【正文】 18176。畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機控制的步進電機設(shè)計 第一章 前言 11 步進電機簡介 步進電機最早是在 1920 年由英國人所開發(fā) 1950 年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上這對于數(shù)字化的控制變得更為容易以后經(jīng)過不斷改良使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度高分解性能高響應(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電機用得最 多步進電機作為執(zhí)行元件是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展步進電機的需求量與日俱增在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用 步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件步進電機可以直接用數(shù)字信號驅(qū)動使用非常方便一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉(zhuǎn)動每給它一個脈沖信號它就轉(zhuǎn)過一定的角度步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比在時間上與輸入脈沖同步因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量頻率及電動機繞組通電的相序 便可獲得所需的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向在沒有脈沖輸入時在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)因此非常適合于單片機控制步進電機還具有快速啟動精確步進和定位等特點因而在數(shù)控機床繪圖儀打印機以及光學儀器中得到廣泛的應(yīng)用步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用步進電機可以作為一種控制用的特種電機利用其沒有積累誤差 精度為 100 的特點廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制轉(zhuǎn)子均勻分布著小齒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 013て 23 て相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示即 A 與齒 1 相對齊 B 與齒 2向右錯開 13 て C 與齒 3 向右錯開 23 て A 與齒 5 相對齊 A 就是 A 齒 5 就是齒 1下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖 圖 21 2． 1． 2 步進電機的旋轉(zhuǎn) 如 A 相通電 BC 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 AC 相不通電時齒 2 應(yīng)與 B 對齊此時轉(zhuǎn)子向右移過 13 て此時齒 3 與 C偏移為 13 て齒 4 與 A 偏移て 13 て 23 て 如 C 相通電 AB 相不通電齒 3 應(yīng)與 C 對齊此時轉(zhuǎn)子又向右移過 13 て此時齒 4 與 A偏移為 13 て對齊 如 A 相通電 BC 相不通電齒 4 與 A 對齊轉(zhuǎn)子又向右移過 13て這樣經(jīng)過 ABCA 分別通電狀態(tài)齒 4 即齒 1 前一齒移到 A 相電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距如果不斷地按ABCA 通電電機就每步每脈沖 13 て向右旋轉(zhuǎn)如按 ACBA 通電電機就反轉(zhuǎn) 由此可見電機的位置和速度由導電次數(shù)脈沖數(shù)和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系而方向由導電順序決定 不過出于對力矩平穩(wěn)噪音及減少角度等方面考慮往往采用AABBBC－ CCAA這種導電狀態(tài)這樣將原來每步 13て改變?yōu)?16て甚至于通過二相電流不同的組合使其 13 て變?yōu)?112 て 124 て這就是電機細分驅(qū)動的基 本理論依據(jù) 不難推出電機定子上有 m 相勵磁繞阻其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移 1m2m m1 m1并且導電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機出于成本等多方面考慮市場上一般以二三四五相為多 圖 23 脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進電機的運行速度系統(tǒng)可用兩種辦法實現(xiàn)步進電機的速度控制一種是延時一種是定時延時方法是在每次換向之后調(diào)用一個延時子程序待延時結(jié)束后再次執(zhí)行換向這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖或換向周期延時子程序的延時時 間與換向程序所用的時間和就是 CP 脈沖的周期該方法簡單占用資源少全部由軟件實現(xiàn)調(diào)用不同的子程序可以實現(xiàn)不同速度的運行但占用 CPU 時間長不能在運行時處理其他工作因此只適合較簡單的控制過程定時方法是利用單片機系統(tǒng)中的定時器定時功能產(chǎn)生任意周期的定時信號從而可方便的控制系統(tǒng)輸出 CP 脈沖的周期 2 驅(qū)動方式的確定 步進電機的驅(qū)動一般有兩種方法一種是通過 