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1、-伺服电机运行控制器的设计-第 42 页 编 号： 审定成绩： 重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文）设计（论文）题目：伺服电机运行控制器的设计单 位（系别） ：自动化学 生 姓 名 ：武波专 业 ：电气工程与自动化班 级 ：05010901学 号 ：0513090137指 导 教 师 ：聂岚答辩组 负责人 ：徐辉填表时间： 2013年6月重庆邮电大学移通学院教务处制摘 要步进电机是最常见的一种电机，作为一种数字伺服执行元件，能与控制芯片相结合成伺服控制系统；具有良好的随动性，能够实现精准控制，在现代控制领域中具有不可替代的作用。步进电机控制系统主要由步进控制器，功率放大器及步进电机等组成。采用
2、单片机控制，用软件代替上述步进控制器，使得线路简单，成本低，可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。本设计首先介绍了步进电机、AT89C52单片机、L297和L298N驱动电路的基本原理与功能；其次，设计步进电机实现起停、转向、速度控制方案；再次，在这些器件功能与特点的基础上，拟出设计思路，构建系统的总体框架；最后利用PROTEL软件绘出电路图，同时写出设计系统的运行流程和相关程序。本设计主要思想是以AT89C52单片机为控制核心，L297和L298N作为驱动芯片。通过单片机内部的定时器改变CP脉冲的频率时间对步进电机的转速控制，实现电机调速与正
3、反转功能，并将电机所处的状态用数码管显示出来。【关键词】伺服 步进电机 单片机 AT89C52ABSTRACTStepper motor is one of the most common motors. As a digital servo actuators, it can be combined with a control chip into the servo control system; with the good followup, it can realize the precise control and hold an irreplaceable role in mode
4、rn control domain. Stepper motor control system is mainly composed of stepping controller, power amplifier and the stepper motor, etc. Controlled by single chip microcomputer, using software instead of the above step controller, makes the circuit simple, low cost and reliability is greatly increased
5、. Software programming can flexibly produce different types of stepper motor excitation sequence to control the operation of various kinds of stepper motor.This design first introduced the principle and function of the stepper motor, AT89C52 singlechip microcomputer, L297 and L298N drive circuit; Se
6、cond, design the scheme of start-stop, steering and speed, position control of stepper motor; Once again, on the basis of these devices functions and characteristics, draw up the design idea and build the systems overall framework; Finally using PROTEL software draw circuit diagram, at the same time
7、 write a design system operation process and related procedures. The main idea of the design is based on AT89C52 single chip microcomputer as control core, chip L297 and L298 as a driver. Through single chip microcomputer internal timers to alter the frequency of CP pulses time stepping motor speed
8、control, realizes the motor speed and positive &negative function, and use digital tube to display the motors state.【Key words】servo stepper motor singlechip AT89C52目 录前 言1第一章 绪论2第一节 课题背景2一、伺服电机的介绍2二、伺服控制器的介绍3第二节 设计目的及系统功能4第二章 系统硬件分析6第一节 系统组成6第二节 步进电机简介8一、步进电动机的种类8二、步进电机的结构及工作原理9三、步进电动机的驱动12第三节 单片机简
9、介14第四节 电机驱动芯片介绍19一、L297简介19二、L298简介20第五节 测速和显示介绍22一、光电编码器测速22二、LED数码显示23第三章 系统硬件电路设计24第一节 系统整体设计24第二节 系统硬件电路设计25一、电源电路设计25二、时钟电路和复位电路设计26三、驱动电路设计26四、按键电路设计27五、测速电路设计28六、显示电路设计29七、抗干扰设计29第四章 系统软件程序设计31第一节 系统主程序设计31第二节 键盘控制程序设计32第三节 正反转程序设计33第四节 加减速程序设计34第五节 显示子程序设计35第六节 定时中断程序设计36结 论37致 谢38参考文献39附 录4
10、0一、英文原文40二、英文翻译42三、工程设计图纸44四、源程序清单45前 言在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。步进电机作为最常见的一种电机，作为一种数字伺服执行元件，步进电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。为了实现步进电机的简易运动控制，一般以单片机作为控制系统的微处理器，通过步进电机专用驱动芯片实现步进电机的速度和位置定位控制。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，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，而不受负载变化的影响，即给电机
