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1、基于单片机的步进电机的细分控制器的设计摘要步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件，具有易于开环控制、无积累误差等优点，在众多领域获得了广泛的应用。步进电机的运行品质既与电机的本体性能有关，也与驱动器和控制器的性能有关。一般步进电机的运行噪声大，控制精度低，无法满足很多场合下较高运行品质的要求，因此实现步进电机的细分控制可以较大地改善步进电机的系统性能。本课题在总结和归纳多种步进电机细分控制技术的基础上，设计完成了基于单片机的步进电机细分控制系统。细分驱动技术是一种能有效改善步进电机低频特性和提高步进精度的驱动技术。广泛应用于对工况要求较高的场合，尤其在一些要求高精度、低
2、噪音、低振动的系统中，细分驱动成为步进电机驱动的首选驱动技术。本文先介绍了三相步进电机的结构和工作原理，然后在对步进电机细分驱动技术和单片机研究的基础上，分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用，该方案中电流细分技术基本上克服了传统步进电机低速振动大和噪音大的缺点，减小发生共振的几率。该方案能避免其它相绕组的感应电压和绕组电流的漂移带来的误差，提高了细分精度。本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘/显示控制器Intel-8279等组成，单片机是控制系统的核心。采用IR2130功率驱动芯片作为步进电机的功率驱动器件。文中对整个
3、系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍。关键词单片机；步进电机；细分控制Design of Stepper Motor Subdivision Controller Based on MicrocontrollerAbstractStepper motor is a kind of electromechanical component that is driven in step angle or line displacement by electric pulse signal. Because of having the advantage of easy open-lo
4、op control and no accumulating error，stepper motor is being applied widely in many fields . As an integrated system including with both stepping motor and driver，its quality of operation is depended on the performance of motor，driver and controller .Generally，the noise of the stepping motor is great
5、，and control precision is low，which cant meet request of the high running quality in many situations . So the performance is improved in stepping motor operation through realizing the subdivision operation of stepping motor. This topic in summarizes various stepping motor subdivision control technol
6、ogy, on the basis of these technology, completed the design of stepping motor subdivision system based on single-chip microcomputerThe stepper motors micro-stepping driver is a kind of driving technology that can effectively improve the step precision and characteristic of low frequency. It is mostl
7、y used when the equipments require high-precision，low noise or low vibration system, and it is being a more and more popular driving technology.In this paper，the working principle and configuration of three-phase Stepper are introduced，then based on technologies such as stepper motor controller and
8、microcontroller .we analysis the using of micro-stepping driving technology to improve operational performance . Current subdividing technology not only overcomes the disadvantages of motors vibration and noise at low speeds but also reduces probability of resonance. It prevents the reactive voltage
