步进电动机设计毕业论文.doc

陕西理工学院毕业论文（设计）前 言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。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电动机有如下特点： 1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。 2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 4）速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。 5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。 6）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。国内控制器的研究起步较晚，运动控制技术为一门多学科交叉的技术，是一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领域。如电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等，运动控制技术是这些技术的有机结合体。总体上来说，国内研究取得很大的进步，但无论从控制器还是从控制软件上来看，与国外相比还是具有一定差距。而目前国内已有的步进电机驱动器，一般采用高低压驱动方式或者调频调压驱动方式，这些驱动电路仅可实现基本步距的运行，电路构成复杂，而且多由分立元件组成，可靠性不高,还存在运行速度低、缺乏保护电路、驱动效率低和发热损耗大等缺点。随着微电子技术的发展，出现了集成化的驱动电路，但由于我国在电子材料与元器件、系统集成技术等基础工业水平和相关前沿领域与国际水平差距较大，所以步进电机驱动芯片主要依靠进口。而且，现有的许多步进电机驱动芯片，大多仅提供整步、半步控制选择，步进电机的运行性能并没有太大的提高。而且价格也比较贵。本文主要介绍了步进电机以及其控制驱动电路的研究现状与发展趋势，研究了一种用单片机制作的步进电机的控制驱动电路，使其能够进行速度和正反转控制，经实验证明效果良好且可以驱动不同功率的步进电机。电路结构简单，成本也非常低，有较好的应用价值。1关于步进电机1.1步进电机的发展及应用步进电机又称脉冲电动机，是数字控制的一种执行元件。它是随着计算机控制系统发展而发展起来的，利用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或者线位移的电动机。步进电机驱动器是其控制系统中的一部分。而步进电机与它的驱动器是一个整体的不可分割的两部分，统称为“步进电动机单元”。因而步进电机与驱动器关系密切。晶体管技术的应用，使驱动器向小型化前进了一步。70年代驱动器技术进入全盛时期，步进电机及其相应的驱动器相续问世，如日本的EPM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晶体管外，也可用晶闸管，电源线路结构除了采用单一电压等级的驱动器外，还有采用两种不同电压等级的驱动器;随着步进电机的应用和发展，其驱动器也在不断发展、完善和提高，驱动电路集成化己成为一种趋势。以美国为例，它生产的步进电机驱动器体积小，而功能上可驱动较大的步进电机，工作发热低，电机工作平稳闭。而驱动技术方面现在应用较多的有斩波驱动、升频升压驱动等。步进电机驱动技术的一个重要发展方向是微步驱动技术，也叫步进电机细分驱动技术。对于步进电机控制系统，运动控制器就像是它的中枢神经系统，指挥着它的每个动作。控制器接收相应指令，并根据指令向各进给电机发出控制信号，各个电机的驱动器则将控制信号转变成直接驱动电机的电信号。开放式运动控制己成为运动控制的发展方向，因此对控制器也有更高的要求。 目前控制系统在实际应用中多采用如下方案之一构成: (1)基于PC和微处理器.由单片机等微处理器为核心部件，加上存储器、编码器信号处理电路以及D/A转换电路等组成控制器，其控制算法的程序固化在存储器中。而上位机基于 PC的控制系统，由于联动插补算法较复杂，有大量浮点运算，对实时性要求又较高，选用PC来完成粗插补运算和数值运算。同时可利用丰富的PC软件来改善控制系统的图形显示、动态仿真、编程和诊断功能。(2)基于微控制器设计的专用集成电路，如美国国家半导体公司生产的LM628,惠普公司的HCPLl100等。用一个芯片即完成速度曲线规划、PID伺服控制算法、编码器信号的处理等多种功能。一些需要用户经常更改的参数如电机位置、速度、加速度、PID参数等均在芯片内部的RAM内，可由计算机用指令很方便的修改。但由于受到运算速度的限制，复杂的控制算法和功能很难实现。(3)基于PC总线的开放式系统控制器和可编程数字逻辑器件。可编程器件具有:高性能、高集成度、高灵活性、简化电路等优点。而现在的奔腾、奔腾II、奔腾III微处理器计算速度和运算能力很强大，以其为基础的控制器已经能同专用的控制器相媲美。但这个方案采用元器件较多，可靠性低，体积比较大，软件设计工作量较大。而系统中各个坐标轴电机还需具备位置控制功能，位置控制实时性很强，当控制轴数较多时，任务与插补共用一个 CPU会导致系统主机负担太重，实时性不易保证，而且故障风险过于集中。 (4)基于数字信号处理器(DSP)型.20世纪90年代以来，随着计算机技术和电子技术的发展，将运算高速、功能强大的数字信号处理器应用于控制器。许多公司研制了以DSP为微处理器的控制器，这些控制器一般以IPC或兼容机为硬件平台，以DOS或WINDOWS为软件平台，采用开放式开发手段，使用很方便。