【正文】 畢業(yè)論文 1 畢業(yè)設(shè)計報告 題 目 ： 步進(jìn)電機 的單片機 控制 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 姓 名 莫銘光 學(xué) 號 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)電機是一種純粹的數(shù)字控制電機， 是將電 脈沖 信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。 本文應(yīng)用單片機 AT89C51 和脈沖分配器 PMM8713，步進(jìn)電機驅(qū)動器，光電隔離器 4N25 等，構(gòu)建了步進(jìn)電機控制器和驅(qū)動器為一體的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)。通過 AT89C51 和脈沖分配器 PMM8713 完成步進(jìn)電機的各種運行控制方式，實現(xiàn)步進(jìn)電機在 3 相 6 拍的工作方式下的正反轉(zhuǎn)控制 和加減速控制。 并通過步進(jìn)電機絲杠連 動，帶動 XY 工作臺的直線運動 ，實現(xiàn)從起點 A 點到預(yù)定點 B 點的位移控制。 整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，可靠，通過人機交互換接口可實現(xiàn)各功能設(shè)置，操作簡單，易于掌握。該系統(tǒng)可應(yīng)用于步進(jìn)電機 在機電一體化 控制 等大多數(shù)場合。 實踐證明 ， 基于單片機控制的步進(jìn)電機比傳統(tǒng)的步進(jìn)控制器具有更好的性能，更加簡單、方便、可靠。 本設(shè)計的主要研究對象就是開環(huán)伺服系統(tǒng)中最常用的執(zhí)行器件 ——步進(jìn)電機。 關(guān)鍵詞 : 步進(jìn)電機， 單片機， 正反轉(zhuǎn)控制，加減速控制 ， XY工作臺 畢業(yè)論文 3 目 錄 第一章 緒論 ........................................................ 1 步進(jìn)電機及其發(fā)展 ............................................ 1 步進(jìn)電機在我國的發(fā)展應(yīng)用及前景 .............................. 1 本文研究內(nèi)容 ................................................ 2 第二章 步進(jìn)電機的分類、結(jié)構(gòu)、工作原理及特性 ........................ 2 步進(jìn)電機的概念 .............................................. 2 步進(jìn)電機的特點 .............................................. 3 步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)及工 作原理 .................................... 3 步進(jìn)電機的常用術(shù)語 .......................................... 5 步進(jìn)電機的振蕩和失步 ........................................ 6 阻尼方法 .................................................... 7 第三章 步進(jìn)電機的驅(qū)動 .............................................. 7 單電壓功率驅(qū)動接口 .......................................... 7 雙電壓功率驅(qū)動接口 .......................................... 8 高低壓功率驅(qū)動接口 .......................................... 9 第四章 步進(jìn)電機的單片機控制 ....................................... 10 步進(jìn)電機控制系統(tǒng)組成 ....................................... 10 步進(jìn)電機控制系統(tǒng)原理 ....................................... 10 脈沖分配 ................................................... 11 步進(jìn)電機與微型機的接口電路 ................................. 13 第五章 步進(jìn)電機的運行控制 ......................................... 14 步進(jìn)電機的速度控制 ......................................... 14 步進(jìn)電機的位置控制 ......................................... 14 步進(jìn)電機的加減速控制 ....................................... 15 第六章 步進(jìn)電機的 程序設(shè)計 .......................... 錯誤 !未定義書簽。 程序框圖 ................................................... 16 匯編程序 .................................................... 18 設(shè)計總結(jié) ........................................................... 20 致 謝 .............................................. 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻(xiàn) ........................................................... 21 畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 步進(jìn) 電機及其發(fā)展 步進(jìn)電機又稱為脈沖電動機或階躍電動機，它是基于最基本的電磁 感應(yīng)作用 ， 將電 脈沖 信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。單片機控制的步進(jìn)電機廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動控制、數(shù)控機床、組合機床、機器人、計算機外圍設(shè)備、照相機，大型望遠(yuǎn)鏡，衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)等等。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步和電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，同時也對步進(jìn)電機的運行性能提出了更高的要求。 步進(jìn)電機的 原始模型起源于 1830 年至 1860 年， 1870 年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氬弧燈的電極輸送機構(gòu)中，這被認(rèn)為最早的步進(jìn)電機。 1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機上，對于數(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)電機本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實用性步進(jìn)電機應(yīng)運而生。步進(jìn)電機往后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進(jìn)電機已廣泛運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械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機的蹤跡 ，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進(jìn)電機用得最多。 圖 步進(jìn)電機的外觀圖 步進(jìn)電機在我國的發(fā)展應(yīng)用及前景 我國步進(jìn)電機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構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)畢業(yè)論文 2 品。我國在文化大革命中開始大量生產(chǎn)和應(yīng)用步進(jìn)電機，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)動電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國產(chǎn)化的，當(dāng)時是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運算電路，還有 電容耦合輸入的計數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。中等耐壓的大功率半導(dǎo)體器件也完全國產(chǎn)化。 70 年代初期，步進(jìn)電機的生產(chǎn)和研究都有所突破，除反映在驅(qū)動器設(shè)計方面的長足進(jìn)步以外，對反應(yīng)式步進(jìn)電機本體的設(shè)計研究發(fā)展到一個較高的水平。 70 年代中期至 80 年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動機不斷被開發(fā)。至 80 年代中期以來，由于步進(jìn)電機精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電機及驅(qū)動器作為產(chǎn)品廣泛利用。 目前 ,生產(chǎn)步進(jìn)電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(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)電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機并不能象普通的直流電機， 交流電機 在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 本文研究內(nèi)容 本設(shè)計主要是研究基于單片機的步進(jìn)電機控制， 采 用單片 機 AT89C51 和脈沖分配器 PMM8713 控制步進(jìn)電機 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 實現(xiàn) 基于步進(jìn)電機的 XY 工作臺 兩點間的位移控制 。 第二章 步進(jìn)電機的分類、結(jié)構(gòu)、工作原理 及特性 步進(jìn)電機的概念 步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角）。我們可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時我們也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而 達(dá)到調(diào)速的目的。 在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角 。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機來控制變的非常的簡單。 畢業(yè)論文 3 從原理上講，步進(jìn)電機是一種低速同步電動機。 步進(jìn)電機的特點 1. 一般步進(jìn)電機的 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，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。 2. 步進(jìn)電機外表 不 允許較高的溫度。 步進(jìn)電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 3. 步進(jìn)電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當(dāng)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電 動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（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)電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 5. 由步進(jìn)電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非常的可靠。同時，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)電機的動態(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)動負(fù)載。 8. 步進(jìn)電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電 源。 步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)及工作原理 結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電機分為轉(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 個相對的磁極（Ｎ，S）組成一對，共有 3 對。 定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。 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 相對齊， B 與齒 2 向右錯開 1/3π， C 與齒 3 向右錯開 2/3π， A39。與齒5 相對齊，（ 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 電機的 U V W1 接電源，分別有三個開關(guān)控制， U V W2 分別接地 。 如果給處于錯齒狀態(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，即向趨于對齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動。 步進(jìn)電機是一種 感應(yīng)電機 ，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機供電，步進(jìn) 電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機分時供電的，多相時序控制器 。以反應(yīng)式步進(jìn)電機為例： 如 A 相通電， B， C 相不通電時，由于磁場作用，齒 1 與 A 對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如 B 相通電， A， C 相不通電時，齒 2 應(yīng)與 B