【文章內(nèi)容簡介】 ...............47致 謝 ................................................................................................................................................53附 錄 ..............................................................................................................................................54中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁1 緒論 課題背景及意義 課題的目的和意義 步進電機在機電一體化中是一種非常重要的執(zhí)行元件，其良好的伺服性能使得步進電機在數(shù)控領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，步進電機控制系統(tǒng)是控制步進電機運行的關(guān)鍵組成，它由步進電機控制器、驅(qū)動器、系統(tǒng)軟件等部件構(gòu)成，步進電機的運行狀態(tài)主要由步進電機控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。步進電機可在非常廣的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，它還可以快速啟停、正反轉(zhuǎn)、自鎖等，這使得步進電機組成的開環(huán)系統(tǒng)簡單、廉價、可靠。所以，它被廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機床、繪圖機、計算裝置、自動記錄儀、工人機器人、無損檢測等系統(tǒng)和裝置中。步進電機與其控制驅(qū)動系統(tǒng)密不可分，當步進電機驅(qū)動器技術(shù)較為滯后時，就會使得步進電機系統(tǒng)在接近工作頻率時產(chǎn)生共振，在低速運行中平穩(wěn)性差，在高速運行中快速響應(yīng)能力差，容易產(chǎn)生不同步現(xiàn)象，并且伴有震蕩和較差的矩頻特性，出現(xiàn)弊端。基于以上理論，步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計就顯得尤為重要。 國內(nèi)外對步進電機研究的現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢 步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。隨著計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)迅速地崛起，步進電機的應(yīng)用越來越廣泛。步進電機是把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的執(zhí)行元件，它的驅(qū)動器是步進電機控制系統(tǒng)中的一部分，步進電機與其驅(qū)動器是一個不可分割的整體，步進電機的運行與驅(qū)動器密切相關(guān)，隨著晶體管技術(shù)的應(yīng)用，使驅(qū)動器向小型化得到了很大的發(fā)展。 驅(qū)動器技術(shù)在 20 世紀 70 年代進入鼎盛時期，步進電機與其相應(yīng)的驅(qū)動器脫穎而出，如日本的 EMP 系列、美國的 M 系列、德國的 IBS/IBC 系列等。功放驅(qū)動元件除了用到晶體管以外，還用到了晶閘管，電源線路采用兩種不同電壓等級的驅(qū)動器而不再是采用單一電壓等級的驅(qū)動器。 隨著微電子和計算機技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，其驅(qū)動器也在日新月異的發(fā)展完善和提高，驅(qū)動電路集成化也發(fā)展到了較高的技術(shù)水平。以美國為例，它生產(chǎn)的步進電機驅(qū)動器體積小，在功能上可驅(qū)動較大的步進電機，且工作發(fā)熱低，電機工作平穩(wěn)，可靠性高。驅(qū)動技術(shù)目前應(yīng)用較多的有斬波驅(qū)動、升頻生壓驅(qū)動等。步進電機驅(qū)動技術(shù)的一個有極具發(fā)展優(yōu)勢的方向是微步驅(qū)動技術(shù)，又稱為步進電機細分驅(qū)動技術(shù)。 國內(nèi)外較為常見的步進電機控制系統(tǒng)在長期的步進電機發(fā)展過程中，涌現(xiàn)出了多種步進電機的控制方案。 基于電子電路的步進電機控制系統(tǒng)該方法采用電脈沖信號來控制步進電機，而電脈沖信號的相關(guān)變化（包括脈沖信號的產(chǎn)中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁生、分配和放大等）則主要通過電子元器件的動作來實現(xiàn)。鑒于脈沖控制信號通常只具備很弱的驅(qū)動能力，因此系統(tǒng)中必須額外增加有功功率放大驅(qū)動電路。然后將步進電機、控制電路以及功率放大驅(qū)動電路進行組合，就可以組成步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)。整部系統(tǒng)可以劃分為三大主要部分，如圖 所示。即：1）脈沖信號的產(chǎn)生電路；2）脈沖信號的分配電路；3）實現(xiàn)功率放大功能的驅(qū)動電路。 基于電子電路的控制系統(tǒng)優(yōu)點： 這種控制方案的控制電路相對而言設(shè)計起來比較簡單，通常來講，大多數(shù)的步進電機任務(wù)都可以完成。根據(jù)實際生產(chǎn)的需要，該控制方案既可實現(xiàn)開環(huán)控制，也可實現(xiàn)閉環(huán)控制。當實現(xiàn)開環(huán)控制的時候，它的造價比較低，且設(shè)計起來非常簡單，并且平穩(wěn)性能很好，但是該系統(tǒng)此時將無法完成高精度細分。使用閉環(huán)控制的時候，可以實現(xiàn)高精度細分及其無級調(diào)速。閉環(huán)控制可以連續(xù)地通過直接或間接的方法檢測到轉(zhuǎn)子的位置及其速度，然后通過反饋環(huán)節(jié)把檢測到的信息進行反向輸送并進行及時的處理，這時系統(tǒng)會自動給出脈沖鏈，通過控制信號控制步進電機的每一步運轉(zhuǎn)，即可實現(xiàn)只要控制策略是正確的，電機就不會發(fā)生失步現(xiàn)象。