《步进电机控制系统设计与实现设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《步进电机控制系统设计与实现设计.doc（52页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流步进电机控制系统设计与实现设计.精品文档.编号：（ ）字 号本科生毕业设计 步进电机控制系统设计与实现 XXX XXXXXXXX 电气工程与自动化2006-4班 题目： 姓名： 学号： 班级： 中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： XXX 学 号： XXXXXXXX 学 院： 信息与电气工程学院 专 业： 电气工程与自动化 设计题目： 步进电机控制系统设计与实现 专 题： 指导教师： XXX 职 称： 教授 2004年 6 月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院信电学院专业年级电气工程与自动化2010-4班学生姓名王晋凯任务下达日期：
2、 2003年 12 月 30 日毕业设计日期： 2003年 12 月 30 日至 2004 年 6 月 10 日毕业设计题目： 步进电机控制系统设计与实现毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：1. 弄清并理解关于步进电机的工作原理、分类及特点等基本知识；2. 理解有关步进电机的控制技术，并提出自己针对步进电机的控制方案；3. 利用Proteus仿真环境，绘制基于AT89C51单片机的步进电机控制系统硬件原理电路；4. 利用C语言编制基于AT89C51的步进电机控制软件，实现步进电机速度、方向、复位、点动的计算机控制；5. 搭建硬件电路，实现系统的功能；6. 撰写论文。 院长签字： 指导教师
3、签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回
4、 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要步进电机又称为脉动电机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移。步进电机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速启动、反转和制动。它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制。步进电机与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在生产生活特别是精密控制领域获得了广泛的应用。步进电机不可以直接连接交流电源或直流电源，只能通过脉冲
5、电源驱动。使用单片机对步进电机进行控制，能够自动并精确控制复杂的控制过程，使控制精度不受失步、震荡的影响，接口电路的灵活性和通用性也大大提高，并且显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路可以很好的结合起来，系统交互性好。本次设计首先对步进电机和控制与驱动芯片的性能做了一个细致的了解与认识，用单片机对步进电机进行正反转，加减速，复位和点动运行的控制，在proteus仿真环境中进行仿真，调试成功后，再进行硬件电路的焊接在包板上实现，将理论联系到实践。 关键字：步进电机；单片机；驱动芯片；仿真ABSTRACTThe pulse motor is also called a stepper motor
6、, the control system is a digital actuator . Its function is converted into an electric signal pulse corresponding angular displacement or linear displacement . Stepper motor speed control can be in a wide range by varying the pulse frequency ; fast start , reverse and brake . It does not transform
7、the digital pulse signal can be directly converted to angular displacement , it is suitable for the use of microcomputer control. Stepper motor compared with other types of motor control with easy-to-open-loop accurate , error -free accumulation of advantages , such as , in particular, precise contr
8、ol of production and living areas to obtain a wide range of applications.Stepper motor can not be directly connected to AC or DC power , can only be driven by a pulsed power supply . The use of single-chip stepper motor control, can automatically and precisely control the complex control process , t
9、he control accuracy is not out of step , the impact of the shock , the flexibility and versatility of the interface circuit is also greatly improved , and the display circuit , keyboard circuit, reset circuit and other peripheral circuits can be well combined, system interaction is good. The first d
10、esign and performance of the stepper motor and drive control chip made a detailed understanding and knowledge , using SCM stepper motor reversing control acceleration and deceleration, reset and single-step operation, in proteus simulation environment the simulation , debugging success , then the ha
11、rdware circuit board soldered package implementation, will integrate theory into practice .Keywords : stepper motor; microcontroller ; driver chip; simulation目 录1 绪论11.1课题背景及意义11.1.1 课题的目的和意义11.1.2 国内外对步进电机研究的现状、水平和发展趋势11.2 国内外较为常见的步进电机控制系统11.2.1 基于电子电路的步进电机控制系统11.2.2 基于PLC的控制21.2.3 基于单片机的步进电机控制313
12、论文研究的目的和内容314 论文安排42 元器件介绍52.1步进电机52.1.1步进电机的特点52.1.2步进电机的分类52.1.3步进电机的主要性能指标62.1.4步进电机的工作原理72.1.5本设计所选的步进电机92.2 89C51单片机102.2.1主要性能102.2.2 AT89C51的定时器结构112.2.3系统端口分配142.3 L297工作原理142.4 L298简介172.5本章小结173 硬件设计183.1 L297和L298组合电路183.2方案设计183.3proteus电路仿真设计203.3.1控制电路203.3.2驱动电路213.3.3显示模块213.3.4时钟与复位
13、部分223.3.5总体电路图223.4 Proteus仿真结果233.4.1 proteus仿真步进电机正反转233.4.2 proteus仿真步进电机加速243.4.3 proteus仿真步进电机减速263.4.4 proteus仿真步进电机单步运行283.4.5 proteus仿真步进电机复位303.5本章小结304 软件设计314.1软件设计描述314.1.1主程序的设计方案314.1.2定时中断设计334.1.3外部中断设计334.2源程序334.3本章小结335 系统实现345.1 硬件电路的可行性实验345.2 硬件电路的焊接355.2.1锡焊工具355.2.2锡焊条件355.2.