11、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、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机的调速一般是改变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，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。第一章 绪论第一节 课题背景近年来，由于数控技术的迅速发展
12、，伺服系统的作用越显突出，伺服系统的应用也越来越广泛。随着国家对制造装备及其技术改造工作的重视，未来的伺服系统将会占据自动化领域一个重要角色。一、伺服电机的介绍从定义上来讲伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置，它是可能的一个简单的交流感应电机是连接到一个速度控制器。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
13、伺服可作为交流或直流电动机。早期一般伺服直流电动机，随着晶体管成为能够控制大电流和开关的大电流在更高的频率，交流伺服电机成为更经常地使用。步进电机按工作方式分类：可分为功率式和伺服式两种。在开环伺服系统中常用步进电动机做伺服电机，因为开环伺服系统不设置检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程。步进电动机的转速不可能很高，运动部件的速度受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低，且其控制电路也简单。步进电机在开环控制的系统中和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。人们用它来驱动时钟
14、和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。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，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产
15、品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。步进电动机是一种能完成增量运动的电磁机械，它将输入的数字脉冲信号转换成电机转轴的输出角度。在开环方式下，步进电机的输出步数总是和输入指令的脉冲数相等，每个脉冲都使电机转轴前进一个步进角，并依靠它特有的定位转矩将转轴准确地锁定在相应的步距位置。但是，在开环控制方式下，步进电动机的速度控制有着较大难度：在高速运行时，电机易丢失输入脉冲，造成失步；在低速时，步进电动机的转速响应有较大波动，运行不平稳；特别是当电机负载变时，电机的转速波动更大，调整
16、更不容易。当输入脉冲频率很低时，步进电机转子就处于步进运行状态。由于步进电机具备快速启动和停止的能力，它的步距角和转速仅与脉冲频率有关而不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件的影响，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。正是因为上述优点，它已经被广泛地用于自动控制系统中作为执行元件。步进电机控制系统主要由步进控制器，功率放大器及步进电机等组成。随着近年来大规模集成电路的发展以及各种单片机的迅速发展和普及，利用单片机与集成电路来控制步进电机不但灵活、方便、易于实现，而且它还具有成本低的特点。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。它广泛应用于工业机械
17、的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优。二、伺服控制器的介绍随着现代科学技术的迅猛发展，伺服控制器已成为不仅仅是放大器的伺服电机。今天，伺服控制器还能够作出一系列决定，并提供一种手段，接收信号来自外部传感器和控制系统中，并发出信号。一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。转矩控制转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩
18、大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。位置控制位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。速度模式通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必
19、须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。步进电动机是本次毕业设计需要设计的一个很重要的元件，而单片机在本次毕业设计中也是一个十分重要的元件。单片机是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中
20、得到了广泛的应用。第二节 设计目的及系统功能本次毕业设计应用了一片ATMEL公司的AT89C52单片机作为步进电机伺服控制器的核心运算器件，利用单片机强大的运算能力和可编程的特点，可以实现较为复杂的步进电机控制功能。且适应能力强，能够在不改变硬件电路的情况下，只需对软件进行必要的修改就可以适应不同的步进电机和控制要求。而且可以做到人机交换，使控制更加的直观和方便，各种运行状态也都有相应的指示，使操作者随时都能对电机的运行状况进行方便的了解。一个利用单片机来构成的步迸电机控制系统的优点是十分明显的。根据步进电机将电脉冲转化为角位移的特点，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而精确地控制转动角度
21、。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的角度和加速度，从而达到调速的目的。因此，本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的。本次毕业设计选用四相步进电机，以AT89C52单片机为核心，L297和L298作为驱动芯片，设计出一个由单片机控制步进电机的伺服控制器。通过软件和硬件的结合实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速功能，并将并电机所处的状态用数码管显示出来。第二章 系统硬件分析硬件是整个系统的平台，各种功能的实现和软件的运行都是以硬件为基础的，硬件设计的合理与否从根本上决定了整个系统的质量，所以要对整个系统用到的硬件进行认真的分析。通过对整个系统的硬件分析在学习上及实践中可
22、以起一定的促进作用。第一节 系统组成步进电机控制系统是一个有机的完整的整体，由运动控制系统和操作控制系统组成。由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号，运动控制系统随之作出反应，完成规定动作。运动控制是一门有关如何对物体位置和速度进行控制的技术。典型的运动控制系统应由三部份构成：控制部分、驱动部分、执行部分。运动控制部件驱动部件执行部件运动控制部件图2.1 运动控制系统组成在步进电机控制系统中运动执行部件为步进电机，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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，它的旋转是以固定的角度一步一步运行
