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基于单片机的步进电机控制 毕业设计论文.doc

发布时间：2022-06-05 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.40M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    第一章 绪论
    1.1 步进电机及其发展
    图1.1 步进电机的外观图
    1.2 步进电机在我国的发展应用及前景
    1.3 本文研究内容
    第二章 步进电机的分类、结构、工作原理及特性
    2.1 步进电机的概念
    2.2 步进电机的特点
    2.4 步进电机的结构及工作原理
    2.4.1 结构
    2.4.3 工作原理
    2.4.4 工作方式（三相）
    表2.1 反应式步进电机三种工作方式的性能比较
    2.5 步进电机的常用术语
    2.6 步进电机的振荡和失步
    2.6.1 振荡
    2.6.2 失步
    2.7 阻尼方法
    第三章 步进电机的驱动
    3.1 单电压功率驱动接口
    图3.1 单电压功率驱动接口电路图
    3.2 双电压功率驱动接口
    图3.2 双电压功率驱动接口电路
    3.3 高低压功率驱动接口
    图3.3 高低压驱动接口电路图
    第四章 步进电机的单片机控制
    4.1 步进电机控制系统组成
    图4.1 用微型机控制步进电机原理系统图
    1. 用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。
    2. 只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。
    3. 根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。
    4.2 步进电机控制系统原理
    4.2.1 脉冲序列的生成
    图4.2 脉冲的生成
    4.2.2 方向控制
    4.3 脉冲分配
    4.3.1 通过软件实现脉冲分配
    图4.3 用软件实现脉冲分配的接口示意图
    表4.1 三相六拍工作方式的控制字
    4.3.2 通过硬件实现脉冲分配
    图4.4 89C51单片机系列和8713脉冲分配器的接口图
    4.4 步进电机与微型机的接口电路
    图4.5 单片机与步进电机的接口电路图
    1. 图中 K1、K2、K3、K4按钮分别控制步进电机正转、反转、加速、减速。
    2. 因为我们讨论的是三相六拍的工作方式，所以P0.4和P0.6接高电平，P0.7接低电平。
    3. P0.0输出步进脉冲。
    4. P0.1控制步进电机的转向。
    第五章 步进电机的运行控制
    5.1 步进电机的速度控制
    5.2 步进电机的位置控制
    5.3 步进电机的加减速控制
    图5.1 加减速曲线图
    1. 短距离
    2. 中、短距离
    3. 中、长距离
    第六章 步进电机的程序设计
    6.3 程序框图
    图6.4 基于单片机的步进电机控制程序框图
    6.4 汇编程序
    设计总结
    参考文献
    毕业论文 毕业设计报告 题 目： 步进电机的单片机控制 专 姓 学 业 电气工程及其自动化 名 莫铭光 号 2009219711151 指导教师 杨世永 完成日期 2011 年 5 月 - 1 -
    毕业论文 摘 要 步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位 移的开环控制元件。 本文应用单片机 AT89C51 和脉冲分配器 PMM8713，步进电机驱动器，光电 隔离器 4N25 等，构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。通 过 AT89C51 和脉冲分配器 PMM8713 完成步进电机的各种运行控制方式，实现步 进电机在 3 相 6 拍的工作方式下的正反转控制和加减速控制。并通过步进电机丝 杠连动，带动 XY 工作台的直线运动，实现从起点 A 点到预定点 B 点的位移控制。 整个系统采用模块化设计，结构简单，可靠，通过人机交互换接口可实现各 功能设置，操作简单，易于掌握。该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等 大多数场合。 实践证明，基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更好的性能， 更加简单、方便、可靠。本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执 行器件——步进电机。 关键词: 步进电机，单片机，正反转控制，加减速控制，XY 工作台 - 2 -
    毕业论文 目 录 第一章 绪论 ......................................................... 3 1.1 步进电机及其发展 ............................................ 3 1.2 步进电机在我国的发展应用及前景 .............................. 1 1.3 本文研究内容 ................................................ 2 第二章 步进电机的分类、结构、工作原理及特性 ......................... 2 2.1 步进电机的概念 .............................................. 2 2.2 步进电机的特点 .............................................. 2 2.3 步进电机的结构及工作原理 .................................... 3 2.4 步进电机的常用术语 .......................................... 5 2.5 步进电机的振荡和失步 ........................................ 5 2.6 阻尼方法 .................................................... 6 第三章 步进电机的驱动 ............................................... 7 3.1 单电压功率驱动接口 .......................................... 7 3.2 双电压功率驱动接口 .......................................... 8 3.3 高低压功率驱动接口 .......................................... 8 第四章 步进电机的单片机控制 ......................................... 9 4.1 步进电机控制系统组成 ........................................ 9 4.2 步进电机控制系统原理 ....................................... 10 4.3 脉冲分配 ................................................... 10 4.4 步进电机与微型机的接口电路 ................................. 12 第五章 步进电机的运行控制 .......................................... 13 5.1 步进电机的速度控制 ......................................... 13 5.2 步进电机的位置控制 ......................................... 14 5.3 步进电机的加减速控制 ....................................... 14 第六章 步进电机的程序设计 .......................... 错误！未定义书签。 6.1 程序框图 ................................................... 16 6.2 汇编程序 .................................................... 18 设计总结 ............................................................ 20 致 谢 .............................................. 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................ 21 第一章 绪论 1.1 步进电机及其发展 步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作 用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进 电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围 - 3 -