美国 Delta TauPMAC一PC 以Data System公司推出的PMAC系列伺服控制器比较有代表性。Motorola公司的DSP56001为微处理器，主频20/30MHz, 60/40微秒/轴的伺服更新率，36位位置范围，16位DAC输出分辨率，10/15MHz编码计数率，每秒可处理多达500条程序，可以完成直线或圆弧插补，S曲线”加速和减速，三次轨迹计算、样条计算。利用DSP强大的运算功能实现1-8轴的多轴实时控制。在国内，步进电机驱动器是从五十年代开始发展，实际上进入七十年代后才开始有较大进展至今己有较好的基础和一定的规模。七十年代，我国曾经花费了很大的力量来发展采用步进电动机系统的数控机床。众所周知，那次的发展很不成功，主要是控制系统的不可靠、不稳定所造成的。其中，步进电动机的驱动器性能较差、价格昂贵、可靠性低是一个重要的原因。八十年代末开始在我国发展的经济型机床控制系统，它是一种用单板计算机和步进电机开环系统构成的简易型控制装置。由于采用了单板机控制，使得控制部件的稳定性、可靠性大为提高，成本下降。而步进电机及其驱动器仍基本上停留在较低的水平，成为这种系统发展的主要障碍。电动机的理论、设计和制造技术相对较强，驱动器的发展则是一个薄弱的环节，一方面在我国步进电机的驱动器多采用传统线路结构，性能落后;另一方面还表现在缺乏驱动器专业生产。目前我国许多厂家已研制生产出步进电机的驱动器，其技术设计基本上是引进国外的专用芯片，且其性能还存在许多不足 (如节能、稳定性等)，与国外产品相比还有一定距离.而对于控制器的研究国内起步较晚，运动控制技术为一门多学科交叉的技术，是一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领域。如电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等，运动控制技术是这些技术的有机结合体。12步进电机的基本参数和特点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：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。本次驱动方案所选用的步进电机是永磁式步进电机。步进电机的一些基本参数：电机固有步距角：它表示控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，它不一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，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化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。DETENTTORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。步进电机的一些特点：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最高温度。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。3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。4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,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，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。13主要技术指标步进电机主要的技术指标有：1)步距角 指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。目前国产商品化步进电机常用步距角为：0.36、0.6、0.72、0.75、0.9、1.2、1.5、1.8、2.25、3.6、4.5度等。2)齿距角 相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。3)失调角 失调角是指转子偏离零位的角度。4)精度 步进电机的精度有两种表示方法，一种用步距误差最大值来表示，另一种用步距累计误差最大值来表示。最大步距误差是指电动机旋转一周内相邻两步之间的最大步距角和理想步距角的差值，用理想步距的百分数表示。最大累计误差是指任意位置开始经过任意步之间，角位移误差的最大值。5)转矩 步进电机转矩是一个重要的指标。它又包括定位转矩、静转矩、动转矩。定位转矩是指在绕组不通电时电磁转矩的最大值。通常反应式步进电机的定位转矩为零，混合式步进电机有一定的定位转矩。静转矩是指不改变绕组通电状态，即转子不转时的电磁转矩。它是绕组电流及失调角的函数。对应某一失调角时静转矩最大，称为最大静转矩。动转矩是指转子转动情况下的最大输出转矩值，它与运行频率有关。在一定频率下，最大静转矩越大，动转矩也越大。6)响应频率 在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率来作为衡量的指标，它是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率，称为极限启动频率。7)运行频率 指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。