畢業(yè)論文--基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制器的設(shè)計(含外文翻譯）

1、<p>　　基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制器的設(shè)計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的機(jī)電元件，具有易于開環(huán)控制、無積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行品質(zhì)既與電機(jī)的本體性能有關(guān)，也與驅(qū)動器和控制器的性能有關(guān)。一般步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行噪聲大，控制精度低，無法滿足

2、很多場合下較高運(yùn)行品質(zhì)的要求，因此實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制可以較大地改善步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)性能。本課題在總結(jié)和歸納多種步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計完成了基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)。</p><p>　　細(xì)分驅(qū)動技術(shù)是一種能有效改善步進(jìn)電機(jī)低頻特性和提高步進(jìn)精度的驅(qū)動技術(shù)。廣泛應(yīng)用于對工況要求較高的場合，尤其在一些要求高精度、低噪音、低振動的系統(tǒng)中，細(xì)分驅(qū)動成為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的首選驅(qū)動技術(shù)。</p>

3、<p>　　本文先介紹了三相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后在對步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)和單片機(jī)研究的基礎(chǔ)上，分析了細(xì)分驅(qū)動對于改善步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行性能的作用，該方案中電流細(xì)分技術(shù)基本上克服了傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)低速振動大和噪音大的缺點(diǎn)，減小發(fā)生共振的幾率。該方案能避免其它相繞組的感應(yīng)電壓和繞組電流的漂移帶來的誤差，提高了細(xì)分精度。本文采用控制電路主要由AT89C51單片機(jī)、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器及可編程鍵盤/顯示

4、控制器Intel-8279等組成，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。采用IR2130功率驅(qū)動芯片作為步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動器件。文中對整個系統(tǒng)的架構(gòu)及硬件電路和驅(qū)動軟件的實(shí)現(xiàn)都做了詳細(xì)的介紹。</p><p>　　關(guān)鍵詞　單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；細(xì)分控制</p><p>　　Design of Stepper Motor Subdivision Controller Based on Microcontro

5、ller</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Stepper motor is a kind of electromechanical component that is driven in step angle or line displacement by electric pulse signal. Because of h

6、aving the advantage of easy open-loop 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 operatio

7、n is depended on the performance of motor，driver and controller .Generally，the noise of the stepping motor is great，and control precision</p><p>　　The stepper motor’s micro-stepping driver is a kind of drivi

8、ng technology that can effectively improve the step precision and characteristic of low frequency. It is mostly used when the equipments require high-precision，low noise or low vibration system, and it is being a more an

9、d more popular driving technology.</p><p>　　In this paper，the working principle and configuration of three-phase Stepper are introduced，then based on technologies such as stepper motor controller and microco

10、ntroller .we analysis the using of micro-stepping driving technology to improve operational performance . Current subdividing technology not only overcomes the disadvantages of motor’s vibration and noise at low speeds b

11、ut also reduces probability of resonance. It prevents the reactive voltage errors brought by other windings and the </p><p>　　Keywords　 Single chip microcomputer；Stepper motor；Subdivide control</p>&

12、lt;p>　　不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要……I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><

13、p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 步進(jìn)電機(jī)概述1</p><p>　　1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)概述2</p><p>　　1.4 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢3</p><p>　　1.5 論文研究內(nèi)容4</p><p>　　第2章 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)5</p>&l

14、t;p>　　2.1 步進(jìn)電機(jī)及其工作原理5</p><p>　　2.1.1 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)5</p><p>　　2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理5</p><p>　　2.1.3 繞組通電方式6</p><p>　　2.1.4 步距角的控制7</p><p>　　2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)7&l

15、t;/p><p>　　2.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)簡介7</p><p>　　2.2.2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動原理及特點(diǎn)8</p><p>　　2.3 本章小結(jié)9</p><p>　　第3章 控制芯片及相關(guān)器件簡介10</p><p>　　3.1 單片機(jī)的介紹10</p><p>　　3.1.

16、1 芯片的選擇10</p><p>　　3.1.2 AT89C51單片機(jī)與管腳功能簡介11</p><p>　　3.2 8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832簡介14</p><p>　　3.3 8279顯示與鍵盤控制芯片簡介15</p><p>　　3.3.1 8279顯示鍵盤控制芯片的功能15</p><p>　　

17、3.3.2 8279顯示鍵盤控制芯片引腳定義15</p><p>　　3.4 IR2130驅(qū)動電路簡介16</p><p>　　3.4.1 IR2130結(jié)構(gòu)及功能16</p><p>　　3.4.2 IR2130的逆變器電路結(jié)構(gòu)18</p><p>　　3.5 本章小結(jié)19</p><p>　　第4章 系統(tǒng)構(gòu)

18、架與硬件電路的設(shè)計20</p><p>　　4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)20</p><p>　　4.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計21</p><p>　　4.2.1 單片機(jī)控制電路21</p><p>　　4.2.2 電機(jī)驅(qū)動電路21</p><p>　　4.2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路22</p><p&g

19、t;　　4.2.4 開關(guān)電源電路22</p><p>　　4.2.5 顯示和鍵處理電路23</p><p>　　4.3 本章小結(jié)24</p><p>　　第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計25</p><p>　　5.1 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)25</p><p>　　5.2 系統(tǒng)開發(fā)軟硬件環(huán)境25</p>&l

20、t;p>　　5.3 步進(jìn)電機(jī)控制主程序設(shè)計26</p><p>　　5.4 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動程序設(shè)計27</p><p>　　5.5 步進(jìn)電機(jī)顯示和鍵處理程序設(shè)計28</p><p>　　5.6 本章小結(jié)30</p><p><b>　　結(jié)論31</b></p><p><b

21、>　　致謝32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　附錄A34</b></p><p><b>　　附錄B42</b></p><p><b>　　附錄C48</b></p