23、的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机的正反转和电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。因此典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成：步进控制器、驱动器(把控制器输出的脉冲加以放大，来驱动步进电机)、步迸电机。不同的控制方案，步进控制器、驱动器也有不同的类型。步进电机是数控式电机，其最大特点
24、是通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。它具有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征，将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此本次毕业设计选用单片机控制步进电机，其总体设计框图如图2.2。电源模块AT89C52驱动模块显示模块键盘模块图2.2 总体设计框图使用软件方法，用单片机对步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配)，这样既简化了电路，也降低了成本。采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。通过软件的控制，单片机按顺序给绕组施加
25、有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。电路接在驱动电路和单片机出口之间。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，和单片机端口连接，设置了步进电机启动、停止、正转、反转、加速、减速等功能，采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。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。待驱动、晶振、复位、键盘、LED显示各个电路的设计完成之后，进行硬件整合，就是一个完整的步
26、进电机控制系统。系统的软件设计通常采用模块化结构，软件系统总体框架一般包括三部分：主程序、中断服务子程序以及其他相应的辅助子程序(包括正转子程序、反转子程序、加/减速子程序键盘子程序、LED显示子程序以及延时子程序)。第二节 步进电机简介步进电动机(Stepping Motor，Step Motor或Steper Motor)是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机。其作用是将脉冲电信号变换为相应的线位移或角位移，可以实现信号变换；因此，步进电动机又称为脉冲电动机（Pulse Motor）。在自动控制系统和数字控制系统中是应用广泛的执行元件。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
27、正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。一、步进电动机的种类步进电动机的分类方法较多。按工作方式分类：可分为功率式和伺服式两种。功率式：输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电机）。伺服式：输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电机）。按励磁方式分类，可将步进电动机分为永磁式（PM）、反应式（VR）、混合式（HB）三类。目前应用最广泛的是反应式和混合式步进电动机。反应式步进电
28、机(lriable Reluctance，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。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，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。永磁式步进电机(PeaneIlt Maet，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数相同，所以一般步距角比较大。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，还需要正负脉冲供电。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
29、提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供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。二、步进电机的结构及工作原理步进电机主要是有定子和转子构成。定子的主要结构是绕组，三相、四相、五相步进电机分别有3个、4个、5个绕组，其他依此类推。绕组按一定的通电顺序工作，这个通电顺序称为“相序”。转子的主要结构是磁性转轴，当定子中的绕组在相序信号作用下有规律的通电、断电工作时，转子周围就会有一个按此规律变化的电磁场，因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上，转子总是力图
30、转动到磁阻最小的位置，正是这样，使得转子按一定的步距角转动，使转子发生转动。如图2.3所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图2.3是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图2.3 四相步进电机步进示意图（一）步进电机的工作方式开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C
31、相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D。四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.4所示。图2.4 步进电机工作时序波形图（二）步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。对步进电机四个绕组依次实现如下方式的循环通电控制，单四拍运行：正转A-B-C-D，反转D-C-B-A；双四拍运行：正转AB-BC-CD-DA，反转DC-CB-BA-AD；八拍运行：正转A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，
32、反转D-DC-C-CB-B-BA-A-AD。（三）步进电机的启停控制步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感即振动感，为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波；可以减小步进电机的步进角，提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩锁定步进电机的转轴，使步进电机的转轴不能自由转动。（四）步进电机的速度控制步进电动机运转的速度是由输入到A、B、C、D四相绕组的频率所决定的。脉冲的频率越高，电动机运转的速度越快，否则，速度就越慢。因而通过延时程序控制输出脉冲的频率，就可以实现对步进电机速度的