14步进电机工作原理该设计中所用到的步进电机为四相六线步进电机，它是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1-1是该四相反应式步进电机工作原理示意图图1-1四相步进电机步进示意图开始时，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。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。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1-2中a、b、c所示：a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍图1-2步进电机工作时序波形本设计中步进电机的参数：模组配备的步进电机为25BY1201电机，工作方式为双极性四相。电机是种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进电机接收到一个脉冲信号，它就按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)。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实现步进电机的调速。 市面上一般的步进电机内部结构图如图1-3图1-3 步进电机的接线本设计采用的步进电机是25BY1201，因生产厂家不同，其接线也有所不同：电机共引出四根线，其余两根线是公共端，经测量后可得到其正确的接线顺序，表给出了电机所对应的相序表 1 步进电机控制线控制线颜色 白红 黑黄 控制线名称 A B CD其中，C与D是电机内部一组线圈的两个抽头， A与B是另一组线圈的两个抽头。只需以一定的顺序控制两组线圈中的电流方向即可使步进电机按指定方向转动。 25BYJ1201的主要技术参数如下： 表2步进电机25BYJ1201技术参数电压 相电阻 步距角 启动转矩（g.cm） 启动频率（P.P.S） 定位转矩（g.cm） 512V 200 075200 250 200 15 课题的研究意义和目的步进电机可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，这是步进电动机最突出的优点.由其组成的开环系统简单、廉价、可靠。因此，它被广泛的运用于数控机床、绘图机、计算装置、自动记录仪、工业机器人、无损检测等系统及装置中。步进电机的性能在很大程度上取决于步进电机控制系统，而步进电机控制系统由步进电机控制器、驱动器、系统软件等几部分组成，控制系统的每一部分对步进电机的运行性能息息相关。 步进电机与它的控制驱动系统是不可分割的两部分，由于步进电机驱动器的不完善，使得步进电机系统表现出一些重大的欠缺;接近工作频率的低频共振，低速运行平稳性较差，高速运行的快速响应能力差、容易失步、效率低、能耗大、发热量大等.从应用的角度来看，严重制约步进电动机的问题就是失步、振荡和较差的矩频特性。基于以上理论，步进电机的控制驱动系统的设计就非常必要。289C52芯片的介绍2.1引言在一般工业领域，8位通用型单片机，仍然是目前应用最广的单片机。在众多通用8位单片机中，以8051系列产品最大、派生产品较多，成为单片机应用中的主流系列。8051系列单片机是以美国Intel公司的8051为核心，所派生出来的产品，当然也包括Intel公司本身的MCS-51系列产品，但由于MCS是Intel公司的注册商标，所以其他公司生产的8051派生产品，不能称之为MCS-51系列，只能称为8051系列。为此，以下若是提到8051系列时，都是泛指所有公司（包括Intel公司的8051系列）生产的以8051为核心单元的各种型号的单片机，若是提MCS-51系列，则专指Intel公司生产的以8051为核心单元的各种型号单片机，而提8051单片机时，则专指MCS-51系列中的8051型号。另外，本书在使用8051系列、MCS-51系列和8051单片机这三组词时，还遵循以下原则：凡指令都以MCS-51命名。但MCS-51指令系列适用于所有8051系列的单片机。凡结构都以8051单片机为准。因为在8051系列的单片机中，有众多的派生型号，各种型号的内部结构如并行口、定时器、和中断源的数目都略有不同。本书介绍有关结构内容时，选择了它们的基础型号即8051单片机进行介绍，因为全系列的结构都以它为核心单元，虽然讲的是8051的结构及原理，但适用于8051系列单片机的所有其它型号，当然也适用Intel公司的MCS-51系列。22单片机的介绍单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。单片机的组成及特点：将微处理器、存储器、I/O接口电路集成在一块芯片上，称为单片机。它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。 由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要有如下特点：（1）有优异的性能价格比。（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。（3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。（5）外部总线增加了I C（Inter-Integrated Circuit）及SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。23 AT89C52特点及管脚介绍当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。