9、 errors brought by other windings and the drift errors brought by current. It improves the precision of subdivision. In the thesis，we develop a single chip computer-based digital controlling system for a three-phase stepper motor that is mainly constructed from a AT89CS1 single chip computer and 827
10、9IC which is used as the core of control parts and a three full-bridge driver IR2130. The power stage of this driver uses IGBT IR2130 that provides high reliability. Based on the approach，the systems whole architecture，the design of hardware and software are in traduced in detail. Keywords Single ch
11、ip microcomputer；Stepper motor；Subdivide control不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 步进电机概述11.3 步进电机驱动系统概述21.4 国内外研究状况及发展趋势31.5 论文研究内容4第2章 步进电机及其驱动系统52.1 步进电机及其工作原理52.1.1 步进电机的结构特点52.1.2 步进电机的基本工作原理52.1.3 绕组通电方式62.1.4 步距角的控制72.2 步进电机驱动系统72.2.1 步进电机驱动系统简介72.2.2 步进电机细分驱动原理及特点82.3
12、 本章小结9第3章 控制芯片及相关器件简介103.1 单片机的介绍103.1.1 芯片的选择103.1.2 AT89C51单片机与管脚功能简介113.2 8位数模转换器DAC0832简介143.3 8279显示与键盘控制芯片简介153.3.1 8279显示键盘控制芯片的功能153.3.2 8279显示键盘控制芯片引脚定义153.4 IR2130驱动电路简介163.4.1 IR2130结构及功能163.4.2 IR2130的逆变器电路结构183.5 本章小结19第4章 系统构架与硬件电路的设计204.1 系统硬件结构204.2 系统硬件电路设计214.2.1 单片机控制电路214.2.2 电机驱
13、动电路214.2.3 数模转换电路224.2.4 开关电源电路224.2.5 显示和键处理电路234.3 本章小结24第5章 系统软件设计255.1 系统软件总体结构255.2 系统开发软硬件环境255.3 步进电机控制主程序设计265.4 步进电机细分驱动程序设计275.5 步进电机显示和键处理程序设计285.6 本章小结30结论31致谢32参考文献33附录A34附录B42附录C48千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景随着电力电子技术、微电子
14、技术，控制技术的快速发展和EDA技术的日益成熟，特别是高性能可编程逻辑器件的出现，使得步进电机驱动系统集成化设计成为可能，并伴随着电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。近代步进电机的驱动技术的主流是“电流型”，常规的控制技术仅对绕组的电流进行通断控制，在转子齿数一定的条件下，增加相数才能提高电机的分辨率。运用电流波形控制技术可方便地实现步进电机细分驱动。步进电机的细分驱动技术，从20世纪70年代开始研究，逐步发展到90年代完全成熟。我国对细分驱动技术的研究，起步时间与国外相差无几。细分驱动技术的广泛应用，使得电机的步距角不受相数的限制，为产品设计带来方便。目前在步进电机的驱动
15、技术上，采用斩波恒流驱动、细分驱动以及最佳升降频控制，大大提高步进电机运行快速性和运转精度，使步进电机在中、小功率应用领域向高速且精密化的方向发展。在驱动电路中，目前较普遍采用的功率开关管是功率场效应管(MOSFET)，与早先采用的大功率晶体管(GTR)相比有很多优点。性能更加优越的绝缘栅极晶体管(IGBT)也己应用于高速型及较大功率的步进电机驱动电路中。而把IGBT驱动电路及保护电路都集成在一起的智能IGBT模块，具有结构简单、性能稳定及运行可靠等优点，目前己开始应用于中、小功率的步进电机的驱动。步进电机作为数字式执行元件，具有成本低、易控制、定位方便和步距误差不长期累计等优点，被广泛应用在
16、数控装置、绘图机、机械手、印刷和包装设备等工业、军事和医疗自动化领域中。但是步进电机在应用中存在一些制约性的因素，步进电机及其系统表现出诸如低速平稳性差、高速快速响应能力差、效率低和能耗等。步进电机多应用于开环控制的场合，对转子位置和角速度不做检测，较容易在行过程中产生失步和振荡。另外，步进电机不能简单地直接接到普通的交直流电源运转，它需要专门的驱动控制器，步进电机和与之配套的驱动控制器密不可分，在电机本体选定的情况下，驱动控制器的好坏很大程度上影响着整个系统的运行性能。通过研制高性能的步进电机驱动控制器可以大大改善步进电机的运行性能，这对提高我国在这方面的科学技术水平起到了一定的促进作用，拓