缺點： 該控制電路的脈沖輸出頻率及其脈沖輸出數(shù)主要是通過使用一些大規(guī)模集成電路來進行控制；方案可以實現(xiàn)的功能較少；一旦控制方案需要稍加改變，就必須進行重新設(shè)計，缺乏必要的靈活性。 基于 PLC 的控制 PLC 是一種工用計算機，俗稱可編程控制器。它的優(yōu)點是：通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)和可靠性高。因此可以在自動控制系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。 步進電機控制系統(tǒng)的組成有以下幾個部分，即 PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路。各部分功能如下：PLC 主要是為控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制脈沖，調(diào)整控制脈沖頻率的強弱即可改變步進電機的轉(zhuǎn)動速度，從而控制伺服機構(gòu)的進給速度，而它所輸出的方波脈沖則可以控制步進電機的轉(zhuǎn)角進給量而控制伺服機構(gòu)的進給量；將 PLC 輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應(yīng)的繞組是環(huán)形脈沖分配器的主要功能，它主要有軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器兩大類，軟件環(huán)形分配器是用計算機軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，硬件環(huán)形分配器則是用硬件組成的環(huán)形分配器。相對而言，硬件環(huán)形分配器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但它占用的 PLC 資源較少，所以目前被用在多種芯片中，相對的，軟件環(huán)形分配器則會占據(jù)較多的 PLC 資源，但是可以控制多相步進電機，比較適合用于大型生產(chǎn)線；步進電機功率驅(qū)動電路的主要功能就是放大 PLC 輸出的控制脈沖，使驅(qū)動能力增強，從而驅(qū)動步進電機 [1]。脈沖控制器 環(huán)形分配器 驅(qū) 動 電 路步 進 電 機中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 出于降低硬件成本的考慮，我們利用 PLC 的定時器產(chǎn)生速度脈沖信號，再用軟件產(chǎn)生環(huán)形脈沖信號控制步進電機，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器。但這樣的組成有一個缺點，就是步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制，并且在速度較高時，相應(yīng)的控制精度會降低，這是因為 PLC 的掃描周期通常為千分之幾秒到百分之幾秒，相應(yīng)的頻率就能達到幾百赫茲 [2]。 基于單片機的步進電機控制 將步進電機用單片機進行控制時，可以使用軟硬件相結(jié)合的控制方法。將環(huán)形分配器用軟件代替，即可實現(xiàn)對步進電機的最佳控制。步進電機的各相驅(qū)動電路是使用單片機接口進行直接控制的。鑒于單片機具有非常強大的功能，我們還可以設(shè)計大量的外圍控制電路，將鍵盤作為外部中斷源，對步進電機的一系列的功能進行設(shè)置，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔位、停止等；利用單片機的軟件編程完成脈沖分配，從而實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能；使用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài) [3]。單片機控制的步進電機具有很多優(yōu)點，以下簡單地列寫如下：（1）編程使用單片機軟件，能夠自動并精確控制復(fù)雜的控制過程，從而有效控制精度不受失步、震蕩的影響；（2）將環(huán)形分配器用軟件代替，然后設(shè)定單片機，可以完成同一電路控制并驅(qū)動多相步進電機的功能，使得接口電路的靈活性和通用性大大提高；（2） 單片機可以使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路很好的結(jié)合起來，使系統(tǒng)的交互性得以提高，故采用單片機完成本次設(shè)計方案。1．3 論文研究的目的和內(nèi)容 本文的研究目的有兩個：作為一個電氣自動化學(xué)生，在日常學(xué)習過程中我總感覺到目前的教材各種知識技術(shù)太過涇渭分明，無法把一些學(xué)過的課程知識點和實踐活動有機結(jié)合起來，所以我始終希望自己的畢業(yè)設(shè)計能夠有機地把電子技術(shù)、單片機技術(shù)、電機的控制技術(shù)等幾門課程綜合起來，并著力于相應(yīng)的生產(chǎn)實踐；第二個目的就是運用自己所學(xué)習的知識致力于完善步進電機的控制與設(shè)計，能親自設(shè)計出來一套較簡單、經(jīng)濟、實用的硬件系統(tǒng)，且適應(yīng)性強、操作方便、交互性強并且可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。出于以上兩個目的，在畢業(yè)設(shè)計的這半年多時間里，按照模塊化的思想，完成了畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容，完成了這篇論文。整個論文的內(nèi)容包括：1. 弄清并理解關(guān)于步進電機的工作原理、分類及特點等基本知識；2. 理解有關(guān)步進電機的控制技術(shù)，并提出自己針對步進電機的控制方案；3. 利用 Proteus 仿真環(huán)境，繪制基于 AT89C51 單片機的步進電機控制系統(tǒng)硬件原理電路；4. 利用 C 語言編制基于 AT89C51 的步進電機控制軟件，實現(xiàn)步進電機速度、方向、點動、復(fù)位的控制；5. 搭建設(shè)計模型；6. 撰寫論文。中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁1．