CPU 直接來驅(qū)動這種方法一般不宜采用因為 CPU 的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進電機的轉(zhuǎn)動別一種是通過 CPU來間接驅(qū)動就是把從 CPU輸出的信號進行放大然后直接驅(qū)動或 是再通過光電隔離間接來驅(qū)動步進電機這種方法比較安全可靠固本次設(shè)計應(yīng)采用CPU 間接驅(qū)動步進電機用編碼器的測速發(fā)電機作為轉(zhuǎn)速測量工具因為選擇了閉環(huán)控制就必須有反饋元件反饋元件一般有兩種一種是采用同軸的測速發(fā)電機把步進電機的轉(zhuǎn)速反饋回來然后通過顯示器顯示出來并對步進電機進行調(diào)節(jié)別一種是通過光同軸的電編碼器把步進電機的轉(zhuǎn)速反饋回來對步進電機進行調(diào)節(jié)兩者相比后者的設(shè)計比較簡單價格便宜安全可靠污染少固一般采用后者用光電騙碼器作為反饋元件 3 驅(qū)動電路的選擇 步進電機的驅(qū)動電路有多種但最為常用的就是單電壓驅(qū)動雙電壓驅(qū)動斬波驅(qū)動細分控制驅(qū)動等但因本次設(shè)計對步進電機的精度要求比較高轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍比較廣固應(yīng)選用驅(qū)動芯片 8713 來驅(qū)動并通過軟件來實現(xiàn)步進電機的調(diào)速 4 基本方案的確定 因本次設(shè)計的要求選用三相雙三拍步進電機單片機選用 89C51 作為控制器選用 8279來驅(qū)動顯示和鍵盤選用 8713作為步進電機的驅(qū)動芯片并通過光電耦合來驅(qū)動步進電機然后用與步進電機同軸的光電編碼器作為反饋元件并把反饋回的信號經(jīng) CPU 處理后再由顯示器顯示出來 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 31 單片機的選擇 本次設(shè)計以 CPU 選用 89C5l 作為步進電機的控 制芯片． 89C51 的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上．使用方便等優(yōu)點而且完全兼容 MCS5l 系列單片機的所有功能 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器 FPEROMFAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory 的低電壓高性能 CMOS8位微處理器俗稱單片機該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容由于將多功能 8 位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中 ATMEL 的 AT89C51是一種高效微控制器為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 1VCC40 電源 5V 2VSS20 接地也就是 GND 3XTL119 和 XTL218 振蕩電路單片機是一種時序電路必須有脈沖信號才能工作在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路有兩種振蕩方式一種是內(nèi)部振蕩方式只要接上兩個電容和一個晶振即可另一種是外部振蕩方式采用外部振蕩方式時需在 XTL2 上加外部時鐘信號 4PSEN29 片外 ROM 選通信號低電平有效 5ALEPROG30 地址鎖存信號輸出端 EPROM 編程脈沖輸入端 6RSTVPD9 復(fù)位信號輸入端備用電源輸入端 7EAVPP31 內(nèi)外部 ROM 選擇端 8P0 口 3932 雙向 IO 口 P1 口 18 準雙向通用 I0 口 P2 口 2128 準雙向 I0 口與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命 1000寫擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間全靜態(tài)工作 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 1288 位內(nèi)部RAM32 可編程 IO 線兩個 16 位定時器計數(shù)器 5 個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 1 振蕩器特性 XTAL1和 XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用如采用外部時 鐘源驅(qū)動器件 XTAL2 應(yīng)不接有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度 2 芯片擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合并保持ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成在芯片擦操作中代碼陣列全被寫 1 且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前該操作必須被執(zhí)行 此外 AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯支持兩種軟件可選的掉電模式在閑置模式下 CPU停止工作但 RAM定時器計數(shù)器串口和中斷系統(tǒng)仍在工作在掉電模式下 保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器禁止所用其他芯片功能直到下一個因本次設(shè)計的要求步進電機應(yīng)選用三相三拍的步進電機具體說明如下三相雙三拍 二進制 十六進制 1 AB 00000011 03H 2 BC 00000110 06H 3 CA 00000101 05H 反轉(zhuǎn)控制模型 步序 工作 狀態(tài) 控制模型 二進制 十六進制 1 AB 00000011 03H 2 CA 00000101 05H 3 BC 00000110 06H 控制繞組的通電方式為 ABBCCAAB 或 ABCABCAB 每拍同時有兩相繞組通電三拍為一個循環(huán)當 A B 兩相控制繞組同時通電時轉(zhuǎn)子齒的位置應(yīng)同時考慮到兩對定子極的作用只有 A 相極和 B 相極對轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力相平衡才是轉(zhuǎn)子的平衡位置雙三拍運行時的步距角是 30176。