基于单片机的步进电机控制系统设计_大学本科毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的步进电机控制系统设计_大学本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。 但由于 PLC的扫描周期一般为但由于 PLC 的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实 现高速控制。 并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。 步进电机驱动技术基本类型 步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。 上世纪 80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。 步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。 到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单 电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。 单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。 该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低。 缺点是串接 电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。 单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。 它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗 大、效率低的缺点。 这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。 高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得 以提高。 但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作 束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。 这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。 为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十 年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。 为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。 在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易 出现过冲或共振现象，从而避免产生明显的振荡。 当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。 调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。 细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。 细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。 可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个 飞跃。 第二章 基于单片机的步进 电机控制系统的硬件设计 步进电机控制原理 步进电机的特点 目前，随着电子技术、控制技术以及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。 就传统的步进电机来说，步进电机可以简单地定义为 :根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。 从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与脉冲频率同步的同步电动机。 步进电机具有其自身的特色，归纳起来有 : ，整个系统简单廉价。 ，不必进行数模转换，使用方便。 ，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以要求更高精度时组成闭环控制系统。 ，电动机本体部件少，可靠性高。 、停止、正反转及变速，响应性也好。 ，可有自锁功能。 ，可在几十角分至 180 度大范围内选择。 在小步距情况下，通常可以在超低速下以高转矩运行，因而可以不经减速器直接驱动负载工作。 同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步运行。 步进电机的分类 步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。 按结构特点电磁式步进电机可分为反应式 (VR)、永磁式 (PM)和混合式 (HB)三大类。 按相数分则可分为单相、两相和多相三种。 目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。 (l)反应式步进电机（ Variable Reluctance,简称 VR）反应式步进电机的转子是 由软磁材料制成的，转子中没有绕组。 它的结构 简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。 反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。 (2)永磁式步进电机（ Permanent Mag,简称 PM）永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。 转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。 它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小 (相比反应式 )，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。 (3)混合式步进电机 (Hybrid，简称 HB)混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。 混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软 磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。 因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。 这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。 由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。 由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合，所以只采用反应式步进电机。 反应式步进电机 的工作原理 图 反应式步进电机的结构示意图 图 是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上有绕组。 两个相对的磁极组成一组，连法如图所示。 下面介绍反应式步进电动机单 、 双六拍通电方式的基本原理。 反应式步进电动机的工作原理是利用物理上的“磁通总是力图使自己所通过的路径的磁阻最小”所产生的磁阻转矩，使电机一步 一 步转动的。 以三相反应式步进电动机为例。 图 单、双六拍通电时转子位置 单、双六拍通电方式的基本原理如下： 设 A 相首先通电，转子齿与定子 A、 A39。 对齐（图 （ a））。 然后再 A 相继续通电的情况下接通 B 相。 这时定子 B、 B39。 极对转子齿 4 产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是 A、 A39。 极继续拉住齿 3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。 这时转子的位置如图（ b）所示，即转子从图 （ a）位置顺时针转过了 15176。 接着 A 相断电， B 相继续通电。 这时转子 齿 4 和定子 B、 B39。 极对齐，（图 （ c）），转子从图 （ b）又转过了 15176。 其位置如图 （ d）所示。 这样，如果按 A A、 B B B、 C C C、 A A„„的顺序轮流通电，则转子遍顺时针方向一步一步地转动，步距角为 15176。 电流换接六次，磁场旋转一 周，转子前进了一个齿距角。 如果按 A A、 C C C、 B B B、 A A„„的顺序通电，则电机转子逆时针转动。 这种通电方式称为单、双六拍方式。 步进电 机的主要特性 1）步距角 步距角  是决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数。 步距角越小，脉冲量越小，控制精度就越高。 步距角  ： 360mzk  式中： m —— 定子绕组的相数 z —— 转子的齿数 k—— 步进电机的通电方式，为 m 相 m 拍时， k =1；为 m 相 2m 拍时， k =2；依此类推。 2） 每一齿距的空间角（也称齿间夹角）为： 360zrZ 式中 rZ 为转子齿数。 3） 每一极距的空间角（也称极间夹角）为： 3602m  式中 m 为步进电机相数。 4） 每一极距所占的齿数为 2rZm 5） 转子齿数 rZ 应符合以下条件， 2 ( 1 )rZ p K m 式中 K —— 正 整数； 2p —— 反应式步进电动机的定子磁极数； m —— 定子相数。 图 步进电机各相定子与转子的齿距对应关系 实际步进电机的定子磁极与转子圆周上都有齿，如图 所示。 定子磁极的齿距与转子的齿距相同，只是定子磁极的齿依次。