17、宽了步进电机的应用领域。因此，研究开发出高性能的步进电机驱动控制器不仅有着重大的现实意义，而且具有极大的经济价值。1.2 步进电机概述步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。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(即步距角)。脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多;输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。因此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，从而达到调速的目的。步进电机种类可分为常用三大类:反应式(VR，也称磁阻
18、式)、永磁式(PM)、混合式(HB)。步进电机具有自身的特点，归纳起来有：1.位置及速度控制简便。步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活的角度控制(位置控制)。因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可在相当宽范围内平滑调节。2.可以直接进行开环控制。因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。3.高可靠性。4.具定位保持力矩。永磁式、混合式步进电机在停止状态下(无脉冲信号输入时)，仍具有励磁保持力矩，故即使不靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。5.中低速时具备高转矩。步进电机在中低
19、速时具有较大的转矩，能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。同时，步进电机也有自己的缺点:从应用的角度来看，严重制约步进电机的两个问题是失步和振荡。由于步进电机在大多数情况下采用开环运行的方式，它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电机本身。有多种情况会产生失步，比如起动或停止频率超过突跳频率，电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率，所带负载转矩超过了起动转矩，共振等。通过改善驱动器的性能，可以减小运行中失步的可能。步进电机的低频振荡是另一个需要解决的问题。步进电机在极低频率下做连续步进运行，即每改变一次通电状态，转子转过一个步距角。如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程，转子是按自由振
20、荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下来。每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这种能量越大，振荡越厉害。当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振荡频率时电机会出现严重的低频共振，甚至失步导致无法工作。一般不允许在共振频率下运行，从驱动器的方面来看，使用细分驱动技术可以有效的克服低频共振的危害。1.3 步进电机驱动系统概述步进电机的工作必须使用专用设备步进电机驱动器。驱动器针对每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电(励磁)，以产生必要的转矩，驱动转子运动。步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的3大部分。步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度
21、上取决于驱动器性能的优劣。当电机和负载己经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法。步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动等。在这仅介绍细分驱动。细分驱动它是将电机绕组中的电流细分，由常规的矩形波供电改为阶梯波供电。这样，绕组中的电流经过若干个阶梯上升到额定值，或以同样的方式从额定值下降。虽然细分驱动电路的结构比较复杂，但在不改变电机内部参数的情况下，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一，使步距角不再受电机结构和制造工艺的限制。由于绕组的电流变化幅度也大大减小，从而极大的改善步进电机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除振荡。近
22、几年来，由于微处理机技术的发展，细分驱动技术在驱动器中获得了广泛应用。1.4 国内外研究状况及发展趋势目前在数控生产和经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域，有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服控制系统的.因此，如何改善电机的控制方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。目前，电机控制方法已经由传统的PID控制方法发展到性能更优良、结构更简单的数字式PID控制方法，并取得了较好的效果，在一定程度上提高了系统的定位精度。国内外研究开发步进电机细分驱动器的科研单位、厂家很多。如：中国科学院自动化研究所开发的步进电机细分驱动器系列，其中针对三相反应式步进电机，细分数为10；
23、北京兴大豪科技开发有限公司开发的用于电脑绣花机的步进细分驱动器；国外产品主要有美国SHAPHON公司生产的细分驱动器系列，其中SH-3F075M反应式步进电机驱动器为40细分等等。这些驱动器多数采用单片机为控制芯片，受单片机计算速度和计算精度的限制，当采用细分驱动时，细分数最大可以达到256。工业发达的国家都在大力发展精密定位技术，利用它进行产品革新、扩大生产和提高良品率和国际经济竞争力。为了满足定位精度的要求，各国都在研究影响系统精度的因素，以及如何实现固有的精度指标。在精度定位研究方面水平最高的是美国，其LINL国家试验室、Moore、Vnion Carbide、Pneumo Precis