表示半步工作 時為 09176。三相的 為 075176。在沒有細分驅(qū)動器時用戶主要靠選 擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求如果使用細分驅(qū)動器則相數(shù) 將變得沒有意義用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)就可以改變步 距角 保持轉(zhuǎn)矩 HOLDING TORQUE 是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩它是步進電機最重要 的參數(shù)之一通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩由于步進電機的輸出力 矩隨速度的增大而不斷衰減輸出功率也隨速度的增大而變化所以保持轉(zhuǎn)矩就成 為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一比如當人們說 2Nm 的步進電機在沒有 特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 2Nm 的步進電機 機動態(tài)指標及術(shù)語 步距角精度 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤 差用百分表示誤差步距 角 100不同運行拍數(shù)其值不同 四拍運行時應(yīng)在 5之內(nèi)八拍運行時應(yīng)在15 以內(nèi) 失步 電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)稱之為失步 失調(diào)角 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角由失調(diào)角產(chǎn)生的 誤差采用細分驅(qū)動是不能解決的 最大空載起動頻率 電機在某種驅(qū)動形式電壓及額定電流下在不加負載的情況下能夠直接起 動的最大頻率 最大空載的運行頻率 電機在某種驅(qū)動形式電壓及額定 電流下電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率 運行矩頻特性 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩特 性這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的也是電機選擇的根本依據(jù) 如下 圖 11 所示 圖 11 力矩頻率曲線 電機的共振點 步進電機均有固定的共振區(qū)域二四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(qū)一般在180250pps 之間步距角 18 度或在 400pps 左右步距角為 09 度電機驅(qū)動電壓越高電機電流越大負載越輕電機體積越小則共振區(qū)向上偏移反之亦然為使電機輸出電矩大不失步和整 個系統(tǒng)的噪音降低一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多 其它特性還有慣頻特性起動頻率特性等電機一旦選定電機的靜力矩確定而動態(tài)力矩卻不然電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流而非靜態(tài)流平均電流越大電機輸出力矩越大即電機的頻率特性越硬如下圖 12 所示 圖 12 力矩頻率特性曲線 其中曲線 3電流最大或電壓最高曲線 1電流最小或電壓最低曲線與負載的交點為負載的最大速度點要使平均電流大盡可能提高驅(qū)動電壓使采用小電感大電流的電機 14 步進電機的分類 步進電機分為三大類 1 反應(yīng)式步進電機 VAriABle ReluCtAnCe 簡稱 VR 反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的轉(zhuǎn)子中沒有繞組它的結(jié)構(gòu)簡單成本距角可以做得很小但動態(tài)性能較差反應(yīng)式步進電機有單段式和多段式兩種類型 2 永磁式步進電機 PermAnent MAg 簡稱 PM 永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同所以一般步進角比較大它輸出轉(zhuǎn)矩大動態(tài)性能好消耗功率小相比反應(yīng)式但啟動運行頻率較低還需要正負脈沖供電 3 混合式步進電機 HyBrid 簡稱 HB 混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點混合式與傳 統(tǒng)的反應(yīng)式相比結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體以提供軟磁材料的工作點而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能因此該電機效率高電流小發(fā)熱低 因永磁體的存在該電機具有較強的反電勢其自身阻尼作用比較好使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)噪聲低低頻振動小這種電動機最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流