基于单片机控制步进电机的旋转

基于单片机控制步进电机的旋转内容摘要：

程学院 2020 届本科生毕业设计 1 1 绪 论 课题的背景 步进电机是一种将脉冲信号转换成相应的线性位移（角位移）的电磁装置，是一种纯粹的数字控制电机。 由于步进电机的精确性和良好的性能， 可以将数字脉冲控制的信号直接转换成一定数值的线性位移，并且自动的产生定位转矩，进而使转轴锁定。 当前打印机，机器人，数控机床等设备都是以步进电机为核心。 在各种控制系统及办公自动化设备等领域中，具有极其广泛的应用。 在现代社会，随着科技的进步， 使得电机的应用越来越广泛。 我们接触的不管交通工具，还是家电，大多都离不开电机的运转。 步进电机是电机的一种，它可以通过开环控制，达到准确定位和调速的目的。 在一些重要的领域普通电机是无法代替的。 由于微电子和 计算机 技术的发展，步进电机的需求与日俱增，大量用于工业自动化生产的机具设备以及电脑的外设。 比如，切割机和打印机都大量用到步进电机。 现在步进电机开始应用在控制精密要求的系统中，其应用范围也越来越普遍。 一般小功率步进电机都使用单片机来驱动工作，运用单片机产生的脉冲来控制开启、正反转和变速等。 这种控制方式具有成本低，体积小，操作简单，易于实现的优点。 所以对于研究步进电机的控制系统，具有十分远大的意义。 为此，本文设计了单片机控制步进电机的驱动程序，完成对步进电机转速以及转动方向的控制。 步进电机的发展概况 步进电机的研究和制造主要是从本世纪 50 年代后期开始，在 50 年代后期到 60年代后期主要是科研机构和一些高等院校来研究一些装置或是开发一些产品。 在文革期间，全国各地都大量生产和应用步进电机，而且都在各个行 业里使用，其中半导体器件的驱动电路器件都是国产。 70 年代到 80 年代，各种混合式步进电机和驱动器作为产品已广泛应用。 目前，能生产步进电机的厂家非常多，但大部分都属于仿制，具有专业技术人员，又能自行开发研制的生产厂家非常缺，虽然步进电机应山西大同大学煤炭工程学院 2020 届本科生毕业设计 2 用广泛，但并不能像交流电机，直流电机常规使用。 它必须由脉冲信号、功率驱动电路组成控制系统才能使用。 用好步进电机不是一件易事，它涉及到机械、电子、电机、计算机等多个领域的专业知识。 综合上述情况考虑，本文决定选用四相混合式步进电机，叙述其基本工作原理及设计简单的驱动程序。 课 题研究内容 本课题采用的研究方法是运用单片机用软件的方式配合有关芯片和电路元件，达到 片机来控制步进电机，控制步进电机的速度，并实现它的正反转 ，使其能在一定的范围下运行，以 达到对步进电机的最佳控制 ，使用步进电机简单的工作方式来实现个性化操作，以满足不同用户的要求。 在期间对有可能发生的问题进行论述，并且提出有效的解决方法。 山西大同大学煤炭工程学院 2020 届本科生毕业设计 3 2 步进电机的基础介绍 步进电机是将脉冲信号转变成对应的线性位移（角位移）的电磁装置。 步进电机由于精确性良好的性能，组成的开环系统不仅简单而且廉价，可行 性高，目前打印机，机器人，数控机床等设备都是以其为核心。 在各种控制系统和办公自动化设备等领域中有着极其广泛的应用。 步进电机的原理 一般情况下电机的转子是永磁体，随着电流流过定子绕组，一矢量磁场就会出现在定子绕组上。 由于磁场的存在，会引起转子的旋转，而且转子的磁场方向与定子的一致。 当定子的矢量磁场转动时，转子也随着该磁场同角度的转动。 输入一个电脉冲，电机转动一个角度，前进一步。 输出的角位移和输入的脉冲数、转速与脉冲频率成正比例关系。 而且改变绕组通电的顺序，电机就会反向转动。 综述可知，控制步进电机的转 动可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序的方法来实现。 步进电机的静态指标术语 ：是指电机内部的线圈组数， 常用 m表示。 当前经常使用的有二相、三相、四相、五相步进电机。 ：步进电机绕组的每一次通断电称作一拍，经历一次完整的磁场周期性变化需要的脉冲数或者导电状态，常用 n 表示，也就是电机转过一个齿距角需要的脉冲数，以三相电机为例，有三相三拍运行方式即 ABBCCA，三相六拍运行方式即 AABBBCCCA。 ：输入一 个脉冲信号，电机转子转过的相应角位移，常用 θ 表示。 θ=360度 /（转子齿数 J*运行拍数），用常用的二、四相，转子齿为 50齿电机为例。 四拍运行时的步距角为 θ=360度 /（ 50*4） =（也称整步），八拍运行时的步距角为 θ=360山西大同大学煤炭工程学院 2020 届本科生毕业设计 4 度 /（ 50*8） =（也称半步）。 ：电机断电时，电机转子所固有的锁定力矩，一般是由磁场齿形的谐波和机械误差等原因造成的。 ： 在步进电机通电时，但转子没有转动的情况下，转子的力矩被定子锁定。 通常在低速时，步进电机的力矩接近保持转矩。 随着速度的增大， 而步进电机的输出力矩不断衰减，输出功率也在相应的变化，所以保持转矩是衡量步进电机重要的参数。 比如，当我们谈到 ,在没有具体特殊说明的情况，就是指保持转矩是。 ：当电机处于额定静态电作用的状态下，电机不旋转时，电机转轴的锁定力矩。 是衡量电机体积（ Volume）的标准，不受驱动电压及驱动电源的控制。 静转矩和电磁激磁安匝数成正比关系，受定齿转子间的气隙的影响，但提高静力矩不可以一味的采用减小气隙，增加激磁安匝的方法，这样会带来电机的发热及机械噪音的弊端。 步进电机转过每个步距角的所需实际值和理论值的偏差。 用百分比表示：偏差 /步距角 *100%。 与拍数有关，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。 称之为失步。 转子齿轴线与定子齿轴线的偏移角度，电机只要运转，就一定有失调角的存在，失调角产生的误差一般无法消除。 在某种驱动形式下，在负载为零的情况下，电机能够直接起动的最大频率。 在某种驱动形下，在负 载为零的情况下，电机的最高转速频率。 山西大同大学煤炭工程学院 2020 届本科生毕业设计 5 步进电机的特点 步进电机通过脉冲信号控制转动，而脉冲也就是数字信号，这是计算机专攻的领域。 自上世纪 80 年代开始，研究开发出了专用的 IC 驱动电路，随着科学的发展，研究成果的成熟，在 21 世纪的今天，步进电机成为日常生活常见的 OA 装置中位置控制必不可少的组成部分，步进电机具有如下特性： 优点 1． 不需要反馈，控制简单易行。 2． 步进电机的精度为步进角的 3%5%，并且不会累积。 3． 通过单片机进行速度控制（启动、停止和反转）和驱动电路的设计，操作简单方便。 4．在停止时也能够保持转 距。 5．成本低廉，不需要昂贵的保养费用。 6．通过脉冲进行精确定位。 7．不同的脉冲周期就有不同的运转速度，速度的可任意调节。 缺点 8． 不能高速度运转而且容易发生堵转的问题，这就是和电机本身特性有关，因为步进电机通性是最高转速为 6001200RPM 并且速度越快力气越小，所以当负载较重、本身力矩又不大时电机就不能高速度运转，还有一种情况就是即使能转但经常堵转，因此选电机时应该选择比理论计算出的电机的力矩大 12倍的电机 9. 容易有失步的现象，它的主要原因是电机的力气太小，还有一种可能就是驱动器没有把信 号完全发射给电机，一般情况是后者，都是驱动器的问题，这个通过给电机配驱动器时，恰当地选择一个质量好的驱动器就可以解决了。 10. 电机产热太大，这是因为电流过大或者就是驱动给电机的电流不稳定等原因造成的，避免这个问题的方法是减小输出的电流但电流减小但电机的力气就会变小或更换驱动器。 11．能源利用率低。 山西大同大学煤炭工程学院 2020 届本科生毕业设计 6 步进电机分类 通常情况下步进电机可分为：反应式步进电机（简称 VR）、永磁式步进电机（简称 PM）和混合式步进电机（简称 HB）三种。 下面详细介绍各种步进电机的特点。 反应式步进电机的转子和定子是 由高导磁材料制成的，在定子上分布着多相励磁绕组，通过磁导的变化产生转矩，能够产生大转矩的输出，其结构简单，生产成本低，步距角较小，一般为 度，但噪声和振动都很大，动态性能差。 永磁式步进电机的转矩和体积都较小，用多磁极的圆筒形永磁铁制成转子，齿状定子分布在其外侧。 转动的产生是通过转子和定子之间的相互吸引和排斥力，它的出力大，动态性能好；但步距角比较大，一般是 度。 混合式步进电机（ 永磁感应子式 步进电动机 ）是 永磁式和反应式的综合版和升级版。 