步進電機畢業(yè)論文小型四相步進電機驅(qū)動(編輯修改稿)
2025-07-11 08:24 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 要求電機的電流越大，驅(qū)動電源的電壓越高。 電壓對力矩影響如 圖 12 所示 ： 圖 12 電壓對力矩的影響 步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定 下來了。 本次設(shè)計選用 35BY48S03型步進電機。 35BY48S03 型步進電機是一種永磁式步進電機， 電機共有四組線圈，將 COM 端標識為 C，只要 AC、 C、 BC、 C，輪流加電就能驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn) 。 35BY48S03 型步進電機主要參數(shù)如下： 步距角 ： 176。 相數(shù) ： 4 電壓 ： 12 V 電流 ： 電阻 ： 47Ω 最大靜轉(zhuǎn)距 ： 180N m 定位轉(zhuǎn)距 ： 65N m 轉(zhuǎn)動慣量 ： ㎡ 有了這些參數(shù)， 可以 設(shè)計出控制電路 . 6 167。 單片機控制步進 電機的升降頻 一些控制簡單或要求低成本的運動控制系統(tǒng)中，經(jīng)常用步進電機做執(zhí)行元件。步進電機在這種應(yīng)用場合下最大的優(yōu)勢是：可以開環(huán)方式控制而無需反饋就能對位置和速度進行控制。但也正是因為負載位置對控制電路沒有反饋，步進電機就必須正確響應(yīng)每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當(dāng)，電機不能夠移到新的位置，那么實際的負載位置相對控制器所期待的位置出現(xiàn)永久誤差，即發(fā)生失步現(xiàn)象或過沖現(xiàn)象。因此步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)中，如何防止失步和過沖是開環(huán)控制系統(tǒng)能否正常運行的關(guān)鍵。 步進電機作為執(zhí)行元件的一個顯著特點是速度啟停能力，若符合 不超過步進電機所提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能迅速是步進電機啟動或停止，一般步進電機的步進速度為 100～ 1000 步 /秒，如果步進電機是以逐漸加速到最大值然后逐漸減速到零的方式工作，其速度可增加到 28 倍，而不失步。在實際應(yīng)用中，在大多數(shù)時候需要步進電機及負載的機械慣性以最優(yōu)化的曲線升頻和降頻，即步進電機啟動時，以低于相應(yīng)頻率 Fe 的速度運行，然后慢慢加速到一定速度后，就以此恒速運行，當(dāng)快到終點時慢慢減速至 Fe 以下，直至停機并走完一定的步數(shù)。這樣步進電機就可以很快的走完全程且不失步。 失步和過沖現(xiàn)象分別出現(xiàn)在步進電機啟 動和停止的時候。一般情況下，系統(tǒng)的極限啟動頻率比較低，而要求的運行速度往往比較高。如果系統(tǒng)以要求的運行速度直接啟動，因為該速度已超過極限啟動頻率而不能正常啟動，輕則可能發(fā)生丟步，重則根本不能啟動，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運行起來以后，如果達到終點時立即停止發(fā)送脈沖串，令其立即停止，則由于系統(tǒng)慣性作用，電機轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過平衡位置，如果負載的慣性很大，會使步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到接近終點平衡位置的下一個平衡位置，并在該位置停下。 實驗表明，圖 13 所示的指數(shù)曲線是步進電機最合理的升頻曲線，最符合電機和負載的慣性規(guī)律。且步進電機在啟動 時，由于其靜態(tài)慣性大，需以較小的加速升頻，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動越來越快時，其運動慣性逐漸增大，可以較大的加速度升頻。如果我們簡單的將其設(shè)計成直線，就不能使步進電機在最短的時間內(nèi)升到最高的頻率，且保證力矩最大。同理降頻時應(yīng)為反指數(shù)曲線。為實現(xiàn)步進電機的升降頻，在系統(tǒng)設(shè)計中，一般采用硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件使用積分電路和微分電路實現(xiàn)，其元件參數(shù)一經(jīng)選定，曲線形狀就固定 7 不變，因為每個電機及其負載的機械特性不同，所以他不能最好地與所有的電機適配。而且隨著系統(tǒng)使用的時間越來越長，元器件會發(fā)生變值，造成電機升降頻在的阻尼。為克服 硬件設(shè)計中這些不能靈活變動和元器件變值的特點，我們采用程序來實現(xiàn)升降頻。軟件控制比硬件來說，具有運行可靠，改動方便的特點，而且可以降低成本。針對不同電機的機械特性，我們專門設(shè)計了一個數(shù)據(jù)區(qū)，這個數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)即確定了指數(shù)曲線的形狀，我們改變電機時，只要根據(jù)電機的特性改變數(shù)據(jù)區(qū)的一些數(shù)據(jù)，即可使曲線很好的與電機適配 [4]。 圖 13 步進電機升降頻運行曲線 8 第 2 章 步進電機控制系統(tǒng)硬件電路 本文采用目前國內(nèi)比較常用的單片機用與整個回路的控制，單片機選用51 系列的 AT89C51 芯 片，芯片及其外圍時鐘電路和復(fù)位電路組成單片機最小系統(tǒng)，按鍵 SW1SW4 做為輸入控制， ULN2021 做為步進電機驅(qū)動器件。 硬件電路總體框圖 : 圖 21 硬件電路總體框圖 167。 單片機及其外圍電路介紹 167。 CPU 芯片 AT89C51 是主機板的核心，接收各部分信息并向各部發(fā)出命令，控制電機運行的各種工作狀態(tài)。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓 ，高性能 CMOS8 位微處理器， 在本次設(shè)計中不需要外擴存儲器 。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。 目前，可用于 MCS51 系列單片機開發(fā)的硬件越來越多，與其配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善，因此，可以極方便地利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出用于不同目的的各類應(yīng)用系統(tǒng) 。 由于將多功能 8 位CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， 所以 ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， 因其 高性能、高速度、體積小、價格低廉、穩(wěn)定可靠而得到廣泛應(yīng) 9 用 ， 成為 在工業(yè)生產(chǎn)中必不可 少的器件， 而且 在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大 ， 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。 單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖 22 所示： 圖 22 單片機最小系統(tǒng)電路圖 管腳說明： P0 口： P0口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0外部必須被拉高。本次設(shè)計中， P0 口作為鍵盤 輸入口。 P1 口： P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校
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