22、><p>　　千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)，控

23、制技術(shù)的快速發(fā)展和EDA技術(shù)的日益成熟，特別是高性能可編程邏輯器件的出現(xiàn)，使得步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)集成化設(shè)計成為可能，并伴隨著電動機(jī)本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)電機(jī)分類間的界面越來越模糊。</p><p>　　近代步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)的主流是“電流型”，常規(guī)的控制技術(shù)僅對繞組的電流進(jìn)行通斷控制，在轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定的條件下，增加相數(shù)才能提高電機(jī)的分辨率。運(yùn)用電流波形控制技術(shù)可方便地實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，從2

24、0世紀(jì)70年代開始研究，逐步發(fā)展到90年代完全成熟。我國對細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的研究，起步時間與國外相差無幾。細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得電機(jī)的步距角不受相數(shù)的限制，為產(chǎn)品設(shè)計帶來方便。</p><p>　　目前在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)上，采用斬波恒流驅(qū)動、細(xì)分驅(qū)動以及最佳升降頻控制，大大提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行快速性和運(yùn)轉(zhuǎn)精度，使步進(jìn)電機(jī)在中、小功率應(yīng)用領(lǐng)域向高速且精密化的方向發(fā)展。在驅(qū)動電路中，目前較普遍采用的功率開關(guān)管是功率場

25、效應(yīng)管(MOSFET)，與早先采用的大功率晶體管(GTR)相比有很多優(yōu)點(diǎn)。性能更加優(yōu)越的絕緣柵極晶體管(IGBT)也己應(yīng)用于高速型及較大功率的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中。而把IGBT驅(qū)動電路及保護(hù)電路都集成在一起的智能IGBT模塊，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定及運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，目前己開始應(yīng)用于中、小功率的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)作為數(shù)字式執(zhí)行元件，具有成本低、易控制、定位方便和步距誤差不長期累計等優(yōu)點(diǎn)，被

26、廣泛應(yīng)用在數(shù)控裝置、繪圖機(jī)、機(jī)械手、印刷和包裝設(shè)備等工業(yè)、軍事和醫(yī)療自動化領(lǐng)域中。但是步進(jìn)電機(jī)在應(yīng)用中存在一些制約性的因素，步進(jìn)電機(jī)及其系統(tǒng)表現(xiàn)出諸如低速平穩(wěn)性差、高速快速響應(yīng)能力差、效率低和能耗等。步進(jìn)電機(jī)多應(yīng)用于開環(huán)控制的場合，對轉(zhuǎn)子位置和角速度不做檢測，較容易在行過程中產(chǎn)生失步和振蕩。另外，步進(jìn)電機(jī)不能簡單地直接接到普通的交直流電源運(yùn)轉(zhuǎn)，它需要專門的驅(qū)動控制器，步進(jìn)電機(jī)和與之配套的驅(qū)動控制器密不可分，在電機(jī)本體選定的情況下，驅(qū)動控

27、制器的好壞很大程度上影響著整個系統(tǒng)的運(yùn)行性能。通過研制高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制器可以大大改善步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能，這對提高我國在這方面的科學(xué)技術(shù)水平起到了一定的促進(jìn)作用，拓寬了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，研究開發(fā)出高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制器不僅有著重大的現(xiàn)實(shí)意義，而且具有極大的經(jīng)濟(jì)價值。</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)概述</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種

28、將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)及其功率驅(qū)動裝置構(gòu)成一個開環(huán)的定位運(yùn)動系統(tǒng)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(即步距角)。脈沖輸入越多，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度就越多;輸入脈沖的頻率越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越快。因此可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)種類可分為常用三大類:反應(yīng)式(V

29、R，也稱磁阻式)、永磁式(PM)、混合式(HB)。步進(jìn)電機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來有：</p><p>　　1.位置及速度控制簡便。步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號時，可以依輸入的脈沖數(shù)量做固定角度的旋轉(zhuǎn)而得到靈活的角度控制(位置控制)。因?yàn)樗俣群洼斎朊}沖的頻率成正比，運(yùn)轉(zhuǎn)速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。</p><p>　　2.可以直接進(jìn)行開環(huán)控制。因?yàn)椴骄嗾`差不長期累積，可以不需要速度傳感器以及位

30、置傳感器，就能以輸入的脈沖數(shù)量和頻率構(gòu)成具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　3.高可靠性。</b></p><p>　　4.具定位保持力矩。永磁式、混合式步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下(無脈沖信號輸入時)，仍具有勵磁保持力矩，故即使不靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。</p><p>　　5.中低速時具備高轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)在中低

31、速時具有較大的轉(zhuǎn)矩，能夠較同級伺服電機(jī)提供更大的扭力輸出。</p><p>　　同時，步進(jìn)電機(jī)也有自己的缺點(diǎn):從應(yīng)用的角度來看，嚴(yán)重制約步進(jìn)電機(jī)的兩個問題是失步和振蕩。由于步進(jìn)電機(jī)在大多數(shù)情況下采用開環(huán)運(yùn)行的方式，它的主要運(yùn)行性能完全依賴于驅(qū)動器、負(fù)載和電機(jī)本身。有多種情況會產(chǎn)生失步，比如起動或停止頻率超過突跳頻率，電機(jī)高速運(yùn)行的脈沖頻率超過了最大運(yùn)行頻率，所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過了起動轉(zhuǎn)矩，共振等。通過改善驅(qū)動器的性能

32、，可以減小運(yùn)行中失步的可能。步進(jìn)電機(jī)的低頻振蕩是另一個需要解決的問題。步進(jìn)電機(jī)在極低頻率下做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)行，即每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角。如果阻尼較小，這種運(yùn)動是一個衰減的振蕩過程，轉(zhuǎn)子是按自由振蕩頻率振蕩幾次才衰減到新的平衡位置而停止下來。每來一個脈沖，轉(zhuǎn)子都從新的轉(zhuǎn)矩曲線的躍變中獲得一次能量的補(bǔ)充，這種能量越大，振蕩越厲害。當(dāng)脈沖頻率等于或者接近于電機(jī)的自由振蕩頻率時電機(jī)會出現(xiàn)嚴(yán)重的低頻共振，甚至失步導(dǎo)致無法工作。一般不允

