【正文】 畢業(yè)論文 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目 ： 步進(jìn)電機(jī) 的單片機(jī) 控制 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 姓 名 莫銘光 學(xué) 號(hào) 2022219711151 指導(dǎo)教師 楊世永 完成日期 2022 年 5 月 畢業(yè)論文 2 摘 要 步進(jìn)電機(jī)是一種純粹的數(shù)字控制電機(jī)， 是將電 脈沖 信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。 本文應(yīng)用單片機(jī) AT89C51 和脈沖分配器 PMM8713，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，光電隔離器 4N25 等，構(gòu)建了步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器為一體的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò) AT89C51 和脈沖分配器 PMM8713 完成步進(jìn)電機(jī)的各種運(yùn)行控制方式，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)在 3 相 6 拍的工作方式下的正反轉(zhuǎn)控制 和加減速控制。 并通過(guò)步進(jìn)電機(jī)絲杠連 動(dòng)，帶動(dòng) XY 工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng) ，實(shí)現(xiàn)從起點(diǎn) A 點(diǎn)到預(yù)定點(diǎn) B 點(diǎn)的位移控制。 整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，通過(guò)人機(jī)交互換接口可實(shí)現(xiàn)各功能設(shè)置，操作簡(jiǎn)單，易于掌握。該系統(tǒng)可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī) 在機(jī)電一體化 控制 等大多數(shù)場(chǎng)合。 實(shí)踐證明 ， 基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)比傳統(tǒng)的步進(jìn)控制器具有更好的性能，更加簡(jiǎn)單、方便、可靠。 本設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象就是開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中最常用的執(zhí)行器件 ——步進(jìn)電機(jī)。 關(guān)鍵詞 : 步進(jìn)電機(jī)， 單片機(jī)， 正反轉(zhuǎn)控制，加減速控制 ， XY工作臺(tái) 畢業(yè)論文 3 目 錄 第一章 緒論 ........................................................ 1 步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展 ............................................ 1 步進(jìn)電機(jī)在我國(guó)的發(fā)展應(yīng)用及前景 .............................. 1 本文研究?jī)?nèi)容 ................................................ 2 第二章 步進(jìn)電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)、工作原理及特性 ........................ 2 步進(jìn)電機(jī)的概念 .............................................. 2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) .............................................. 3 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工 作原理 .................................... 3 步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語(yǔ) .......................................... 5 步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步 ........................................ 6 阻尼方法 .................................................... 7 第三章 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) .............................................. 7 單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 .......................................... 7 雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 .......................................... 8 高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口 .......................................... 9 第四章 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 ....................................... 10 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成 ....................................... 10 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理 ....................................... 10 脈沖分配 ................................................... 11 步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口電路 ................................. 13 第五章 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制 ......................................... 14 步進(jìn)電機(jī)的速度控制 ......................................... 14 步進(jìn)電機(jī)的位置控制 ......................................... 14 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制 ....................................... 15 第六章 步進(jìn)電機(jī)的 程序設(shè)計(jì) .......................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 程序框圖 ................................................... 16 匯編程序 .................................................... 18 設(shè)計(jì)總結(jié) ........................................................... 20 致 謝 .............................................. 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 參考文獻(xiàn) ........................................................... 21 畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 步進(jìn) 電機(jī)及其發(fā)展 步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，它是基于最基本的電磁 感應(yīng)作用 ， 將電 脈沖 信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、照相機(jī)，大型望遠(yuǎn)鏡，衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)等等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步和電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，同時(shí)也對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能提出了更高的要求。 步進(jìn)電機(jī)的 原始模型起源于 1830 年至 1860 年， 1870 年前后開(kāi)始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氬弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中，這被認(rèn)為最早的步進(jìn)電機(jī)。 1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。到 20 世紀(jì) 60 年代后期，在步進(jìn)電機(jī)本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。步進(jìn)電機(jī)往后經(jīng)過(guò)不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過(guò)程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡 ，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。 圖 步進(jìn)電機(jī)的外觀圖 步進(jìn)電機(jī)在我國(guó)的發(fā)展應(yīng)用及前景 我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的研究及制造起始于本世界 50 年代后期，從 50 年代后期到60 年代后期，主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而使用或開(kāi)發(fā)少量產(chǎn)畢業(yè)論文 2 品。我國(guó)在文化大革命中開(kāi)始大量生產(chǎn)和應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，其中的驅(qū)動(dòng)電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國(guó)產(chǎn)化的，當(dāng)時(shí)是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運(yùn)算電路，還有 電容耦合輸入的計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。中等耐壓的大功率半導(dǎo)體器件也完全國(guó)產(chǎn)化。 70 年代初期，步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究都有所突破，除反映在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長(zhǎng)足進(jìn)步以外，對(duì)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究發(fā)展到一個(gè)較高的水平。 70 年代中期至 80 年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動(dòng)機(jī)不斷被開(kāi)發(fā)。至 80 年代中期以來(lái)，由于步進(jìn)電機(jī)精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品廣泛利用。 目前 ,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開(kāi)發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最 基本的設(shè)備都沒(méi)有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)， 交流電機(jī) 在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 本文研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)主要是研究基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制， 采 用單片 機(jī) AT89C51 和脈沖分配器 PMM8713 控制步進(jìn)電機(jī) 在三相六拍工作方式下 的啟停 控制 ，正反轉(zhuǎn)控制和 加減速 控制 ， 以 實(shí)現(xiàn) 基于步進(jìn)電機(jī)的 XY 工作臺(tái) 兩點(diǎn)間的位移控制 。 第二章 步進(jìn)電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)、工作原理 及特性 步進(jìn)電機(jī)的概念 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。我們可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)我們也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而 達(dá)到調(diào)速的目的。 在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角 。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。 畢業(yè)論文 3 從原理上講，步進(jìn)電機(jī)是一種低速同步電動(dòng)機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 1. 一般步進(jìn)電機(jī)的 精度為步進(jìn)角的 35%，角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，沒(méi)有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。 2. 步進(jìn)電機(jī)外表 不 允許較高的溫度。 步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 3. 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電 動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 4. 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 5. 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常的可靠。同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 6. 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停，正反轉(zhuǎn)及變速。 7. 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 8. 步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電 源。 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分 ： 1. 定子：由 硅鋼片 疊成的，定子上有 6 大磁極，每 2 個(gè)相對(duì)的磁極（Ｎ，S）組成一對(duì)，共有 3 對(duì)。 定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi)。 0、 1/3π、 2/3π,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以 π表示），即 A 與齒 1 相對(duì)齊， B 與齒 2 向右錯(cuò)開(kāi) 1/3π， C 與齒 3 向右錯(cuò)開(kāi) 2/3π， A39。與齒5 相對(duì)齊，（ A39。就是 A，齒 5 就是齒 1）。 2. 轉(zhuǎn)子： 由軟磁材料制成，其外表面也均勻地分布著小齒 ,與定子上的小齒相同， 并且小齒的大小相同，間距相同。 畢業(yè)論文 4 工作原理 電機(jī)的 U V W1 接電源，分別有三個(gè)開(kāi)關(guān)控制， U V W2 分別接地 。 如果給處于錯(cuò)齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（即最小磁阻位置）位置轉(zhuǎn)動(dòng)，即向趨于對(duì)齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)是一種 感應(yīng)電機(jī) ，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn) 電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器 。以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例： 如 A 相通電， B， C 相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒 1 與 A 對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如 B 相通電， A， C 相不通電時(shí)，齒 2 應(yīng)與 B