14、3锡焊步骤355.2.3焊接自我检查365.3硬件调试385.4 本章小结386总结与思考39参考文献40文献翻译41英文原文41中文译文47致 谢53附 录541 绪论1.1课题背景及意义1.1.1 课题的目的和意义 步进电机在机电一体化中是一种非常重要的执行元件，其良好的伺服性能使得步进电机在数控领域被广泛的应用，步进电机控制系统是控制步进电机运行的关键组成，它由步进电机控制器、驱动器、系统软件等部件构成，步进电机的运行状态主要由步进电机控制系统来实现。步进电机可在非常广的范围内通过改变脉冲频率来实现调速，它还可以快速启停、正反转、自锁等，这使得步进电机组成的开环系统简单、廉价、可靠。所以
15、，它被广泛地应用于数控机床、绘图机、计算装置、自动记录仪、工人机器人、无损检测等系统和装置中。步进电机与其控制驱动系统密不可分，当步进电机驱动器技术较为滞后时，就会使得步进电机系统在接近工作频率时产生共振，在低速运行中平稳性差，在高速运行中快速响应能力差，容易产生不同步现象，并且伴有震荡和较差的矩频特性，出现弊端。基于以上理论，步进电机控制系统的设计就显得尤为重要。1.1.2 国内外对步进电机研究的现状、水平和发展趋势 步进电机是数字控制系统的执行元件。随着计算机控制系统的发展，数字控制技术迅速地崛起，步进电机的应用越来越广泛。步进电机是把电脉冲信号转换成相应角位移的执行元件，它的驱动器是步进
16、电机控制系统中的一部分，步进电机与其驱动器是一个不可分割的整体，步进电机的运行与驱动器密切相关，随着晶体管技术的应用，使驱动器向小型化得到了很大的发展。 驱动器技术在20世纪70年代进入鼎盛时期，步进电机与其相应的驱动器脱颖而出，如日本的EMP系列、美国的M系列、德国的IBS/IBC系列等。功放驱动元件除了用到晶体管以外，还用到了晶闸管，电源线路采用两种不同电压等级的驱动器而不再是采用单一电压等级的驱动器。 随着微电子和计算机技术的应用和发展，步进电机的需求量与日俱增，其驱动器也在日新月异的发展完善和提高，驱动电路集成化也发展到了较高的技术水平。以美国为例，它生产的步进电机驱动器体积小，在功能
17、上可驱动较大的步进电机，且工作发热低，电机工作平稳，可靠性高。驱动技术目前应用较多的有斩波驱动、升频生压驱动等。步进电机驱动技术的一个有极具发展优势的方向是微步驱动技术，又称为步进电机细分驱动技术。1.2 国内外较为常见的步进电机控制系统在长期的步进电机发展过程中，涌现出了多种步进电机的控制方案。1.2.1 基于电子电路的步进电机控制系统该方法采用电脉冲信号来控制步进电机，而电脉冲信号的相关变化（包括脉冲信号的产生、分配和放大等）则主要通过电子元器件的动作来实现。鉴于脉冲控制信号通常只具备很弱的驱动能力，因此系统中必须额外增加有功功率放大驱动电路。然后将步进电机、控制电路以及功率放大驱动电路进
18、行组合，就可以组成步进电机的驱动系统。整部系统可以划分为三大主要部分，如图1.1所示。即：1）脉冲信号的产生电路；2）脉冲信号的分配电路；3）实现功率放大功能的驱动电路。脉冲控制器环形分配器驱 动 电 路步 进 电 机图1.1 基于电子电路的控制系统优点： 这种控制方案的控制电路相对而言设计起来比较简单，通常来讲，大多数的步进电机任务都可以完成。根据实际生产的需要，该控制方案既可实现开环控制，也可实现闭环控制。当实现开环控制的时候，它的造价比较低，且设计起来非常简单，并且平稳性能很好，但是该系统此时将无法完成高精度细分。使用闭环控制的时候，可以实现高精度细分及其无级调速。闭环控制可以连续地通过
19、直接或间接的方法检测到转子的位置及其速度，然后通过反馈环节把检测到的信息进行反向输送并进行及时的处理，这时系统会自动给出脉冲链，通过控制信号控制步进电机的每一步运转，即可实现只要控制策略是正确的，电机就不会发生失步现象。缺点： 该控制电路的脉冲输出频率及其脉冲输出数主要是通过使用一些大规模集成电路来进行控制；方案可以实现的功能较少；一旦控制方案需要稍加改变，就必须进行重新设计，缺乏必要的灵活性。1.2.2 基于PLC的控制 PLC是一种工用计算机，俗称可编程控制器。它的优点是：通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高。因此可以在自动控制系统中有着非常广泛的应用。 步进电机控制系
20、统的组成有以下几个部分，即PLC、环形分配器和功率驱动电路。各部分功能如下：PLC主要是为控制系统产生控制脉冲，调整控制脉冲频率的强弱即可改变步进电机的转动速度，从而控制伺服机构的进给速度，而它所输出的方波脉冲则可以控制步进电机的转角进给量而控制伺服机构的进给量；将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组是环形脉冲分配器的主要功能，它主要有软件环形分配器和硬件环形分配器两大类，软件环形分配器是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，硬件环形分配器则是用硬件组成的环形分配器。相对而言，硬件环形分配器的结构比较复杂，但它占用的PLC资源较少，所以目前被用在多种芯片中，相对的