33、許在共振頻率下運(yùn)行，從驅(qū)動器的方面來看，使用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)可以有效的克服低頻共振的危害。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)概述</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的工作必須使用專用設(shè)備——步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。驅(qū)動器針對每一個步進(jìn)脈沖，按一定的規(guī)律向電機(jī)各相繞組通電(勵磁)，以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動器和控制器構(gòu)成了不可分割的3大部分。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能除與電機(jī)自身的性能有關(guān)

34、外，在很大程度上取決于驅(qū)動器性能的優(yōu)劣。當(dāng)電機(jī)和負(fù)載己經(jīng)確定之后，整個驅(qū)動系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動控制方法。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式的發(fā)展先后有單電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動和細(xì)分驅(qū)動等。在這僅介紹細(xì)分驅(qū)動。</p><p>　　細(xì)分驅(qū)動它是將電機(jī)繞組中的電流細(xì)分，由常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電。這樣，繞組中的電流經(jīng)過若干個階梯上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。雖然細(xì)分驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)比較復(fù)

35、雜，但在不改變電機(jī)內(nèi)部參數(shù)的情況下，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一，使步距角不再受電機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制。由于繞組的電流變化幅度也大大減小，從而極大的改善步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。近幾年來，由于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分驅(qū)動技術(shù)在驅(qū)動器中獲得了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢</p><p>　　目前在數(shù)控生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)型定位系統(tǒng)改造

36、及機(jī)器人等定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，有三分之二以上采用的是步進(jìn)電機(jī)作為伺服控制系統(tǒng)的.因此，如何改善電機(jī)的控制方法以提高定位系統(tǒng)的定位精度，成為提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。目前，電機(jī)控制方法已經(jīng)由傳統(tǒng)的PID控制方法發(fā)展到性能更優(yōu)良、結(jié)構(gòu)更簡單的數(shù)字式PID控制方法，并取得了較好的效果，在一定程度上提高了系統(tǒng)的定位精度。</p><p>　　國內(nèi)外研究開發(fā)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器的科研單位、廠家很多。如：中國科學(xué)院自動化研究所開

37、發(fā)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器系列，其中針對三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分?jǐn)?shù)為10；北京興大豪科技開發(fā)有限公司開發(fā)的用于電腦繡花機(jī)的步進(jìn)細(xì)分驅(qū)動器；國外產(chǎn)品主要有美國SHAPHON公司生產(chǎn)的細(xì)分驅(qū)動器系列，其中SH-3F075M反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器為40細(xì)分等等。這些驅(qū)動器多數(shù)采用單片機(jī)為控制芯片，受單片機(jī)計算速度和計算精度的限制，當(dāng)采用細(xì)分驅(qū)動時，細(xì)分?jǐn)?shù)最大可以達(dá)到256。</p><p>　　工業(yè)發(fā)達(dá)的國家都在大力發(fā)展精密

38、定位技術(shù)，利用它進(jìn)行產(chǎn)品革新、擴(kuò)大生產(chǎn)和提高良品率和國際經(jīng)濟(jì)競爭力。為了滿足定位精度的要求，各國都在研究影響系統(tǒng)精度的因素，以及如何實(shí)現(xiàn)固有的精度指標(biāo)。在精度定位研究方面水平最高的是美國，其LINL國家試驗(yàn)室、Moore、Vnion Carbide、Pneumo Precision等公司均在精度定位系統(tǒng)研究與開發(fā)方面做出了卓越成效的工作。美國國防部高等研究計劃局(DARPA)投資1300萬美元，由LINL試驗(yàn)室與1983年7月研制成功的

39、LODATM大型超精密機(jī)床利用激光干涉測量系統(tǒng)，采用壓電晶體誤差補(bǔ)償技術(shù)，使定位精度可以達(dá)到0.025um，是世界公認(rèn)最高水平的機(jī)床。但是該機(jī)床不但重達(dá)1360kg，體積龐大，造價更是昂貴。日本近些年來花費(fèi)巨大人力、物力，開發(fā)、研制精密機(jī)床，1987年日本通產(chǎn)省開始的“超尖端加工系統(tǒng)的研究開發(fā)”是大型研究規(guī)劃提出的設(shè)想。</p><p>　　但是，由于精密和超精密加工的尖端部分代表著最新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時與航空

40、、軍事、核能等方面聯(lián)系密切，各國對這部分技術(shù)是嚴(yán)格保密的。有關(guān)精密加工的高新技術(shù)和產(chǎn)品還對中國實(shí)行禁運(yùn)。而發(fā)展精密加工技術(shù)又是我國的當(dāng)務(wù)之急，因此我們必須依靠自己力量，加速發(fā)展自己的精密定位技術(shù) 。隨著微電子技術(shù)、大功率電力電子器件及驅(qū)動技術(shù)的進(jìn)步， 目前發(fā)達(dá)國家的驅(qū)動器已進(jìn)入恒相電流與細(xì)分技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)階段，使步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行振蕩很小、高速運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩維持不變。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)上，一方面由于采用了斬波恒流控制、SPWM(正弦脈寬調(diào)制

41、)和細(xì)分技術(shù)以及最佳升降頻控制，大大提高了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行快速性和運(yùn)動精度，使步進(jìn)電機(jī)在中、小功率范圍內(nèi)向高速精密化領(lǐng)域滲透;另一方面在電路設(shè)計方面，驅(qū)動器電路普遍采用單片機(jī)加上外圍電路，或?qū)Ｓ肧PWM芯片甚至DSP來產(chǎn)生SPWM波來控制功放電路上開關(guān)管的通斷，從而控制各相繞組細(xì)分電流的大小.功率開關(guān)管目前采用的功率場效應(yīng)管（MOSFET）與早先采用的大功率晶體管(GTR)相比有很多優(yōu)點(diǎn);性能更加優(yōu)越的絕緣柵極晶體管(IGBT)也己應(yīng)用于高