4 論文安排本文開篇首先介紹了步進電機設(shè)計的背景及意義，然后介紹了步進電機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，在此基礎(chǔ)上，提出了自己的設(shè)計目的及論文任務(wù)。接著開始詳細地介紹步進電機原理、分類、控制技術(shù)及特點，然后對設(shè)計所用元器件，如 AT89C5L29L298 等進行介紹，最后用模塊化思想對所要設(shè)計系統(tǒng)的硬件部分進行描述，最后對軟件設(shè)計進行闡述，并得到仿真結(jié)果，最后完成實物的焊接與調(diào)試。具體的安排如下：第一章為緒論，介紹設(shè)計步進電機的背景及意義，進而介紹了步進電機的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢，又列舉了步進電機的幾種控制方案，并分析了各種方案的優(yōu)勢和不足，提出了自己的設(shè)計目的和內(nèi)容；第二章是對步進電機和設(shè)計所需元器件的概述，步進電機的介紹主要包括步進電機的工作原理、分類、特點，元器件則主要是 AT89C5L29L298 等，為后面的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計提供必須的理論基礎(chǔ)；第三章是硬件設(shè)計部分，首先提出框架，然后根據(jù)模塊化思想對系統(tǒng)的控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路、顯示電路四大部分進行具體地描述；第四章為軟件設(shè)計部分，分別對主程序、定時中斷、外部中斷設(shè)計進行軟件設(shè)計，通過流程圖及部分程序展現(xiàn)如何對步進電機進行控制的過程，包括中斷的優(yōu)先級等；第五章是實物的焊接，整體功能的展現(xiàn)。中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁2 元器件介紹 步進電機 步進電機也叫脈沖電機，是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。其功能是將脈沖電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，即當步進驅(qū)動器接受到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個步進角。 步進電機的角位移量 θ 或線位移量 s 與脈沖數(shù) k 成正比；它的轉(zhuǎn)速 n 與脈沖頻率 f 成正比。在負載范圍內(nèi)這些關(guān)系不隨電源電壓、負載大小、環(huán)境條件的變化而變化。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，達到準確定位的目的；也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)速和加速度，達到調(diào)速的目的。步進電機可以在開環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)變得簡化。并且可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率加速減速；能夠快速啟動、反轉(zhuǎn)和制動。由于步進電機能直接接收數(shù)字量的輸入，特別適合采用單片機來進行控制。 步進電機的特點1. 步進電機不積累誤差，一般步進電機的精度為步進角的 3%~5%；，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 130 攝氏度以上，有的甚至高達 200 攝氏度以上，所以步進電機外表溫度在 80 攝氏度到 90 攝氏度完全正常；，可以在很大范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，這樣一來，就可以保證在步進電機轉(zhuǎn)速很低的情況下，仍然可以獲得非常大的轉(zhuǎn)矩，因此，這個時候就可以在沒有減速器的情況下去直接的進行負載驅(qū)動 [2][3]；4. 當步進電機轉(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。當步進電機的轉(zhuǎn)速若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機難以獲得較大轉(zhuǎn)矩，超載時會失步。步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降；，易于啟動停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和加速減速；帶慣性載荷的能力強；，步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)主要是由步進電機和步進電機的驅(qū)動電路兩大部分組成的，不僅方便便宜，并且滿足可靠性高的優(yōu)點。同時，它也可以由一個角度反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；，每相繞組按一定的規(guī)律輪流通電。步進電機的運行只能通過脈沖電源驅(qū)動，不可以直接使用交流電源或者直流電源；，這是因為與普通電機相比較，步進電機沒有電刷等，不至于造成很大損耗，從而可以大幅度地去提高軸承的使用壽命；，同等功率的電機，步進電機體積和重量大；。 步進電機的分類中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁步進電機在構(gòu)造上有三種主要類型：反應(yīng)式（Variable Reluctance，VR ） 、永磁式（Permanent Mag,PM）和混合式（Hybrid Stepping,HS） 。下面簡要說明這三種類型的步進電機。： 該種步進電機的定子上安有繞組，它的轉(zhuǎn)子材料是軟磁。此種步進電機具有很多的優(yōu)點，比如說，相對而言，它的結(jié)構(gòu)簡單、成本比較低，控制精度高，最小步距角可達 度；當然，它也具有很多其他方面的缺點，比如說動態(tài)性能差、效率低且發(fā)熱較為嚴重，這樣一來可靠性就難以得到必要的保證了。： 顧名思義，永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子材料是由永磁材料制成的。此種步進電機有一個特點，就是轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)是相同的。永磁式步進電機的優(yōu)點是輸出轉(zhuǎn)矩很大，可以在沒有