21、，软件环形分配器则会占据较多的PLC资源，但是可以控制多相步进电机，比较适合用于大型生产线；步进电机功率驱动电路的主要功能就是放大PLC输出的控制脉冲，使驱动能力增强，从而驱动步进电机1。 出于降低硬件成本的考虑，我们利用PLC的定时器产生速度脉冲信号，再用软件产生环形脉冲信号控制步进电机，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器。但这样的组成有一个缺点，就是步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制，并且在速度较高时，相应的控制精度会降低，这是因为PLC的扫描周期通常为千分之几秒到百分之几秒，相应的频率就能达到几百赫兹2。1.2.3 基于单片机的步进电机控制 将步进电机用单片机进行控制时，可以使用
22、软硬件相结合的控制方法。将环形分配器用软件代替，即可实现对步进电机的最佳控制。步进电机的各相驱动电路是使用单片机接口进行直接控制的。鉴于单片机具有非常强大的功能，我们还可以设计大量的外围控制电路，将键盘作为外部中断源，对步进电机的一系列的功能进行设置，如正转、反转、档位、停止等；利用单片机的软件编程完成脉冲分配，从而实现环形分配器的功能；使用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态3。单片机控制的步进电机具有很多优点，以下简单地列写如下：（1）编程使用单片机软件，能够自动并精确控制复杂的控制过程，从而有效控制精度不受失步、震荡的影响
23、；（2）将环形分配器用软件代替，然后设定单片机，可以完成同一电路控制并驱动多相步进电机的功能，使得接口电路的灵活性和通用性大大提高；（2） 单片机可以使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路很好的结合起来，使系统的交互性得以提高，故采用单片机完成本次设计方案。13 论文研究的目的和内容 本文的研究目的有两个：作为一个电气自动化学生，在日常学习过程中我总感觉到目前的教材各种知识技术太过泾渭分明，无法把一些学过的课程知识点和实践活动有机结合起来，所以我始终希望自己的毕业设计能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术等几门课程综合起来，并着力于相应的生产实践；第二个目的就是运用自己所学习的知识
24、致力于完善步进电机的控制与设计，能亲自设计出来一套较简单、经济、实用的硬件系统，且适应性强、操作方便、交互性强并且可靠性高的步进电机控制系统。出于以上两个目的，在毕业设计的这半年多时间里，按照模块化的思想，完成了毕业设计的内容，完成了这篇论文。整个论文的内容包括：1. 弄清并理解关于步进电机的工作原理、分类及特点等基本知识；2. 理解有关步进电机的控制技术，并提出自己针对步进电机的控制方案；3. 利用Proteus仿真环境，绘制基于AT89C51单片机的步进电机控制系统硬件原理电路；4. 利用C语言编制基于AT89C51的步进电机控制软件，实现步进电机速度、方向、点动、复位的控制；5. 搭建设
25、计模型；6. 撰写论文。14 论文安排本文开篇首先介绍了步进电机设计的背景及意义，然后介绍了步进电机的发展现状及趋势，在此基础上，提出了自己的设计目的及论文任务。接着开始详细地介绍步进电机原理、分类、控制技术及特点，然后对设计所用元器件，如AT89C51、L297、L298等进行介绍，最后用模块化思想对所要设计系统的硬件部分进行描述，最后对软件设计进行阐述，并得到仿真结果，最后完成实物的焊接与调试。具体的安排如下：第一章为绪论，介绍设计步进电机的背景及意义，进而介绍了步进电机的发展现状及其趋势，又列举了步进电机的几种控制方案，并分析了各种方案的优势和不足，提出了自己的设计目的和内容；第二章是对
26、步进电机和设计所需元器件的概述，步进电机的介绍主要包括步进电机的工作原理、分类、特点，元器件则主要是AT89C51、L297、L298等，为后面的硬件设计和软件设计提供必须的理论基础；第三章是硬件设计部分，首先提出框架，然后根据模块化思想对系统的控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分进行具体地描述；第四章为软件设计部分，分别对主程序、定时中断、外部中断设计进行软件设计，通过流程图及部分程序展现如何对步进电机进行控制的过程，包括中断的优先级等；第五章是实物的焊接，整体功能的展现。2 元器件介绍2.1步进电机 步进电机也叫脉冲电机，是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。其功能是将脉冲电信号