42、速型及較大功率的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中。</p><p><b>　　論文研究內(nèi)容</b></p><p>　　本課題的設(shè)計內(nèi)容是設(shè)計完成基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器，為提高控制精度對步進(jìn)電機(jī)采用細(xì)分控制技術(shù)，使控制系統(tǒng)的控制精度在普通三相六拍的基礎(chǔ)上得到提高。主要內(nèi)容包括:單片機(jī)控制技術(shù)，由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分、轉(zhuǎn)向等，與系統(tǒng)的硬件以及軟件設(shè)計:</p>

43、<p>　　1.采用細(xì)分技術(shù)實(shí)現(xiàn)對電機(jī)相電流的控制，以克服傳統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)下步進(jìn)電機(jī)低速振動、存在共振現(xiàn)象、噪音大、高速轉(zhuǎn)矩小等缺點(diǎn)。</p><p>　　2.用開關(guān)電源為驅(qū)動器內(nèi)部電路供電，減小驅(qū)動器的體積和重量，提高電源效率。</p><p>　　3.驅(qū)動器的功率驅(qū)動環(huán)節(jié)采用美國國際整流器公司生產(chǎn)的功率MOS器件(或IGBT)柵極驅(qū)動集成電路IR2130，它能輸出六路驅(qū)動信號，

44、并且由于內(nèi)部設(shè)有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設(shè)計極為簡化。</p><p>　　4.控制電路主要由AT89C51單片機(jī)、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器及可編程鍵盤/顯示控制器Intel—8279等組成，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。采用了Intel公司研制的鍵盤、顯示器接口電路芯片8279，該芯片能自動完成對顯示的刷新，同時還可以對鍵盤自動掃描，識別閉合鍵的鍵號，使用非常方便。8279鍵盤

45、、顯示器接口器件是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的主要部件，該接口電路能大大節(jié)省CPU的開銷，提高了可靠性和CPU工作效率。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)及其工作原理</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中定子又分

46、為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成。定子繞組是繞置在定子鐵心6個均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。按相數(shù)的多少分為不同結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)，常見的是2相、3相和5相步進(jìn)電機(jī)。圖 2-1 表示出一臺三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的橫斷面，它的定子上有三對磁極，每一對磁極上繞著一相繞組，三相繞組連接成星形；轉(zhuǎn)子鐵芯及定子極靴上均有小齒，定轉(zhuǎn)子 齒距通常相等；轉(zhuǎn)子鐵芯上沒有繞組，轉(zhuǎn)子齒數(shù)有一定的限

47、制，圖中所示的轉(zhuǎn)子齒數(shù)=40，每一個齒距對應(yīng)的空間角度為=。</p><p>　　圖 2-1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)種類很多，可以有不同的相數(shù)，不同的磁路結(jié)構(gòu)，不同的繞組連結(jié)等，但它們的基本工作原理相同，以下以比較常見的一種三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例進(jìn)行說明。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)一相繞組通電

48、，例如A相繞組通電，B、C二相繞組不通電時，電機(jī)內(nèi)建立以AA＇為軸線的磁場，如圖 2-2（1）所示，由于定轉(zhuǎn)子上有齒和槽，所以當(dāng)定轉(zhuǎn)子齒的相對位置不同時，磁路的磁導(dǎo)也不同，在繞組通電時，轉(zhuǎn)子將有一定的穩(wěn)定平衡位置，轉(zhuǎn)子的位置是力求使通電相磁路的磁導(dǎo)為最大。當(dāng)A相通電時，轉(zhuǎn)子的平衡位置是轉(zhuǎn)子齒的軸線與A相磁極上定子齒的軸線相重合的位置，簡單的說就是A相極下定轉(zhuǎn)子齒對齒，如圖 2-1 所示的情況。</p><p>　

49、?。?） A相通電 （2）B相通電 （3）C相通電</p><p>　　圖 2-2 一相通電時的磁場情況</p><p>　　B相繞組的軸線與A相繞組軸線的夾角為120°，中間包含的齒距數(shù)為=13+，即當(dāng)A相磁極上定轉(zhuǎn)子正對是，B相磁極上定子齒的軸線沿ABC方向領(lǐng)前轉(zhuǎn)子齒的軸線齒距，C相磁極上定子齒的軸線，則沿ABC方向領(lǐng)前轉(zhuǎn)子齒的軸線齒距。<

50、;/p><p>　　在A相斷電的同時，給B相通電，則建立以BB＇為軸線的磁場，如圖 2-2（2），即磁場沿ABC方向轉(zhuǎn)過120°空間角。此時，轉(zhuǎn)子的軸線將力求與B相定子磁極上齒的軸線對齊，以達(dá)到穩(wěn)定平衡位置，顯然比起A相通電時，轉(zhuǎn)子的位置沿ABC方向轉(zhuǎn)過齒距。</p><p>　　相似的，在B相斷電的同時，給C相通電，則建立磁場的軸線如圖 2-2（3） 所示的CC＇方向，轉(zhuǎn)子有沿AB

51、C方向轉(zhuǎn)過齒距。</p><p>　　可見，在連續(xù)不斷的按A—B—C—A—的順序分別給各相繞組通電時，電動機(jī)內(nèi)磁場的軸線沿ABC方向不斷轉(zhuǎn)動，且每改變通電狀態(tài)一次時，轉(zhuǎn)過的角度為二相磁極軸線間的夾角120°。而轉(zhuǎn)子則每次轉(zhuǎn)過齒距。每循環(huán)一次，磁場沿ABC方向轉(zhuǎn)過360°空間角，轉(zhuǎn)子沿ABC方向轉(zhuǎn)過一個齒距。</p><p><b>　　繞組通電方式 </

