基于单片机控制的步进电机设计-毕业论文设计

基于单片机控制的步进电机设计-毕业论文设计内容摘要：

............................................................................. 21 本设计的 PCB ....................................................................................................... 21 硬件电路调试 ........................................................................................................ 22 结 论 ................................................................................................................................ 23 致 谢 ................................................................................................................................ 24 参考文献 .............................................................................................................................. 25 附录 1................................................................................................................................... 26 附录 2................................................................................................................................... 27 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 1 页 第 1 章 绪 论 引言 一个国家的制造业水平在很大程度上可以体现国家的实力，国家的发展也在很大程度上依赖于先进的制造业，所以大多数国家都非常重视大力发展制造业，二战后，计算机控制技术、微电子技术、信息和自动化技术有了迅速的发展，并在制造业中得到了愈来愈广泛的应用，具有很多优点的步进电机就是一个重要 角色，比如在数控技术中。 步进电动机又称脉冲电动机 ， 其应用发展己有约 80 年的历史。 可以说步进电机是纯粹的数字控制电动机，步进电机驱动器通过控制脉冲，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。 就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。 这些关系在负载 能力范围内不随电源电压、负载大小、环境条件等的变化而变化。 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，同时步进 电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。 步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。 正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。 随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用，所以本课题的研究相当有必要。 本文 研究的目的和意义 步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出 的优点是可以在宽广的频率 范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可 行 ，因此在 打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等 众多领域有着极其广泛的应用。 随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增， 研制步进电机驱动器及其控制系统具有 十分 重要的意义。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 2 页 国内外研究概况及趋势 在日本 ， 60 年代初期 ， 开发了用于数控装置及计算机外部设备的磁阻式步进电动机。 60 年代中期至今 ， 开发了混合式步进电动机。 在我国 ， 步进电动机的研制始于 1958 年。 当时只有清华大学 ， 华中理工 大学等少数高等院校在从事这项工作。 到了 60 年代末 ， 70 年代初 ， 由于电子工业和数字控制技术的发展 ， 特别是数字控制线切割机床发展的需要 ， 才使步进电动机的研究工作蓬勃开展起来。 经过四十几年的发展 ， 随着步进电动机理论的日臻完善 ， 特别是磁阻式步进电动机 ， 产品品种、规格 ， 门类的系列化以及出现了象无刷直流电动机系统那种更优越的伺服系统 ， 才使得步进电动机的发展势头有所缓和 ， 总体看来 ， 目前其发展正趋于平缓。 步进电动机的种类很多 ， 按其工作原理可分为 磁阻式、永磁式、混合式 三大类型。 由于上述三种类型步进电动机的结构及作用原理各不相同 ， 因此其市场的应用以及发展的情况也各不相同。 但不管如何发展 ， 总离不开“轻、薄短 小、高效率、低振动、低噪声、低价格” — 微特电机发展的永恒主题 [3]。 本文研究内容 本论文所选的步进电机是四相步进电机， 实现步进电机加速、减速，正转、反转，预置圈数，圈数同步，以及转速级别显示。 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。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页 第 2 章 步进电机的工作原理及特性 步进电机的概念 步进电机是一种将电脉冲转为角位移 或线位移 的执行机构。 简单一点讲 ， 当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（ 即 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 、精度高。 从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动 机。 本次毕业设计采用的是步距角为 度的四相八拍永磁式步进电机。 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；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。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 4 页 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。 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。 11. 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。 如打印机，绘图仪、数控机床切割。 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。 反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定 子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，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 ， 但动态性能相对较差。 永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。 用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好 ， 但步距角一般比较大。 一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 度 或 15 度。 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。 这种步进电机的应用最为广泛，它 是 PM 和 VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。 此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 5 页 步进电机的工作原理 步进电机 结构 (三 相 ) 图 21 步进电机内部结构图 如图 21 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 ， 与定子上的小齿并且小齿的大小相同，间距相同。 对齿和错齿 图 22 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。 在电西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 6 页 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 22 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 23 步进电机三相接线图 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 [4]。 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24 的 a， b， c 所示：西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 7 页 a)单四拍 b)双四拍 c)八拍 图 24 步进电机工作方式 工作方式（ 四 相） 1. 单 四 拍：通电顺序为 ： A→ B→ C→ D。