27、转换为相应的角位移或直线位移，即当步进驱动器接受到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按照设定的方向转动一个步进角。 步进电机的角位移量或线位移量s与脉冲数k成正比；它的转速n与脉冲频率f成正比。在负载范围内这些关系不随电源电压、负载大小、环境条件的变化而变化。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的；也可以通过控制脉冲频率来控制电机转速和加速度，达到调速的目的。步进电机可以在开环系统中作为执行元件，使控制系统变得简化。并且可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率加速减速；能够快速启动、反转和制动。由于步进电机能直接接收数字量的输入，特别适合采用单片机来进行控制。2.1.1步进电机的特点1.
28、 步进电机不积累误差，一般步进电机的精度为步进角的3%5%；2.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130摄氏度以上，有的甚至高达200摄氏度以上，所以步进电机外表温度在80摄氏度到90摄氏度完全正常；3.步进电机的调节域非常广，可以在很大范围内进行调节，这样一来，就可以保证在步进电机转速很低的情况下，仍然可以获得非常大的转矩，因此，这个时候就可以在没有减速器的情况下去直接的进行负载驱动23；4. 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
29、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。当步进电机的转速若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机难以获得较大转矩，超载时会失步。步进电机的力矩会随转速的升高而下降；5.步进电机动态响应快，易于启动停止、正转反转和加速减速；带惯性载荷的能力强；6.通常来讲，步进电机的开环控制系统主要是由步进电机和步进电机的驱动电路两大部分组成的，不仅方便便宜，并且满足可靠性高的优点。同时，它也可以由一个角度反馈环节构成闭环数控系统；7.步进电机工作时，每相绕组按一定的规律轮流通电。步进电机的运行只能通过脉冲电源驱动，不可以直接使用交流电源或者直流电源；8.步进
30、电机的可靠性很高，这是因为与普通电机相比较，步进电机没有电刷等，不至于造成很大损耗，从而可以大幅度地去提高轴承的使用寿命；9.能源利用率低，同等功率的电机，步进电机体积和重量大；10.如果控制不当容易产生共振。2.1.2步进电机的分类步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式（Hybrid Stepping,HS）。下面简要说明这三种类型的步进电机。1. 反应式步进电机： 该种步进电机的定子上安有绕组，它的转子材料是软磁。此种步进电机具有很多的优点，比如说，相对而言，它的结构简单、成本比较低，
31、控制精度高，最小步距角可达1.2度；当然，它也具有很多其他方面的缺点，比如说动态性能差、效率低且发热较为严重，这样一来可靠性就难以得到必要的保证了。2. 永磁式步进电机： 顾名思义，永磁式步进电机的转子材料是由永磁材料制成的。此种步进电机有一个特点，就是转子的极数和定子的极数是相同的。永磁式步进电机的优点是输出转矩很大，可以在没有减速器的情况下驱动负载，并且动态性能也很好。它的缺点就是精度很差，无法实现高精度控制，步距角通常为15度或者7.5度。3. 混合式步进电机： 混合电机就是反应式步进电机和永磁式步进电机的综合。具体来讲，就是定子有多相绕组，转子是由永磁材料制成，为了提高控制的精确度，在
32、转子和定子上安有许多个小齿。这样一来，它就集合了永磁式和反应式的双重优点，也就是说它具有输出扭矩大，动力性能好，步距角小的优点，但是，这也同样使得混合式步进电机的结构比较复杂，制造成本也比较高。如果我们按照定子上的绕组来划分步进电机，则可以分为两相、三相和五相等系列的步进电机。为了改变步进电机控制的精度和效果，我们可以给步进电机配置不同细分的驱动器。举个例子来说，两相的混合式步进电机，这种电机的步距角大约是每步一点八度，假如我们给该电机配置半步驱动器，那么步距角就会减少为0.9度，而配置细分驱动器时，它的步距角可以达到0.007度每微步。 当然，在实际的生产生活中，往往由于一系列的影响因素，如