    毕业论文 设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技术 的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机 的运行性能提出了更高的要求。 步进电机的原始模型起源于 1830 年至 1860 年，1870 年前后开始以控制为 目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。 1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变 得更为容易。到 20 世纪 60 年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发 展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，使得今日步 进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控 制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中， 我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作 各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。 图1.1 步进电机的外观图 1.2 步进电机在我国的发展应用及前景 我国步进电机的研究及制造起始于本世界 50 年代后期，从 50 年代后期到 60 年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产 品。我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北 京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路 所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路， 还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体 器件也完全国产化。70 年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映 在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到 一个较高的水平。70 年代中期至 80 年代中期为成品发展阶段，新品种高性能 电动机不断被开发。至 80 年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究 工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。 1
    毕业论文 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发， 研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。 仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电 机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方 可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等 许多专业知识。 1.3 本文研究内容 本设计主要是研究基于单片机的步进电机控制，采用单片机 AT89C51 和脉 冲分配器 PMM8713 控制步进电机在三相六拍工作方式下的启停控制，正反转 控制和加减速控制，以实现基于步进电机的 XY 工作台两点间的位移控制。 第二章 步进电机的分类、结构、工作原理及特性 2.1 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。 2.2 步进电机的特点 1. 一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，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； 2
    毕业论文 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 80-90 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。 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。 2.4 步进电机的结构及工作原理 2.4.1 结构 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，A'与齿 5 相对齐，（A'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。 2.4.3 工作原理 电机的 U1、V1、W1 接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、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。 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 3
    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 毕业论文 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（π-1/3π） =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 A-AB-B-BC－C-CA-A 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。 2.4.4 工作方式（三相） 1. 单三拍：通电顺序为 ABC ； 2. 双三拍：通电顺序为 ABBCCA ； 3. 三相六拍：通电顺序为 AABBBCCCA 这三种工作方式的区别，如下表所示： 工作方式 步进周期 每相通电时间 走齿周期 相电流 高频性能 转矩 电磁阻尼 振荡 功耗 表 2.1 反应式步进电机三种工作方式的性能比较 单三拍 双三拍 T T 3T 小 差 小 小 容易 小 T 2T 3T 较大 较好 中 较大 较容易 大 4 六拍 T 3T 6T 最大 较好 大 较大 不容易 中
    由表 2.1 可以看出这三种工作方式中，六拍的性能最好，单三拍的性能最 差，因此，在步进电机的控制应用中，选择合适的工作方式非常重要，本文主 毕业论文 要研究的是三相六拍工作方式。 2.5 步进电机的常用术语 1. 齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。 θz=2π/Z (Z 是转子的齿数) 2. 步距角：指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。 θb=θz/N = 2π/NZ (N 是工作拍数，Z 是转子的齿数) 3. 步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用 百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5% 之内，八拍运行时应在 15%以内。 4. 失调角：指转子偏离零位的角度。转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度， 电机转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 5. 零位或初始稳定平衡位置：指不改变绕组通电状态，转子在理想空载状 态下的平衡位置。 6. 最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电 机不带负载的最高转速频率。 7. 最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不 加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 8. 响应频率：在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步， 则这一最大频率称为响应频率。 9. 运行频率：指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行 的极限频率。 10. 单步响应：指步进电机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转 子由起动到停止的运动轨迹。 2.6 步进电机的振荡和失步 步进电机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运 行，因此要尽力去避免。 2.6.1 振荡 步进电机的振荡现象主要发生于：步进电机工作在低频区，步进电机工作 在共振区，步进电机突然停车时。 当步进电机工作在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电机表 现为单步运行，当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动，到达平衡点 5
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