集俩种步进电机的优点于一身，运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小，电机效率高，电流小，发热低，步距角小，出力大，动态性能好，是步进电机中的姣姣者，是计算机相关的设备常用的电机。 综上所述，本论文选用的是四相混合式（感应子式）步进电机。 四相步进电机的工作原理 图 21 步进电机内部结构图： 它的定子是四个依次排列的电磁铁，转子是一个能够围绕轴心转动的永磁体（也可能是可以被磁铁吸引的其他磁性物体，例如铁块）。 山西大同大学煤炭工程学院 2020 届本科生毕业设计 7 它一共伸出 5 根线头，分别是 A， B， C， D， Vcc VCC 和 A， VCC 和 B， VCC 和 C 以及 VCC 和 D 分别是一个电磁铁线圈的两个抽头。 如图 22，开始时，开关 SB 接通电源，开关 SA、 SC、 SD 均处于断开状态， 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 ，开关 SB、 SA、SD 均处于断开状态时，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。 图 22 四相步进电机工作原理示意图 四相步进电机的工作方式按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种。 单四拍与双四拍相比，步距角相等，但单四拍的转动力矩小。 而八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，所以，八拍工作方式具有较高的转动力矩，较高的控制精度的优势。 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 23a、 b、 c 所示： 山西大同大学煤炭工程学院 2020 届本科生毕业设计 8 a. 单四拍 b. 双四拍 c 八拍 图 23 步进电机工作时序波形图 对步进电机四个绕组依次进行如下方式的循环通电控制： 单四拍运行：正转 ABCD； 反转 DCBA 双四拍运行：正转 ABBCCDDA；反转 DCCBBAAD 八拍运行：正转 AABBBCCCDDDA 步进电机的三大要素有步距角、静转矩、电流。 通过确定三大要素 ，便选择出适合的步进电机。 电机的步距角由负载精度的要求所决定，在加减速过程中，实现负载的最小分辨率，每个电机应转动的最大角度。 电机的步距角应不超过此角度。 在今市场上，不同相数的步进电机对应着不同的步距角。 说到力矩，有动态力矩和静态力矩之分，步进电机的动态力矩没办法用科学研究的方法直接去确定，所以可以通过研究确定电机的静态力矩。 那么，静态力矩又和电机工作的负载直接相关，而负载又分为二种，惯性负载和摩擦负载。 惯性负载和摩擦负载不能单独存在。 当直接（低速）起动时 ，要考虑二种负载的相互作用结果，当加速起动时，主要考虑惯性负载的作用，当恒速运行事，仅考虑摩擦负载的作用。 通常情况下，静力矩的大小应为摩擦负载的 23倍，选定了所需的静力矩，电机的机座及几何尺寸也就基本确定下来了。 当 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，综上所述，山西大同大学煤炭工程学院 2020 届本科生毕业设计 9 选择恰当合适的电机一般情况下应遵循以下的步骤：负载 → 步距角 → 净转矩 → 电流→ 电机型号。 考虑到实验室材料和驱动功率大小等实际条件，以及连线的方便与否。 最终选择型号为 28YBJ48 的四相五线减速步进电机。 表 21 该步进电机的主要参数 序号 主要参数 1 额定电压： 5VDC 2 直流电阻： 60 欧 加减 7%（ 25 摄氏度） 3 减速比： 1/64 4 步距角： 度 /64 5 驱动方式：四项八拍 6 牵入转矩：大于 (工作频率： 100PPS) 7 打滑扭力： 8001300 8 温升：小于 55K（ 5VDC 工作频率： 100PPS) 9 噪音：小于 35DB（空载， 100PPS,水平距马达 10CM) 10 绝对耐压： 600V AC/1 秒 11 引线拉力强度： 1Kgf/条。