33、控制。速度控制中加/减控制是最基本的控制。电机由静止到达设定的最大的速度所需的时间是由调试决定的。加速度太大，电机甚至不能克服惯性而失步，加速度太少，则完成指定的运动耗费时间太多。加速度有两中方案：线性加/减速度控制和等步距加/减速度控制。前者规定从加速度开始，每一加速度周期指令电机速度递增相同的增量f；后者则是要求每一加速度周期电机走过相同的步数。等步距加/减速度控制的优点，在于加/减过程中电机走的步数可以非常精确的计算，这一点对于加/减的位置控制非常重要，但从电机要克服惯性力来看，线性加速方案好些。调试也方便。线性加控制曲线如2.5图。图2.5 线性加速控制曲线f=(f2-f1)/n，其中
34、n为加速过程的台阶数，减速控制也类似，只是f为负值。步进电动机的最高起动频率（突跳频率）一般为0.1KHz到3-4KHz，而最高运行频率则可以达到N*102 KHz。以超过最高起动频率的频率直接起动，将出现“失步”现象，甚至无法起动。较为理想的起动曲线，应是按指数规律起动。但实际应用对起动段的处理可采用直线拟合的方法，即“阶梯升速法”。可按两种情况处理：已知突跳频率则按突跳频率分段起动，分段数n=f/fq。未知突跳频率，则按段拟合至给定的起动频率，每段频率的递增量（后称阶梯频率）f=f/8，即采用8段拟合。在运行控制过程中，将起始的速度（频率）分为n分作为阶梯频率，采用“阶梯升速法”将速度连续
35、升到所需要的速度，然后锁定，按预置的曲线运行。如图2.6所示。图2.6 阶梯升速起动三、步进电动机的驱动步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电机驱动器，驱动器驱动电流流过电机内部线圈、依顺序切换激磁相序的方式才能够让电机运转。步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高
36、低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。步进电机驱动系统的性能，与电机本身的性能也有关。步进电机各相绕组都是在铁心上的铜线圈，
37、电阻和电感是电机相绕组的两个固有属性，电机的性能和这两个因素密切相关。绕组通电时，电感使绕组电流上升速度受到限制，因此影响电机绕组电流的大小。绕组线圈的电阻是电机温升和电能损耗的主要因素。图2.7 电感-电阻串联电路及其电流波形步进电机的相绕组可以等效为一个电感一电阻串联电路。图2.7表明了一个电感一电阻电路的电气特性。在t=0时刻，电压V施加到该电路上时，电路中的电流变化规律为:I(t)=V(1-e-Rt/L)/R通电瞬间绕组电流上升速率为：di(0)/dt=V/t经过一段时间，电流达到最大值：Imax=V/RL/R定义为该电路的时间常数，是电路中的电流达到最大电流Imax的63%所需要的时
38、间。在t=t1时刻，电路断开与直流电压源V的连接，并且短路，电路中的电流以初始速率一V/L开始下降，电流变化规律为：I(t)=Ve-R(t-t1)/L/R不同频率的矩形波电压施加到该电路上，电流波形如图2.8所示。低频时电流能够达到最大值(a)；当矩形波频率上升达到某一临界频率，电流刚达到最大值就开始下降(b)；矩形波频率超过此临界值后，绕组中的电流不能达到最大值(c)。因为步进电机转矩的大小与绕组的电流成正比，所以电机低速运行时，电机能够达到其额定转矩，而在某一特定频率以上运行时，绕组电流随着频率的提高逐渐下降，电机转矩也相应逐渐减小，从而降低了高速运转时带负载能力。图2.8 不同频率脉冲作
39、用下电感-电阻电路的电流波形从图2.8中可以看出，要改善电机高速运行时的性能，有两种办法:提高电流上升速度VA和减小时间常数L/R；可以通过加大绕组的电压从而增加电流上升的速率得时间常数。或者在电路中串联电阻，使L/R减少。第三节 单片机概述单片机（single-chip microcomputer）是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。图2.9中表示单片机的典型结构图。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。单片机是
40、通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。片内总线时钟时钟程序储存器数据储存器I/O口定时/计数器图2.9典型单片机结构图单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结
41、构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。对于片内有ROM/EPROM的芯片来说，最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有ROM/EPROM芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器使用。单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。单片机芯片与其它CPU比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，适应不同的工作情况。
42、单片机应用系统的构成基本上如图2.10所示。图2.10 单片机的应用系统接下来主要介绍AT89C52，其主要参数如表2-1所示。表2-1 AT89C51的主要参数型号存储器定时器I/0串行口中断速度（MH）其他特点EPROMROMRAM89C524K1282321624低电压AT89C52含EPROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止EPROM中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器EPROM容量可达20K字节。AT89C52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read
43、 Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用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和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方。其引脚如图2.11。图2.11 AT89C52引脚主要特性：与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器图5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和
44、掉电模式片内振荡器和时钟电路管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用单片机的引脚排列于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校
45、验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门
46、电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口，如下所示。P3口管脚备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器
47、周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意