52、b></p><p>　　在步進(jìn)電機(jī)中，定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個步距角。每一個脈沖信號對應(yīng)于繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角。對步進(jìn)電機(jī)加一系列連續(xù)不斷的脈沖時，它可以連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子的平均轉(zhuǎn)速正比于脈沖的頻率，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度等于步距角與脈沖數(shù)量的乘積。如上所述，在A、B、C三相繞組內(nèi)分別單獨(dú)通電的運(yùn)行方式，稱為三相單六拍運(yùn)行。“三相”是指三相步進(jìn)電

53、機(jī)，“單”是指同時只有一相繞組通電，“六拍”是表示六種通電狀態(tài)為一個循環(huán)，即六次通電狀態(tài)后電機(jī)內(nèi)的磁場恢復(fù)到初始的狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距，定轉(zhuǎn)子齒的相對關(guān)系不變。</p><p>　　除了三相單六拍運(yùn)行方式外，三相混合式步進(jìn)電機(jī)還可以在不同的通電方式下運(yùn)行，如三相雙六拍方式，其繞組通電狀態(tài)變化規(guī)律為：</p><p>　　還有三相六拍通電方式，其繞組通電狀態(tài)變化規(guī)律為：</p>

54、<p><b>　　步距角的控制</b></p><p>　　在不同的通電方式運(yùn)行下，步進(jìn)電機(jī)的步距角是不一樣的，其大小為齒距角除以拍數(shù)，若用表示運(yùn)行拍數(shù)，表示轉(zhuǎn)子齒數(shù)，則每改變一次通電狀態(tài)時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度稱為步距角，用表示，則：</p><p><b>　?。?—1）</b></p><p>　　從 (2—l

55、) 式可以看出，拍數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)不同時，步距角不同，且步距角與拍數(shù)或轉(zhuǎn)子齒數(shù)成反比。當(dāng)三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子為50齒，若采用3拍通電工作方式時，=2.4°;采用6拍通電工作方式時，=1.2°;采用12拍通電工作方式時，=0.6°。</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)簡介</p>

56、<p>　　步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與電機(jī)本身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)本體三部分組成。步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出步進(jìn)脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個步距角，即步進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或

57、頻率的高低。控制器的方向信號決定步進(jìn)電機(jī)的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。通常，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動電路、保護(hù)電路和電源組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進(jìn)脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機(jī)通電方式產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)各相勵磁繞組導(dǎo)通或截止信號。控制電路輸出的信號功率很低，不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率，必須進(jìn)行功率放大，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的功率驅(qū)動部分。功率驅(qū)動電路向步進(jìn)電機(jī)控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場

58、，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運(yùn)動。保護(hù)電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅(qū)動器和電機(jī)的運(yùn)行。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面[1]。</p><p>　　1.各相繞組都是開關(guān)工作。多數(shù)電機(jī)繞組都是連續(xù)的交流或直流供電，而步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是斷續(xù)的。</p><p>　　2.步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是在鐵心上的線圈，

59、所以都有比較大的電感。繞組通電時，電流上升受到限制，因此影響電機(jī)繞組電流的大小。</p><p>　　3.繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過程都會產(chǎn)生較大的反電勢，而截止時的反電勢將對驅(qū)動器功率器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響，使整個系統(tǒng)的使用受到影響。</p><p>　　

60、4.電機(jī)運(yùn)行時在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，這些電勢的方向和大小將對繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢基本上與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。</p><p>　　5.電機(jī)繞組中有電感電勢、互感電勢、旋轉(zhuǎn)電勢。這些電勢與外加電壓共同作用于功率器件。當(dāng)其疊加結(jié)果使電機(jī)繞組兩端的電壓大大超過電源電壓時，使驅(qū)動器工作條件更為惡化。</p><p

61、>　　6.步進(jìn)電機(jī)的繞組用雙極性電源供電，也就是說，繞組有時需通正向電流，有時需通反向電流。</p><p>　　所以，根據(jù)以上的特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器必須要保證步進(jìn)電機(jī)繞組有足夠的電壓、電流和正確的波形，而且同時要保證驅(qū)動器功率放大器件安全運(yùn)行，還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗、較低的成本，這就要求選用合適的功率器件合理設(shè)計線路。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動原理及特點(diǎn)<

62、/p><p>　　步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)是70年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合性能的驅(qū)動控制技術(shù)。1975年美國學(xué)者T.R.Fredriksen首次在美國增量運(yùn)動控制系統(tǒng)及器件年會上提出了步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的控制方法。在其后的三十多年里，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并在實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。應(yīng)用細(xì)分

63、驅(qū)動技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)，通過選擇不同的細(xì)分就可使步進(jìn)電機(jī)具有常用的兩相、五相和反應(yīng)式電機(jī)的步距角，從而簡化了生產(chǎn)品種，節(jié)省了用戶投資。</p><p>　　細(xì)分驅(qū)動的基本思想是:各相繞組的通電狀態(tài)改變時，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組電流的一部分，則電機(jī)的合成磁場的改變也只有原來的一部分，因?yàn)檗D(zhuǎn)子的平衡位置與電機(jī)中的合成磁場的方向保持同步，所以轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行也只有原先步距角的一部分。這樣，繞組電流由

64、常規(guī)的矩形波改為階梯波，繞組中的電流經(jīng)過N個臺階上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。電流分成多少個臺階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的次數(shù)轉(zhuǎn)過一個步距角，這種將原先的一個步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動方法，稱為細(xì)分驅(qū)動。</p><p>　　細(xì)分驅(qū)動不僅減小了步進(jìn)電機(jī)的步距角，還帶來了電機(jī)性能的全面提高[2][3][4]：</p><p>　　1.步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行時的振動和噪音原因在于轉(zhuǎn)子到達(dá)新的平衡位

