误差；3

46、.电源切除后位置信息不会丢失。但是辨别率是由二进制的位数来确定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。3.5 电源电路设计本次设计用了+5V、+12V电源，采纳的是78系列的集成固定三端稳压管。78系列集成稳压器输出稳定，漂移小，精度也比较高。其内部也有完善的爱护电路。它有风部过流爱护，假如输出管的结温达到允许的最大值，它会知道减小输出电流；它内部还有工作区限制电路。使稳压器的工作台不进入担心全区。因此，它的牢靠性高。另外，它只有三条引脚，移位输入，移位输出，移位公共端，运用起来很简洁。1 .变压电源变压器将220V的沟通电压变为所需的沟通电压值。因为在整流、滤波和稳压电路中有肯定的压降，所以要使输出电压比所需电压高2V3V.2 .整流整流电路将沟通电压变为脉冲的直流电压，常用的整流电路有单相半波，全波，桥式和倍压整流电路。这里采纳单相桥式不行控整流电路。3 .滤波滤波电路用于滤去整流输出电压中的水纹，一般由电抗元件组成。如要负载两端并联电容或与负载串联电感L。以及C和L组合而成的各种复式滤波电路。因为电容滤波电路简洁，负载直流电压较高，水纹较小，所以我们采纳的是电容式滤波。4 .稳压稳压的作用电当电网电压波动，负载和温度变更时，维持输出