常用的单片机有很多种：Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列、Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。我们最终选用了ATMEL公司的AT89C52单片机。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes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，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大AT89C52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。特点： 与MCS-51产品指令和引脚完全兼容 8K字节可重擦写FLASH闪存 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz-24MHz 三级加密程序存储器 256X8字节内部RAM 32个可编程I/O口线 3个16位定时/计数器 8个中断源 可编程串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式功能特性概述：AT89C52提供以下标准功能：8K字节FLASH闪存，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52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工作，但允许RAM，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他所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C52的芯片管脚图如图2-1 在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。图2-1 AT89C52的芯片管脚图（1）VCC：电源电压（2）GND：接地（3）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。（4）EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。（5）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。（6）XTAL2：来自反向振荡器的输出。（7）P0口：P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。（8）P1口P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见下表。FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。表2-1 P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出P1.1T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）（9） P2口：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。（10）P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：表2-2 P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4TO(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。（11）ALE/PROG当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。（12）/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，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。3系统的方案论证及选择31 引言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。步进电机有几个显著特点：（1）步进电机可以直接接受数字信号，而无需模/数变换；（2）步进电机具有快速启/亭控制能力，可在瞬间实现启动和停止；（3）步进电机具有高精度的特点，步距角在0.3690度之间；（4）定位准确。步进电机控制驱动系统的设计可以有不同的设计方案，本文阐述的是基于单片机的步进电机控制驱动系统的设计。3.2设计要求1、 根据设计任务，设计该单片机应用系统的硬件电路图，并编制相应的软件，实现硬件和软件的调试。2、 按下不同的键，分别使步进电机实现顺时针和逆时针旋转。3、 按下不同的键作步进电机速度及转向的控制并显示步进电机的状态。A） 电机正向或逆向运转的切换。B） 电机加速运转。C） 电机减速运转。D） 电机按给定速度匀速运转。3.3设计方案的比较和选择电机的控制驱动系统如图3-1控制电路逻辑电路驱动电路步进电机图3-1 电机驱动系统根据题目要求，系统可以划分为控制部分和电机驱动部分，模块框图如图所示。其中控制部分包括：控制模块，驱动模块。电机驱动部分包括步进电机驱动电路和步进电机。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行论证。