65、置時能量過剩。經(jīng)過細(xì)分后，驅(qū)動電流的變化幅度大大減少，故轉(zhuǎn)子到達(dá)平衡位置時的過剩能量也大為減少。假如電機(jī)的相電流為3A，如果使用常規(guī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一步，其繞組內(nèi)的電流將從0突變?yōu)?A或由3A突變到0，相電流的巨大變化，必然會引起電機(jī)運(yùn)行的振動和噪音。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，在10細(xì)分狀態(tài)下驅(qū)動該電機(jī)，電機(jī)每走一步，其繞組內(nèi)的電流變化只有0.3A而不是3A，這樣就大大的減弱了電機(jī)的振動和噪音。</p><p&g

66、t;　　2.另一方面，步進(jìn)信號的脈沖頻率提高了N倍(N細(xì)分時)，故電機(jī)運(yùn)行時可盡量遠(yuǎn)離電機(jī)的自然振蕩頻率(80-200Hz)，這樣就減小了低頻共振的發(fā)生幾率。</p><p>　　3.從第一章對步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性分析可以知道，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行拍數(shù)越多，步距角越小，進(jìn)入動態(tài)穩(wěn)定區(qū)越容易，起動頻率就越高，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也越大。</p><p>　　因此，運(yùn)用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)不僅可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角

67、，提高分辨率，更重要的是能使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)均勻，而且還能減少低頻振動與共振?？傮w來說，相對于其它的驅(qū)動方式，細(xì)分驅(qū)動的控制效果最好，這是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的重大進(jìn)展之一。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、繞組通電方式及其控制特性。然后對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行簡單介紹，并在此基礎(chǔ)上提出細(xì)分驅(qū)動

68、，分析細(xì)分驅(qū)動的特點(diǎn)。</p><p>　　控制芯片及相關(guān)器件簡介</p><p><b>　　單片機(jī)的介紹</b></p><p>　　所謂單片機(jī)，全稱是單片微型計算機(jī)，又稱微控制器。它是在一塊塊半導(dǎo)體芯片上，集成了CPU，ROM，RAM，I/O接口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能部件，構(gòu)成了一臺完整的數(shù)字電子計算機(jī)。目前單片機(jī)己成功地運(yùn)用在

69、智能儀表、機(jī)電設(shè)備、過程控制、數(shù)據(jù)處理、自動檢測和家用電器等各個方面。</p><p>　　單片機(jī)在控制領(lǐng)域中，有如下幾個特點(diǎn)：</p><p>　　1.小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化，能方便地組裝成各種智能式控制設(shè)備及各種智能儀器儀表。</p><p>　　2.面向控制，能針對性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價格比。</p>&

70、lt;p>　　3.抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作，這是其它機(jī)種無法比擬的。</p><p>　　4.可以很方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。</p><p>　　由于單片機(jī)具有體積小、低功耗、可靠性高、控制功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛的應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，對各行各業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代起到了重要的推動作用。</

71、p><p>　　單片機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，大致可分為以下幾個方面：</p><p>　　1.工業(yè)方面：電機(jī)控制、工業(yè)機(jī)器人、智能傳感器等。</p><p>　　2.儀器儀表方面：智能儀器、醫(yī)療器械、色譜儀、示波器。</p><p>　　3.民用方面：電子玩具、高級游戲機(jī)、錄像機(jī)，激光唱機(jī)。</p><p>　　4.通訊方面：調(diào)

72、制解調(diào)器、智能線路運(yùn)行控制、程控交換技術(shù)。</p><p>　　5.導(dǎo)彈與控制方面：導(dǎo)彈控制、智能武器裝置、航天飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)。</p><p>　　6.數(shù)據(jù)處理方面：磁帶機(jī)、打印機(jī)、溫氏硬盤驅(qū)動器。</p><p>　　7.汽車方面：點(diǎn)火控制、變速器控制、防滑剎車、排氣控制。</p><p><b>　　芯片的選擇</b>

73、;</p><p>　　選擇單片機(jī)時要以無需外部擴(kuò)展或較少的外部擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能，并且不對單片機(jī)資源造成太大的浪費(fèi)為原則。</p><p>　　單片機(jī)輸入信號包括步進(jìn)脈沖信號CP、方向控制信號、脫機(jī)信號，另外還有細(xì)分步數(shù)選擇信號。所以要求單片機(jī)有足夠的I/0腳、中斷資源、定時/計數(shù)器等，還要求單片機(jī)價格便宜和有足夠容量的內(nèi)部存儲器。因?yàn)榧?xì)分后步進(jìn)脈沖信號頻率也相應(yīng)升高，因此還要求

74、單片機(jī)的運(yùn)算速度快。MCS-51系列單片機(jī)及其兼容機(jī)在國內(nèi)使用十分廣泛，開發(fā)工具也很完善，相關(guān)的資料和應(yīng)用實(shí)例很多，可以少走很多彎路，加快開發(fā)的進(jìn)度，所以單片機(jī)的指令應(yīng)與MCS-51兼容。</p><p>　　單片機(jī)的種類是很多的，有PIC系列、Philips、Motorola系列、Intel系列8051類單片機(jī)等。各個系列的單片機(jī)各有所長，在處理速度、穩(wěn)定性、I/0能力、功耗、功能齊全、價格等方面各有優(yōu)劣。這些

75、種類繁多的單片機(jī)家族，給我們單片機(jī)的選擇提供了很大的余地。Intel公司生產(chǎn)的51系列單片機(jī)具有功能強(qiáng)大、價格低廉、體積小、開發(fā)容易，步進(jìn)電機(jī)控制器操作等特點(diǎn)，在市場中占有很大的份額，是一種比較通用且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的產(chǎn)品。因而本系統(tǒng)中選用了40管腳的51單片機(jī)ATMEL89C51作為主控芯片，它的基本特征如下：</p><p>　　1.與MCS—51產(chǎn)品兼容，8位CPU;</p><p>　　2

76、.片內(nèi)時鐘振蕩器，最高時鐘頻率為12MHz-24MHz;</p><p>　　3.4KB程序存儲器EEPROM，可進(jìn)行100次寫/擦除操作;</p><p>　　4.片內(nèi)有128個字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器RAM;</p><p>　　5.可尋址外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間均為64KB;</p><p>　　6.21個特殊功能寄存器SFR;</

