2.2.1步进电机的工作原理
步进电机是数字控制电机，它将电脉冲信号转变成角位移，实质上是一种数字/角度转换器。通俗一点讲：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。步进电机的转子为多级分布，转子上嵌有多相星型连接的控制绕组，由专门电源输入脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。
步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，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；混合式步进是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。这种步进电机的应用最为广泛。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由输入脉冲的频率决定。
该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2-1是四个开关信号控制四相反应式步进电机工作原理示意图。
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2-2 a、b、c所示：
a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍
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图2-2步进电机工作时序波形图
步进电机的驱动电路依据控制信号工作，控制信号由单片机产生，完成以下三种功能： ◆控制换相顺序
通电换向这一过程称为脉冲分配。对于四相步进电机而言，其各相通电顺序如图2.4所示，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D、A 、
B C、D相的通断。 ◆控制步进电机的转向
如果按给定方向的正序换相通电，步进电机正转；如果按反序通电换相，步进电机反转。
◆控制步进电机的速度
如果给步进电机发送一个控制脉冲，它就转一步，再发送一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转的越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。 2.2.2 步进电机主要技术指标
选择步进电机需要根据实际需要和技术指标综合考虑。步进电机只有在满足额定的工作条件下，才可以正常工作。主要技术指标有：
（1）工作电压：即步进电机工作所需要的工作电压。
绕组电流：只有绕组有电流时，才能建立磁场，且不同相上电流的有无决定步进电机的步进。不同的步进电机，其额定绕组电流也不一样。功率小的有几百毫安，功率大的以安培计。步进电机工作时，应使其工作在此电流下。
（2）转动力矩：转动力矩是指在额定条件下（电压、电流），步进电机的轴上所能产生的转矩，单位通常为牛顿每厘米(N/cm)。转动力矩会随转动的升高而下降，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。
（3）保持转矩：保持转矩是指步进电机通电但是没有转动时，定子锁住转子的力矩。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岁转速增大而不断衰减，输出功率也随速度增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机的重要参数。
（4）步进角：步进电机每走一步实际上就是转子转一个角度。不同的电机，每步转动的角度不一样。小的有0.5度每步、1.5度每步，大的到15度每步。在应用中可根据用户的需求选用。
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（5）精度：一般步进电机的进度为步进角的3～5%，且不积累。采用细分技术可以提高电机的运转精度。细分技术实质上是一种电子阻尼技术，起主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。
（6）工作频率：即步进电机每秒钟走的额定步数。由于步进电机的走步实际上是转子的机械运动，不可能很快。例如，有的工作频率为500Hz，就意味着每走一步需要2ms。目前频率高的可达10KHz。但是总的来说步进电机的速度是十分慢的。
（7）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，可能发生丢失或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要是电机达到高速转动，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（电机转速从低速到高速）。
（8）激励方式：以四相电机为例，驱动它的激励方式有1相、2相、1-2相三种。1相激励方式是指每一时刻4相中只有一相导通，步进电机以此工作方式工作时，温升较高，电源功率功耗小，但是当速度较高时容易产生失步；2相激励方式是指每一时刻4相中都有两相导通，然后按4相的顺序循环；1-2相激励方式是指驱动时一相导通和两相导通交替出现的。
（9）外表温度：步进电机温度过高会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至失步，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。
第3章 总体方案
3.1云台控制系统简析
云台在任意位置，按下启动按钮，云台将依次完成向上→左行→向下→右行四个动作，逆时针方向旋转实现云台一个周期的动作。在转动的同时还可以手动控制云台。为了限制云台转动的范围，云台的向上、左转、向下和右转动作转换靠限位开关来控制。
本设计主要是设计云台的转动，并能按一定的要求动作。起动时，云台从原点开始按顺序动作，停止时，云台停在现行位置上，重新起动时，云台按停止前的动作继续进行。
为满足控制要求，云台转动设置手动方式和自动工作方式两种。 （1）手动工作方式。利用按钮对云台的每一步进行单独控制，例如，按“向下”按钮，云台使摄像头向下；按“向右”按钮，云台使摄像头向右。
（2）连续工作方式。云台在原位时，按下“自动”按钮，云台自动连续的
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执行周期动作。当按下停止按钮式，云台保持当前状态，重新恢复后云台按停止前的动作继续进行工作。
3.2控制系统实现
系统总体组成框图如图1 所示，为保证控制的实时性及准确性，采用了主、从单片机控制方案，其中主单片机主要负责实时接收来自于外部专用球形摄像机控制键盘发出的控制指令并进行指令解释，若是控制云台运动的指令，则由主单片机将此指令转发给从单片机，由从单片机完成对云台水平及俯仰两轴的控制；若是控制摄像机的指令。从单片机功能相对简单，主要完成对两轴步进电机速度及位置的控制并记录当前两轴位置信息。 水平光电开关 存储器 显示器 水平电机 Rs232 Rs232 俯仰光电开关 Rs232
图1 系统组成框图
键盘 摄像机 步进电机驱动器1 主单片机 通信 从单片机 步进电机驱动器2 俯仰电机 第4章 系统硬件设计
4.1 AT89C52单片机简介
单片机是将中央处理器，随机存储器，只读存储器，定时器芯片和I/O接口电路集成于一个芯片上的微控制器。
ATMEL公司的89C52单片机，是增强型RISC内载Flash的单片机，在芯片上的Flash存储器附在用户的产品中，可随时编程，在线编程，使用户的产品设计容易，更新换代方便。89C52单片机采用增强的RISC结构，使其具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令，每MHz可实现1MIPS的处理能力。
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89C52单片机工作电压为2.7～6.0V，可以实现耗电最优化。89C52的单片机广泛应用于计算机外部设备，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器，宇航设备等各个领域。 4.1.1 AT89C52
AT89C52是一个低电压、高性能COMS 8位单片机，片内含8K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器（ROM）和256 bytes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位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为你提供许多复杂较系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。图4-1所示为DIP封装引脚图。
P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7AT89C52EA/VPPALE/PROGPESNINT1/P3.3P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.6XTAL2XTAL1GND 图4-1 AT89C52 DIP封装引脚图 4.1.2 AT89C52各引脚功能
AT89C52为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器
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