基于单片机的步进电机控制毕业论文

基于单片机的步进电机控制毕业论文内容摘要：

四相步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。 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 (称为 “ 步距角 ”) ，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；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速的级别。 另外通过单片机实现它的正反转， 步进电 机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差 (精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 河北工程大学毕 业论文 4 2 步进电机的分类、结构、工作原理 及特性 步进电机的概念 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。 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（及步进角）。 我们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；同时我们也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 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。 从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。 步进电机的特点 1. 一般步进电机的精度为步进角的 35%，角位 移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。 2. 步进电机外表 不 允许较高的温度。 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 8090 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. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 5. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。 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。 6. 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。 7. 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。 河北工程大学毕 业论文 5 8. 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。 9. 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的措施。 10. 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。 步进电机的分类 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。 1. 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 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。 2. 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 度 或15 度； 3. 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 度而五相步进角一般为 度。 这种步进电机的应用最为广泛，性能最好。 河北工程大学毕 业论文 6 步进电机的结构及工作原理 结构 图 步进电机内部结构图 如图 所示，步进电机分为转子和定子两部分 ： 1. 定子：由 硅钢片 叠成的，定子上有 6 大磁极，每 2 个相对的磁极（Ｎ， S）组成一对，共有 3 对。 定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、 1/3π、 2/3π,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 π表示），即 A与齿 1 相对齐， B 与齿 2 向右错开 1/3π， C 与齿 3 向右错开 2/3π， A39。 与齿 5 相对齐，（ A39。 就是 A，齿 5 就是齿 1）。 2. 转子： 由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿 ,与定子上的小齿相同，并且小齿的大小相同，间距相同。 河北工程大学毕 业论文 7 对齿和错齿 图 步进电机 转子展开图 反应式步进电机的动力来源于电磁力，只有电机存在错齿现象才能转动。 在电磁力的作用下，转子被推动到最大磁导率的位置，定子小齿与转子小齿对齐的位置，并处于平衡状态，如图 中的 A 相位置，这种现象被称为对齿。 而对于三相步进电机来说，当某一相得磁极处于最大 磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置，即定子和转子不对齐位置，这种现象被称为错齿。 工作原理 图 步进电机三相接线图 如图 所示， U V W1 接电源，分别有三个开关控制， U V W2分别接地。 如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。 河北工程大学毕 业论文 8 步进电机是一种 感应电机 ，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。 以反应式步进电机为例： 如 A 相通电， B， C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如 B 相通电， A， C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向右移过 1/3π，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3π，齿 4 与 A 偏移（ π1/3π） =2/3π。 如 C 相通电， A， B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过 1/3π，此时齿 4 与 A 偏 移为 1/3π对齐。 如 A 相通电， B， C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3π 这样经过 A、 B、 C、 A 分别通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到 A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A， B， C， A……通电，电机就每步（每脉冲） 1/3π,向右旋转。 如按 A， C， B， A…… 通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。 而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。 往往采用 AABBBC－ CCAA 这种导电状态，这样将原来每步1/3π改变为 1/6π。 甚至于通过二相电流不同的组合，使其 1/3π变为 1/12π， 1/24π，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有 m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m,2/m……(m 1)/m,1。 并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制 —— 这是旋转的物理条件。 只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个 角度或是前进一步。 步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率 (f)成正比，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。 如下所示的 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 1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 河北工程大学毕 业论文 9 图 24 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 4号齿就和 C、 D相绕组磁极产生错齿， 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 4号齿之间磁力线的作用，使转子转动， 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， 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。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电。