24、ion等公司均在精度定位系统研究与开发方面做出了卓越成效的工作。美国国防部高等研究计划局(DARPA)投资1300万美元，由LINL试验室与1983年7月研制成功的LODATM大型超精密机床利用激光干涉测量系统，采用压电晶体误差补偿技术，使定位精度可以达到0.025um，是世界公认最高水平的机床。但是该机床不但重达1360kg，体积庞大，造价更是昂贵。日本近些年来花费巨大人力、物力，开发、研制精密机床，1987年日本通产省开始的“超尖端加工系统的研究开发”是大型研究规划提出的设想。但是，由于精密和超精密加工的尖端部分代表着最新科学技术的发展，同时与航空、军事、核能等方面联系密切，各国对这部分技
25、术是严格保密的。有关精密加工的高新技术和产品还对中国实行禁运。而发展精密加工技术又是我国的当务之急，因此我们必须依靠自己力量，加速发展自己的精密定位技术 。随着微电子技术、大功率电力电子器件及驱动技术的进步， 目前发达国家的驱动器已进入恒相电流与细分技术相结合的技术阶段，使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩维持不变。在步进电机驱动技术上，一方面由于采用了斩波恒流控制、SPWM(正弦脉宽调制)和细分技术以及最佳升降频控制，大大提高了步进电机运行快速性和运动精度，使步进电机在中、小功率范围内向高速精密化领域渗透;另一方面在电路设计方面，驱动器电路普遍采用单片机加上外围电路，或专用SPWM芯片
26、甚至DSP来产生SPWM波来控制功放电路上开关管的通断，从而控制各相绕组细分电流的大小.功率开关管目前采用的功率场效应管（MOSFET）与早先采用的大功率晶体管(GTR)相比有很多优点;性能更加优越的绝缘栅极晶体管(IGBT)也己应用于高速型及较大功率的步进电机驱动电路中。1.5 论文研究内容本课题的设计内容是设计完成基于单片机的步进电机控制器，为提高控制精度对步进电机采用细分控制技术，使控制系统的控制精度在普通三相六拍的基础上得到提高。主要内容包括:单片机控制技术，由单片机控制步进电机的细分、转向等，与系统的硬件以及软件设计:1.采用细分技术实现对电机相电流的控制，以克服传统驱动技术下步进电
27、机低速振动、存在共振现象、噪音大、高速转矩小等缺点。2.用开关电源为驱动器内部电路供电，减小驱动器的体积和重量，提高电源效率。3.驱动器的功率驱动环节采用美国国际整流器公司生产的功率MOS器件(或IGBT)栅极驱动集成电路IR2130，它能输出六路驱动信号，并且由于内部设有自举式悬浮电路，因此只用一路电源，使系统设计极为简化。4.控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘/显示控制器Intel8279等组成，单片机是控制系统的核心。采用了Intel公司研制的键盘、显示器接口电路芯片8279，该芯片能自动完成对显示的刷新，同时还可以对键盘自动
28、扫描，识别闭合键的键号，使用非常方便。8279键盘、显示器接口器件是实现人机对话的主要部件，该接口电路能大大节省CPU的开销，提高了可靠性和CPU工作效率。第2章 步进电机及其驱动系统2.1 步进电机及其工作原理2.1.1 步进电机的结构特点步进电机的典型结构，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。按相数的多少分为不同结构的步进电机，常见的是2相、3相和5相步进电机。图 2-1 表示出一台三相反应式步进电机的横断面，它的定子上有三对磁极，
29、每一对磁极上绕着一相绕组，三相绕组连接成星形；转子铁芯及定子极靴上均有小齿，定转子 齿距通常相等；转子铁芯上没有绕组，转子齿数有一定的限制，图中所示的转子齿数=40，每一个齿距对应的空间角度为=。 图 2-1 三相反应式步进电机结构图2.1.2 步进电机的基本工作原理步进电机种类很多，可以有不同的相数，不同的磁路结构，不同的绕组连结等，但它们的基本工作原理相同，以下以比较常见的一种三相反应式步进电机为例进行说明。根据步进电机结构图，当一相绕组通电，例如A相绕组通电，B、C二相绕组不通电时，电机内建立以AA为轴线的磁场，如图 2-2（1）所示，由于定转子上有齿和槽，所以当定转子齿的相对位置不同时
30、，磁路的磁导也不同，在绕组通电时，转子将有一定的稳定平衡位置，转子的位置是力求使通电相磁路的磁导为最大。当A相通电时，转子的平衡位置是转子齿的轴线与A相磁极上定子齿的轴线相重合的位置，简单的说就是A相极下定转子齿对齿，如图 2-1 所示的情况。（1） A相通电 （2）B相通电 （3）C相通电图 2-2 一相通电时的磁场情况B相绕组的轴线与A相绕组轴线的夹角为120，中间包含的齿距数为=13+，即当A相磁极上定转子正对是，B相磁极上定子齿的轴线沿ABC方向领前转子齿的轴线齿距，C相磁极上定子齿的轴线，则沿ABC方向领前转子齿的轴线齿距。在A相断电的同时，给B相通电，则建立以BB为轴线的磁场，如图
31、 2-2（2），即磁场沿ABC方向转过120空间角。此时，转子的轴线将力求与B相定子磁极上齿的轴线对齐，以达到稳定平衡位置，显然比起A相通电时，转子的位置沿ABC方向转过齿距。相似的，在B相断电的同时，给C相通电，则建立磁场的轴线如图 2-2（3） 所示的CC方向，转子有沿ABC方向转过齿距。可见，在连续不断的按ABCA的顺序分别给各相绕组通电时，电动机内磁场的轴线沿ABC方向不断转动，且每改变通电状态一次时，转过的角度为二相磁极轴线间的夹角120。而转子则每次转过齿距。每循环一次，磁场沿ABC方向转过360空间角，转子沿ABC方向转过一个齿距。2.1.3 绕组通电方式 在步进电机中，定子绕组