（1）控制器模块 根据题目要求，控制器主要用于控制步进电机，控制电机转动方向。对于控制器的选择有以下两种方案。方案一：采用FPGA为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制步进电机运动，但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二：采用AT89C52作为系统控制的方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。因此，在本设计中采用AT89C52处理输入的数据并控制步进电机运动。上述两种方案，方案二较简单易行，可以满足设计要求。（2）驱动电路功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。对于功率放大电路，有如下方案：方案一：使用L298N芯片驱动电机。L298N芯片可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。方案二：直接采用ULN2003进行驱动。它的内部结构是达林顿的，专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。方案三：采用三极管驱动电路。 由于使用的是四相步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，为了使步进电机的驱动能力大，选用晶体管对输入电流进行放大。本电路要求不高，选用大功率晶体管，集电极电流最大为1.5A，这样不会使步进电机满负荷，符合步进电机的工作要求。根据设计要求和器件准备，选用方案三。 （3）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（即步进角）。由单片机产生脉冲信号，脉冲信号占空比越大，电机转速则越高。一般采用占空比为0.3-0.4的脉冲信号。四相电机的信号分配有多种方式：单四拍、双四拍、单双八拍、双八拍。本课题中采用四相八拍，以便提高控制的精度和提高电机的带负载能力。本设计中采用四相六线步进电机。34方案论证1）控制模块：用单片机89c52来控制电路，单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。因此，在本设计中采用AT89C52处理输入的数据并控制步进电机运动。2）驱动模块因为步进电机要拖动一定的负载工作，励磁绕组必须注入所要求的电流，于是要把从分配器输出的微弱信号进行放大。而具体的放大要求则需根据电机所需的励磁电流大小来设计。功率放大器的主要功用是根据电机或负载的需要，将环行分配器输出的各相电信号进行放大。功率放大器的构成有简有繁，小的如指针式石英钟表，其电源只要输出几毫瓦到几十毫瓦，而数控机床的输出功率要按马力计算。因此每一功率放大器的放大级数决定于最后功放级电流和分配器来的信号电流之比以及功放管的性能。功放级的结构上的差异也会直接影响电机的性能。步进电动机驱动电源除主要由环行分配器和功率放大器组成外，还有必要的电源部分，整流滤波稳压部分，以及一些自检用的频率发生器、高频电机需要的自动升降频线路。当然还可以有一些特殊的改善电机运行品质，以及抑制低频振荡的线路等等。稳压只是为了线路稳定。驱动电源要求完整、准确、灵敏地执行控制指令，具有足够的功率，抗干扰能力强。当然还有一些对设备的基本要求，如体积小、结构简单、成本低、维修方便以及安全可靠等。目前，大功率步进电机的驱动电源末级功放使用二种元件。一种是可控硅元件，其特点是线路电压可以选的很高，但在高频工作时，电机的频率响应性能不够稳定；另一种是大功率晶体管，性能要求比较稳定。大功率管工作在开关状态，只要保证输入波形的高电平使三极管充分饱和，而低电平时成分截止就可以了。还必须考虑通风散热问题，这个也使驱动器的体积增加，结构复杂。这目前常用于小功率的步进电机工作的场合。本课题采用的电机是25BY1201，额定电压为12V，额定电流为200mA，功率较小，比较适用。值得注意的是，TIP127大功率的放大倍数相当大，前级的输出很小，经过放大后都可以驱动不同功率的步进电机。放大电路的保护：A：静电保护功率三极管的最大优点是具有极高的输入阻抗,因此在静电较强的场合难于泻放电荷,容易引起静电击穿，但TIP127自身带有很强的抗静电设计,高达2kV，因此无需专门的保护电路,只需注意,在将器件接入电路时,工作台和烙铁必须良好接地,焊接时烙铁应断电即可。B过压保护主要是漏源和栅源间的电压保护。步进电机具有较大的电感,当电流迅速变化时,就会感应出高达几百伏的反电动势,损坏晶体管，为此,对感应电动势要进行抑制,一般方法就是采用浪涌吸收电路，最简单的方法是将二极管与各绕组并联,二极管的正向电压较低,吸收效果较好,但二极管的通电时间长,不适用于高速开关的电路。另外,二极管是把绕组上的感应电压直接短路,阻尼效果较强,电动机的高频特性变坏,因此这种结构限于低速运行的电路。在本实例中系统对电机速度要求不高,所以采用了这种方法。C过流保护三极管的过流有两种情况,即负载短路与负载过大时产生的过电流。在高频电力电子电路中,无论是控制检测环节或者短路保护环节,都需要检测高频非正弦电流的波形和数值，这就需要具有快速反应能力的电流传感器，无感电阻、脉冲互感器和霍尔电流传感器都可以作为快速型电流检测元件，可以采用霍尔电流传感器中的LEM模块检测电流,LEM模块抗干扰能力强!动态性能好!具有自保护能力,模块的响应时间小于1s,因此是一种比较理想的快速电流检测元件。3）步进电机：采用六线四相式步进电机此电机驱动电压低，5v都可以使电机工作，所以对驱动电路的要求并不高，电路容易实现其功能。35方案具体设计