77、p><p>　　7.4個8位并行I/0口，共32根I/0線，1個雙工串行口;</p><p>　　8.2個16位定時器/計時器，5個中斷源，有2個優(yōu)先級;</p><p>　　9.具有位尋址功能，適用于布爾運(yùn)算。</p><p>　　AT89C51單片機(jī)與管腳功能簡介</p><p>　　AT89C51是美國ATMEL公司

78、生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（EPROM）和128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲單元，功能強(qiáng)大的AT89C51單片機(jī)能可靈活應(yīng)用于很多高性價比的場合和各種控制領(lǐng)域。</p><p>　　AT89C51可提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K

79、B FLASH閃速存儲器，128 B內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許定時/計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。</p><p&g

80、t;　　AT89C51中還有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。由XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容，電容容量的大小會影響震蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，要適當(dāng)選取。也可采用外部時鐘，這時外部時鐘接到XTAL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL

81、2則懸空。</p><p>　　整個EPROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式

82、下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。</p><p>　　AT89C51的引腳結(jié)構(gòu)圖如圖 3-1，現(xiàn)在對各個引腳的功能進(jìn)行簡單的介紹：</p><p><b>　　VCC：供電電壓。</b></p><p>　　GND：接地。     </p&

83、gt;<p>　　P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。</p><p>　　P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接

84、收輸出4 TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收。</p><p>　　P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流

85、。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。</p><p>　　P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們

86、被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。</p><p>　　P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，P3口管腳備選功能如下：</p><p>　　P3.0 RXD（串行輸入口）</p><p>　　P3.1 TXD（串行輸出口）</p><p>　　P3.2 （外部

87、中斷0）</p><p>　　P3.3 （外部中斷1）</p><p>　　P3.4 T0（記時器0外部輸入）</p><p>　　P3.5 T1（記時器1外部輸入）</p><p>　　P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）</p><p>　　P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）</p><p>

88、　　P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。</p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。</p><p>　　ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作

89、對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。</p><p>　?。和獠砍绦虼鎯ζ鞯倪x通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效

90、的信號將不出現(xiàn)。</p><p>　　/VPP：當(dāng)保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。</p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。</p>&

91、lt;p>　　XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　圖3-1 AT89C51引腳圖</p><p>　　8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832簡介</p><p>　　DAC0832是雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)換器。能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉(zhuǎn)換。圖 3-2為DAC0832的引腳圖。其主要參數(shù)如下：分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時間為1μs，滿量程誤差為

92、±1LSB，參考電壓為(+10～-10)V，供電電源為(+5～+15)V，邏輯電平輸入與TTL兼容。在DAC0832中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號為ILE，第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號也稱為通道控制信號。</p><p>　　DAC0832由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A轉(zhuǎn)換電路組成。輸入寄存器和DAC寄存器作為雙緩沖，因?yàn)樵贑PU數(shù)據(jù)線直接接到

93、DAC0832的輸入端時，數(shù)據(jù)在輸入端保持的時間僅僅是在CPU執(zhí)行輸出指令的瞬間內(nèi)，輸入寄存器可用于保存此瞬間出現(xiàn)的數(shù)據(jù)。有時，微機(jī)控制系統(tǒng)要求同時輸出多個模擬量參數(shù)，此時對應(yīng)于每一種參數(shù)需要一片DAC0832，每片DAC0832的轉(zhuǎn)換時間相同，就可采用DAC寄存器對CPU分時輸入到輸入寄存器的各參數(shù)在同一時刻開始鎖存，進(jìn)而同時產(chǎn)生各模擬信號。</p><p>　　當(dāng)ILE為高電平，片選信號和寫信號為低電平時，輸

94、入寄存器控制信號為1，這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當(dāng)由低電平變高時，控制信號成為低電平，此時，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，這樣輸入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù)DB的變化而變化。</p><p>　　對第二級鎖存來說，傳送控制信號和寫信號同時為低電平時，二級鎖存控制信號為高電平，8位的DAC寄存器的輸出隨輸入而變化，此后，當(dāng)由低電平變高時，控制信號變?yōu)榈碗娖?，于是將輸入寄存器的信息鎖存到DAC寄存

95、器中。</p><p>　　圖 3-2 DAC0832引腳圖</p><p>　　圖3-2中其余各引腳的功能定義如下：</p><p>　　1.DI7～DI0 ：8位的數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。</p><p>　　2.IOUT1 ：模擬電流輸出端1，當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時，輸出電流最大，當(dāng) DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時，輸出電流為0。

96、</p><p>　　3.IOUT2 ：模擬電流輸出端2， IOUT2與IOUT1的和為一個常數(shù)，即IOUT1＋I(xiàn)OUT2＝常數(shù)。</p><p>　　4.RFB ：反饋電阻引出端，DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以 RFB端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端，這樣相當(dāng)于將一個反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸出端和輸入端之間。</p><p>　　5.VREF ：參考

97、電壓輸入端，此端可接一個正電壓，也可接一個負(fù)電壓，它決定0至255的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來的模擬量電壓值的幅度，VREF范圍為(+10～-10)V。VREF端與D/A內(nèi)部T形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。</p><p>　　6.Vcc：芯片供電電壓，范圍為(+５-15)V。</p><p>　　8279顯示與鍵盤控制芯片簡介</p><p>　　8279顯示鍵盤控制芯片的功能</p

98、><p>　　8279芯片是采用±5V電源供電、40管腳封裝的可編程設(shè)置型鍵盤/顯示器芯片，其有如下功能：</p><p>　　1.可同時進(jìn)行鍵盤掃描及文字顯示；</p><p>　　2.鍵盤掃描模式(Scanned Keyboard Mode)；</p><p>　　3.傳感器掃描模式(Scanned Sensor Mode)；<