32、每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子就转过一个步距角。每一个脉冲信号对应于绕组的通电状态改变一次，也就对应于转子转过一个步距角。对步进电机加一系列连续不断的脉冲时，它可以连续不断的转动，转子的平均转速正比于脉冲的频率，转子转过的角度等于步距角与脉冲数量的乘积。如上所述，在A、B、C三相绕组内分别单独通电的运行方式，称为三相单六拍运行。“三相”是指三相步进电机，“单”是指同时只有一相绕组通电，“六拍”是表示六种通电状态为一个循环，即六次通电状态后电机内的磁场恢复到初始的状态，转子转过一个齿距，定转子齿的相对关系不变。除了三相单六拍运行方式外，三相混合式步进电机还可以在不同的通电方式下运行，如
33、三相双六拍方式，其绕组通电状态变化规律为：还有三相六拍通电方式，其绕组通电状态变化规律为：2.1.4 步距角的控制在不同的通电方式运行下，步进电机的步距角是不一样的，其大小为齿距角除以拍数，若用表示运行拍数，表示转子齿数，则每改变一次通电状态时转子转过角度称为步距角，用表示，则： （21）从 (2l) 式可以看出，拍数和转子齿数不同时，步距角不同，且步距角与拍数或转子齿数成反比。当三相步进电机转子为50齿，若采用3拍通电工作方式时，=2.4;采用6拍通电工作方式时，=1.2;采用12拍通电工作方式时，=0.6。2.2 步进电机驱动系统2.2.1 步进电机驱动系统简介步进电机不能直接接到交直流电
34、源上工作，而必须使用专用设备一步进电机驱动器。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
35、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。步进电机的驱动特点主要体现在以下几个方面1。1.各相绕组都是开关工作。多数电机绕组都是连续的交流或直流供电，而步进电机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是断续的。2.步进电机各相绕组都是在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电时，电流上升受到限制，因此影响电机绕组电流的
36、大小。3.绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。绕组导通和截止过程都会产生较大的反电势，而截止时的反电势将对驱动器功率器件的安全产生十分有害的影响，使整个系统的使用受到影响。4.电机运行时在各相绕组中将产生旋转电势，这些电势的方向和大小将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电机输出转矩随着转速升高而下降。5.电机绕组中有电感电势、互感电势、旋转电势。这些电势与外加电压共同作用于功率器件。当其叠加结果使电机绕组两端的电压大大超过电源
37、电压时，使驱动器工作条件更为恶化。6.步进电机的绕组用双极性电源供电，也就是说，绕组有时需通正向电流，有时需通反向电流。所以，根据以上的特点，步进电机的驱动器必须要保证步进电机绕组有足够的电压、电流和正确的波形，而且同时要保证驱动器功率放大器件安全运行，还应有较高的效率、较小的功耗、较低的成本，这就要求选用合适的功率器件合理设计线路。2.2.2 步进电机细分驱动原理及特点步进电机细分驱动技术是70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合性能的驱动控制技术。1975年美国学者T.R.Fredriksen首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法。在其后的三十多
38、年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到广泛的应用。实践证明，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性等。应用细分驱动技术的步进电机，通过选择不同的细分就可使步进电机具有常用的两相、五相和反应式电机的步距角，从而简化了生产品种，节省了用户投资。细分驱动的基本思想是:各相绕组的通电状态改变时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组电流的一部分，则电机的合成磁场的改变也只有原来的一部分，因为转子的平衡位置与电机中的合成磁场的方向保持同步，所以转子的每步运行也只有原先步距角的一部分。这样，绕组电流由常规的矩形波改为阶梯波，绕组中
39、的电流经过N个台阶上升到额定值，或以同样的方式从额定值下降。电流分成多少个台阶，则转子就以同样的次数转过一个步距角，这种将原先的一个步距角细分成若干步的驱动方法，称为细分驱动。细分驱动不仅减小了步进电机的步距角，还带来了电机性能的全面提高234：1.步进电机低速运行时的振动和噪音原因在于转子到达新的平衡位置时能量过剩。经过细分后，驱动电流的变化幅度大大减少，故转子到达平衡位置时的过剩能量也大为减少。假如电机的相电流为3A，如果使用常规驱动器驱动电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0突变为3A或由3A突变到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在10细分状
40、态下驱动该电机，电机每走一步，其绕组内的电流变化只有0.3A而不是3A，这样就大大的减弱了电机的振动和噪音。2.另一方面，步进信号的脉冲频率提高了N倍(N细分时)，故电机运行时可尽量远离电机的自然振荡频率(80-200Hz)，这样就减小了低频共振的发生几率。3.从第一章对步进电机的运行特性分析可以知道，步进电机运行拍数越多，步距角越小，进入动态稳定区越容易，起动频率就越高，电机的输出转矩也越大。因此，运用细分驱动技术不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，更重要的是能使电机运行更加平稳均匀，而且还能减少低频振动与共振。总体来说，相对于其它的驱动方式，细分驱动的控制效果最好，这是步进电机驱动技