33、摩擦力和制造精度等，实际的控制精度达不到理想状态，实际精度会比较低一点。并且，由失调角产生的误差，采用细分驱动并不能解决。2.1.3步进电机的主要性能指标1.步距角。步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次, 转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为。步距角越小，数控机床的控制精度越高；2.矩角特性、最大静态转矩和启动转矩。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。最大静态转矩是指步进电机在规定通电相数下矩角特性上的最大转矩值。启动转矩是能够使步进电机转动起来的最小转矩；3.启
34、动频率。空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率；4.连续运行的最高工作频率。步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速；5.加减速特性。步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中, 定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时, 变化速度必
35、须逐渐上升; 同样, 从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时, 变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小, 否则会出现失步或超步。2.1.4步进电机的工作原理图2.1 反应式步进电机的结构示意图以三相反应式步进电机为例。图2.1是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，联法如图所示。下面介绍反应式步进电动机单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。所谓“三相”，是指此步进电机具有三相定子绕组；“单”是指每次只有一相绕组通电；“三拍”指三次换接为一个循环第四次换接重复第一次的情况。反应式步进电机的工作原理是利
36、用了物理上的“磁通总是力图使自己所通过的路径的磁阻最小所产生的磁阻转矩，使电机一步步转动的。一、 单三拍通电方式的基本原理当A相控制绕组通电，而B相和C相不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小的路径的特点，所以转子齿1和3的轴线与定子A级轴线对齐。同理，当断开A相接通B相时，转子便按顺指针方向转过30，使转子齿2和齿4的轴线与定子B级轴线对齐。断开B相，接通C相，则转子再转过30，使转子齿1和3的轴线与C级轴线对齐。如此按ACBA顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步一步地按顺时针方向连续转动，如图2.2所示。(a)A相通电 (b) B相通电 (c) C相通电图2.2单三拍通电方式时转子位置其
37、转速取决于输入的脉冲频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述电机通电次序改为ABCA则电机转向相反。二、 六拍通电方式的基本原理三相六拍运行的供电方式是AABBBCCACA这时，每一循环换接6次，总共有6种通电状态，这6种通电状态中有时只有一相绕组通电，有时有两相绕组同时通电。图2.3表示按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形。开始单独接通A相，转子齿1和3的轴线与定子A级轴线对齐，如图2.3(a)所示。当A相和B相同时接通时，转子的位置应当兼顾到使A、B两对磁极所形成的两路磁通在气隙中所遇到的磁阻同样程度地达到最小。这时，相邻两个A、B磁极与转子齿相作用的磁拉力大小相等
38、且方向相反，使转子处于平衡。按照这样原则，当A相通电后转到A、B两相同时通电时，转子只能按顺时针方向转过15，如图2.3(b)所示。这时，A级与B级对转子齿所产生的磁拉力互相平衡。当断开A相使B相单独接通时，在磁拉力作用下继续按顺时针方向转动，直到转子齿2和齿4的轴线与定子B级轴线对齐为止，如图2.3(c)所示。这时，转子又转过15。依此类推，如果下面继续按照BCCACA的顺序换接，那么步进电机就不断地按逆时针方向旋转，当接通顺序改为AACCCBBBAA时，步进电机就反方向即按顺时针方向旋转4。(a)A相通电; (b)A、B相通电; (c)B相通电; (d)B、C相通电图2.3六拍通电方式时转
