点，因而在数控机床，绘图仪，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交流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。步进电机可以作为种控制用的特种电机，利用其没有积累误差精度为 的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机永磁式步进电机混 合式步进电机和单相式步进电机等。永磁式步进电机般为两相，转矩和体积较 小，步进角般为度或度反应式步进电机般为三相，可实现大转矩输出， 步进角般为度，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 成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。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般为度而五相步进角 般为度。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论文 第页共页 机。 第章步进电机概述 步进电机的特点 般步进电机的精度为步进角的，且不累积。 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 料的退磁点般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏度以上，有的甚至高达摄氏 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏度完全正常。 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感 将形成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,但若高于定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进 电机有个技术参数空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频 率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情 况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启 动频率较低，然后按定加速度升到所希望的高频电机转速从低速升到高速。 步进电机的工作原理 步进电机是种用电脉冲进行控制,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,每个脉冲信号可使 步进电机旋转个固定的角度脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了电 机运转的速度当步进驱动器接收到个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转 动个固定的角度称为步距角，它的旋转是以固定的角度步步运行的。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 频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 论文 第页共页 步进电机的技术参数 步进电机的基本参数 空载启动频率 即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值， 电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率更低。如 果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后定 加速度升到所希望的高频电机转速从低速升到高速。 电机固有步距角 它表示控制系统每发个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出 了个步距角的值，如型电机给出的值为表示半步工作 时为整步工作时为，这个步距角可以称之为电机固有步距角， 它不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。 步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相三相四相五相步进电机。 电机相数不同，其步距角也不同，般二相电机的步距角为三相的 为五相的为。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足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数 将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 保持转矩 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，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化，所以保持转矩就成 为了衡量步进电机最重要的参数之。比如，当人们说的步进电机，在没有 特殊说明的情况下是指保持转矩为的步进电机。 步进电机动态指标及术语 步距角精度 步进电机每转过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。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在之内，八拍运行时应在论文 第页共页 以内。 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。 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论文 第页共页 的，对于个电压脉冲，转子就可以转动步，般会根据电压脉冲的分配方式，步进 电机各相绕阻会轮流切换，固可以使步进电机的转子旋转。细分控制的电路般分为两 类，类是采用线性模拟功率放大器的方法获得阶梯形电流，这种方法简单，但效率低。 别种是用单片机采用数子脉宽调制的方法获得阶梯电流，这种方法需要复杂的计算可 使细分后的步距角致。但因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的调节范围比 较广，固应选用驱动芯片来驱动，并通过软件来实现步进电机的调速。 基本方案的确定 因本次设计的要求，选用三相三拍步进电机，单片机选用作为控制器。选取 用来驱动显示和键盘。选用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 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，排来显示给定的转速排来显示实际的转速。系统原理框图如 所示 图系统原理框图 第章硬件电路的设计论文 第页共页 单片机的选择 本次设计以选用作为步进电机的控制芯片的结构简单并可以在 编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上使用方便等优点，而且完全兼容系 列单片机的所有功能。是种带字节闪烁可编程可擦除只读存储器 的低电压，高性能位 微处理器，俗称单片机。该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业 标准的指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能位和闪烁存储器组合在 单个芯片中，的是种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了 种灵活性高且价廉的方案 单片机的引脚功能 电源。 接地，也就是。 和振荡电路。 单片机是种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有个时钟产生电 路，有两种振荡方式，种是内部振荡方式，只要接上两个电容和个晶振即可另 种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在上加外部时钟信号详细的内容 将在以后的课程中专门介绍。 片外选通信号，低电平有效。 地址锁存信号输出端编程脉冲输入端。 复位信号输入端备用电源输入端。 内外部选择端 口双向口。口准双向通用口。 口准双向口。原理图如所示 论文 第页共页 图的引脚图 主要特性 与兼容字节可编程闪烁存储器寿命写擦循环数据保留时间 全静态工作三级程序存储器锁定位内部可编程线两 个位定时器计数器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 振荡器特性 和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用。如采用外部时钟源驱动器件，应不接。有余 输入至内部时钟信号要通过个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要 求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片擦除 整个阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持管 脚处于低电平来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写且在任何非空存储 字节被重复编程以前，该操作必须被执行。论文 第页共页 此外，设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可 选的掉电模式。在闲置模式下，停止工作。但定时器，计数器，串口和中断系 统仍在工作。在掉电模式下，保存的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能， 直到下个硬件复位为止。 步进电机的选择 因本次设计的要求，步进电机的应选用三相三拍的步进电机，关于步进电机的具体 说明如下 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个最简单的三相反应式步进电动机为例说 明其工作原理 图是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相控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控制方式来说明其工作原理 图三相反应式步进电动机的原理图 三相单三拍通电方式 当相控制绕组通电,其余两相均不通电,电机内建立以定子相极为轴线的磁场 由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点,使转子齿,的轴线与定子相极轴线对 齐,如图所示若相控制绕组断电,相控制绕组通电时,转子在反应转矩的作 用下,逆时针方向转过使转子齿,的轴线与定子相极轴线对齐,即转子走了 步,如图所示,若再断开相,使相控制绕组通电,转子又转过使转子 齿,的轴线与定子相极轴线对齐,如图所示如此按的顺序轮流通论文 第页共页 电,转子就会步步地按逆时针方向转动,其转速取决于各相控制绕组通电与断电的 频率,旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序若按的顺序通电,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 只有相控制绕组通电,控制绕组每改变次通电方式称为拍,三拍是指经过三次改 变通电方式为个循环,我们称每拍转子转过的角度为步距角三相单三拍运行时的 步距角为度其原理图如所示 图定转子展开图相绕组通电 三相双三拍通电方式 控制绕组的通电方式为或每拍同时有两相绕组通电三 拍为个循环，当两相控制绕组同时通电时转子齿的位置应同时考虑到两对定子极 的作用，只有相极和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 所示，可见双三拍运行时的步距角仍是,但双三拍运行时每拍总有相 绕组持续通电，例如由两相通电变为两相通电时，相保持持续通电状态相 磁拉力图使转子逆时针方向转动，而相磁拉力却起有阻止转子继续向前转动的作用。 即起到定的电磁阻尼作用所以电机工作比较平稳，