41、术的重大进展之一。2.3 本章小结本章首先介绍了步进电机的结构特点、工作原理、绕组通电方式及其控制特性。然后对步进电机的驱动系统进行简单介绍，并在此基础上提出细分驱动，分析细分驱动的特点。第3章 控制芯片及相关器件简介3.1 单片机的介绍所谓单片机，全称是单片微型计算机，又称微控制器。它是在一块块半导体芯片上，集成了CPU，ROM，RAM，I/O接口、定时器/计数器、中断系统等功能部件，构成了一台完整的数字电子计算机。目前单片机己成功地运用在智能仪表、机电设备、过程控制、数据处理、自动检测和家用电器等各个方面。单片机在控制领域中，有如下几个特点：1.小巧灵活、成本低、易于产品化，能方便地组装成
42、各种智能式控制设备及各种智能仪器仪表。2.面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。3.抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它机种无法比拟的。4.可以很方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。由于单片机具有体积小、低功耗、可靠性高、控制功能强等优点，因此广泛的应用于国民经济的各个领域，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。单片机的应用范围很广，大致可分为以下几个方面：1.工业方面：电机控制、工业机器人、智能传感器等。2.仪器仪表方面：智能仪器、医疗器械、色谱仪、示波器。3.民用方
43、面：电子玩具、高级游戏机、录像机，激光唱机。4.通讯方面：调制解调器、智能线路运行控制、程控交换技术。5.导弹与控制方面：导弹控制、智能武器装置、航天飞机导航系统。6.数据处理方面：磁带机、打印机、温氏硬盘驱动器。7.汽车方面：点火控制、变速器控制、防滑刹车、排气控制。3.1.1 芯片的选择选择单片机时要以无需外部扩展或较少的外部扩展来实现系统所要求的功能，并且不对单片机资源造成太大的浪费为原则。单片机输入信号包括步进脉冲信号CP、方向控制信号、脱机信号，另外还有细分步数选择信号。所以要求单片机有足够的I/0脚、中断资源、定时/计数器等，还要求单片机价格便宜和有足够容量的内部存储器。因为细分后
44、步进脉冲信号频率也相应升高，因此还要求单片机的运算速度快。MCS-51系列单片机及其兼容机在国内使用十分广泛，开发工具也很完善，相关的资料和应用实例很多，可以少走很多弯路，加快开发的进度，所以单片机的指令应与MCS-51兼容。单片机的种类是很多的，有PIC系列、Philips、Motorola系列、Intel系列8051类单片机等。各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、I/0能力、功耗、功能齐全、价格等方面各有优劣。这些种类繁多的单片机家族，给我们单片机的选择提供了很大的余地。Intel公司生产的51系列单片机具有功能强大、价格低廉、体积小、开发容易，步进电机控制器操作等特点，在市场中
45、占有很大的份额，是一种比较通用且经济实惠的产品。因而本系统中选用了40管脚的51单片机ATMEL89C51作为主控芯片，它的基本特征如下：1.与MCS51产品兼容，8位CPU;2.片内时钟振荡器，最高时钟频率为12MHz-24MHz;3.4KB程序存储器EEPROM，可进行100次写/擦除操作;4.片内有128个字节的数据存储器RAM;5.可寻址外部程序存储器和数据存储器空间均为64KB;6.21个特殊功能寄存器SFR;7.4个8位并行I/0口，共32根I/0线，1个双工串行口;8.2个16位定时器/计时器，5个中断源，有2个优先级;9.具有位寻址功能，适用于布尔运算。3.1.2 AT89C5
46、1单片机与管脚功能简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128 B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大的AT89C51单片机能可灵活应用于很多高性价比的场合和各种控制领域。AT89C51可提供以下标准功能：4KB FLASH闪速存储器，128 B内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时
47、钟电路。同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51中还有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。由XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容，电容容量的大小会影响震荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，要适当选取
48、。也可采用外部时钟，这时外部时钟接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。整个EPROM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ALE管脚处于低电平10ms 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，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU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。AT89C51的引脚结构图如图 3-1，现在对各个引脚的功能进行简单的介绍：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位