39、子位置三、 双三拍通电方式的基本原理三相双三拍的运行方式是按ABBCCAAB方式供电。这时，与单三拍运行时一样，每一循环也得换接三次，总共有3种通电状态，但不同的是每次换接都同时有两相绕组通电，如图2.3(b)、(d)所示，步距角为30。因此一台步进电机可以采用不同的供电方式，步距角可以有两种不同数值，如上面这台三相步进电机三拍运行时步距角为30，六拍运行时为15。2.1.5本设计所选的步进电机混合式步进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1.8度，而五相步进角一般为0.72度。本设计所用的步进电机是的常州市运控电子有限公司生产的35BYGH 1.8步进电机，它
40、就是单极两相四线的步进电机。如图2.4所示：图2.4 步进电机表2.1 步进电机参数相关参数步矩角精度：5%（整步，无负载）电阻精度在：10%电感精度：20%环境温度：-10-+50转轴径向跳动：0.02Max转轴轴向跳动：0.08Max电流范围：0.160.8A力矩范围：0.62.8Kg.cm电压范围：2.612V电机极数：两相步进电机机械尺寸和绕线图如图2.5，2.6所示 ：图2.5 步进电机机械尺寸图图2.6 步进电机绕线图2.2 AT89C51单片机 AT89C51简介AT89C51单片机是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，它采用 CMOS 和高密度非易失性存储技术，而且其输出引
41、脚和指令系统都与 MCS-51 兼容；片内的Flash ROM 允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除 CPU 外，还包括 256 字节 RAM，4 个 8 位并行 I/O 口，5 个中 断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，AT89C51单片机是一种功能强、 灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。图2.7 AT89C51的引脚排列2.2.1主要性能主要性能如下56：1与MCS一5l产品兼容；2具有2K的可编程FLASH ROM；3耐久性：1000次写、擦除；4276V的电压操作范围；5全静态操作：024MHz；6两级加密程序存储器；7128B*8
42、的内部RAM；815条可编程IO引线；9两个16位可编程定时器计数器；105个中断源；11直接LED驱动输出；12片内模拟比较器；13低功耗空载和掉电方式。2.2.2 AT89C51的定时器结构 图2.8所示是AT89C51的定时器的结构图。其中，我们可以看到有两个单芯片的16位定时器/计数器，也就是下图的定时器T0和定时器T1。它们实际上是一个16位的加1计数器。T0是由两个8位的特殊功能寄存器TH0和TL0所构成得; 而T1由TH1和TL1构成。下面简单介绍下引脚的功能。图2.8 AT89C51定时器结构每个定时器都可以有许多种的设置方式。比如用软件定时工作方式或者是工作计数方式以及其他的
43、一些可控的、相对灵活的方式进行设置。以上所说的这些功能都是由特殊功能寄存器TMOD和TCON来进行控制的。一、工作模式寄存器 TMODTMOD用于控制T0和T1的工作模式，TMOD不能位寻址，只能用字节传送方式设置定时器的工作模式，低半字节设置T0，高半字节设置T1。 TMOD各位定义及具体意义如下图2.9所示。图2.9TMOD各位定义及具体的意义1.GATE门控位当设置GATE=0时，无论INT0（或INT1）的电平是高电平还是低电平，只要软件将TR0（或TR1）设置为1，就可以让计时器开始启动了。而当把GATE设置为1的时候，只有当把INT0（或INT1）的引脚设置为高电平时，再用该软件将
44、TR0（或TR1）设置为1，才能启动定时器。2.C/T计数器/定时器方式选择位C/T=0，设置为定时方式。定时器计数8051片内脉冲，即对机器周期计数。 C/T=1，设置为计数方式。计数器的输入来自T0（P3.4）或T1（P3.5）端的外部脉冲。 3.M1和M0操作模式控制位M1和M0是操作模式控制位。它们位可形成四种编码，对应于四种模式，00，10，01，11。表2.2 M1和M0操作模式控制位 M1 M0 工作模式功能描述 0 0 模式0 13位计数器 0 1模式1 16位计数器 1 0模式2自动再装入8位计数器 1 1 模式3定时器0：分成二个8位计数器定时器1：停止计数二、控制器寄存器 TCON TCON除可字节寻址外，各位还可位寻址。系统复位时，TCON的所有位被清0。 TCON各位定义及