本科毕业论文__基于单片机的步进电机的细分控制器的设计(编辑修改稿)

本科毕业论文__基于单片机的步进电机的细分控制器的设计(编辑修改稿)内容摘要：

；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 SH3F075M 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 Precision 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 ，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 xx 大 学学士学位论文 4 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。 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 : ，以克服传统驱动技术下步进电机低速振动、存在共振现象、噪音大、高速转矩小等缺点。 ，减小驱动器的体积和重量，提高电源效率。 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。 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。 xx 大 学学士学位论文 5 第 2章 步进电机及其 驱动系统 步进电机及其工作原理 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 21 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，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 rZ =40，每一个齿距对应的空间角度为 360 40 =9。 图 21 三相反应式步进电机结构图 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 22（ 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，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 xx 大 学学士学位论文 6 齿对齿，如图 21 所示的情况。 （ 1） A相通电 （ 2） B 相通电 （ 3） C 相通电 图 22 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 120176。 ，中间包含的齿距数为120 9=13+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 13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 23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 22（ 2），即磁场沿 ABC 方向转过 120176。 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 13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 22（ 3） 所示的 CC＇方向，转子有沿 ABC 方向转过 13齿距。 可见，在连续不断的按 A— B— C— A— 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 120176。 而 转子则每次转过 13齿距。 每循环一次，磁场沿 ABC 方向转过 360176。 空间角，转子沿 ABC 方向转过一个齿距。 绕组通电方式 在步进电机中，定子绕组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，如三相双六拍方式，其绕组通电 状态变化规律为： xx 大 学学士学位论文 7 A C C B B A A C C B B A A C      还有三相六拍通电方式， 其绕组通电 状态变化规律为： A A B B B C C C A A      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 1m 表示运行拍数， rZ 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 b 表示，则： 1360brZm  （ 2— 1） 从 (2— l) 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， b =176。 采用 6 拍通电工作方式时， b =176。 采用 12 拍通电工作方式时， b =176。 步进电机驱动系统 步进电机驱动系统简介 步进电机不能直接接到交直流电源上工作，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]。 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。 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大小。 ，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结 xx 大 学学士学位论文 8 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。 ，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。 、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电压时，使驱动器工作条件更为恶化。 ，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。 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 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 [2][3][4]： 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 细分状态下驱动该电机，电机每走一步，其绕组内的电流变化 只有 xx 大 学学士学位。