99、;/p><p>　　4.激發(fā)輸入模式(Strobe Input Entry Mode)；</p><p>　　5.8乘8鍵盤FIFO(先進(jìn)先出)；</p><p>　　6.具有接點(diǎn)消除抖動，2鍵鎖定及N鍵依此讀出模式；</p><p>　　7.雙排8位數(shù)或雙排16位數(shù)的顯示器；</p><p>　　8.右邊進(jìn)入或左邊進(jìn)入。

100、16位字節(jié)顯示存儲器。</p><p>　　8279顯示鍵盤控制芯片引腳定義</p><p>　　下面介紹8279芯片個引腳的功能定義，8279芯片的引腳結(jié)構(gòu)如圖 3-3所示。</p><p>　　1.DB0~DB7：雙向數(shù)據(jù)總線。在CPU與8279間做數(shù)據(jù)與命令傳送。</p><p>　　2.CLK：8279的系統(tǒng)時鐘，100Hz為最佳選擇

101、。</p><p>　　3.RESET：復(fù)位輸入線。輸入HI時可復(fù)位8279。</p><p>　　4.CS：芯片選擇信號線。當(dāng)這個輸入引腳為低電平時，可將命令寫入8279或讀取8279的數(shù)據(jù)。</p><p>　　5.A0：緩沖器地址選擇線。A0=0時，讀寫一般數(shù)據(jù)；A0=1時，讀取狀態(tài)標(biāo)志位或?qū)懭朊睢?lt;/p><p>　　6.RD：讀取

102、控制線。RD=0時，8279輸送數(shù)據(jù)到外部總線。</p><p>　　7.WR：寫入控制線。WR=0時，8279從外部總線接收數(shù)據(jù)。</p><p>　　8.IRQ：中斷請求。平常IRQ為LO，在鍵盤模式下，每次讀取FIFO/SENSOR RAM的數(shù)據(jù)時，IRQ變?yōu)镠I，讀取后轉(zhuǎn)為LO；在傳感器模式下，只要傳感器一有變化，就會使IRQ變?yōu)镠I，讀取后轉(zhuǎn)為LO。</p><

103、;p>　　9.SL0~SL3：掃描按鍵開關(guān)或傳感器矩陣及顯示器，可以是編碼模式(16對1)或解碼模式(4對1)。</p><p>　　10.RL0~RL7：鍵盤/傳感器的返回線。無按鍵被按時，返回線為HI；有按鍵被按時，該按鍵的返回線為LO。在激發(fā)輸入模式時，為8位的數(shù)據(jù)輸入。</p><p>　　11.SHIFT：在鍵盤掃描模式時，引腳的輸入狀態(tài)會與其它按鍵的狀態(tài)一同儲存(在BIT

104、6)，內(nèi)部有上拉電阻，未按時為HI，按時為LO。</p><p>　　12.CNTL/STB：在鍵盤掃描模式時，引腳的輸入狀態(tài)會與SHIFT以及其它按鍵的狀態(tài)同一儲存，內(nèi)部有上拉電阻，未按時為HI，按時為LO。在激發(fā)輸入模式時，作為返回線8位數(shù)據(jù)的使能引腳。</p><p>　　13.OUTA0~OUTA3：動態(tài)掃描顯示的輸出口(高4位)。</p><p>　　14

105、.OUTB0~OUTB3：動態(tài)掃描顯示的輸出口(低4位)。</p><p>　　15.BD：消隱輸出線。</p><p>　　圖3-3 8279引腳結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　IR2130驅(qū)動電路簡介</p><p>　　IR2130結(jié)構(gòu)及功能</p><p>　　IR2130是美國國際整流器公司生產(chǎn)的功率MOS器件(

106、或IGBT)柵極驅(qū)動集成電路，它能輸出六路驅(qū)動信號，并且由于內(nèi)部設(shè)有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設(shè)計極為簡化。</p><p>　　IR2130是雙列直插具有28個引腳的高性能功率MOS或IGBT驅(qū)動器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-4 所示。在它的內(nèi)部集成有一個電流比較器CC、電流放大器CA、一個自身工作電源欠電壓檢測器UVD、一個故障邏輯處理單元FL及一個封鎖邏輯CL。除上述外，它的內(nèi)部還集成有三個輸入信

107、號處理器ISG、三個脈沖處理和電平移位器PGLS、三個高壓側(cè)驅(qū)動信號鎖存器LT，三個高壓側(cè)驅(qū)動信號的欠電壓檢測器UVDR及六個低阻抗輸出驅(qū)動器DR和一個或門電路OR。其特點(diǎn)簡述如下:工作電源電壓為3-20V，可用于驅(qū)動工作在母線電壓不超過600V電路中的MOS器件，最大輸出正向峰值驅(qū)動電流為25OmA，而反向峰值驅(qū)動電流為500mA。它可對同一橋臂上、下兩個功率MOS器件的柵極驅(qū)動信號產(chǎn)生2us的互鎖延時時間。內(nèi)部設(shè)有一個線性放大器，可

108、用于電流信號的放大。IR2130的保護(hù)功能十分強(qiáng)大，內(nèi)部設(shè)有過電流、過電壓、欠電壓、邏輯識別保護(hù)以及封鎖和指示環(huán)節(jié)。一旦外電路發(fā)生過電流或橋臂直通，即電流檢測單元送出的信號高于0.5V時，內(nèi)部比較器CC迅速翻轉(zhuǎn)，使故障邏輯處理單元FL輸出低電平，一則封鎖ISG的輸出，使IR2130的輸出</p><p>　　圖 3-4 IR2130內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　各引腳功能為:VB1—

109、VB3:是懸浮電源連接端，通過自舉電容為3個上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源;VS1—VS3是其對應(yīng)的懸浮電源地端;HIN1—HIN3、LIN1—LIN3:逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動信號輸入端，低電平有效。ITRIP:過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護(hù)。CA、CAO、:內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來完成電流信號檢測。H01—H03、L01—L03:逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動器信號輸出端。