【導(dǎo)讀】畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機控制的步進電機設(shè)計。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。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)。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。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。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

　　

【正文】 求 步進電機采用三相步進電機功率為 1W 調(diào)速范圍為 0 到 1000rmin 最高轉(zhuǎn)速時精度 2 要基本上完成畢業(yè)設(shè)計作到步進電機能精確的調(diào)速正反轉(zhuǎn)并能在起動時不失步基本上沒有振蕩能完成完整的硬件電路圖軟件設(shè)計 第 3 章 方案的論證 31 控制方式的確定 步進電機控制雖然是一個比較精確的步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低簡單控制方便等優(yōu)點在采用單片機的步進電機開環(huán)系統(tǒng)中控制系統(tǒng)的 CP 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 脈沖的周期當(dāng)定時器啟動后 定時器從裝載的初值開始對系統(tǒng)及其周期進行加計數(shù)當(dāng)定時器溢出時定時器產(chǎn)生中斷系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷子程序?qū)㈦姍C換向子程序放在定時中斷服務(wù)程序中定時中斷一次電機換向一次從而實現(xiàn)電機的速度控制由于從定時器裝載完重新啟動開始至定時器申請中斷止有一定的時間間隔造成定時時間增加為了減少這種定時誤差實現(xiàn)精確定時要對重裝的計數(shù)初值作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整調(diào)整的重裝初值主要考慮兩個因素一是中斷響應(yīng)所需的時間二是重裝初值指令所占用的時間包括在重裝初值前中斷服務(wù)程序重的其他指令因綜合這兩個因素后重裝計數(shù)初值的修正量取 8 個機器周期即要使定時時間 縮短 8 個機器周期用定時中斷方式來控制電動機變速時實際上是不斷改變定時器裝載值的大小在控制過程中采用離散辦法來逼近理想的升降速曲線為了減少每步計算裝載值的時間系統(tǒng)設(shè)計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的 ROM 中系統(tǒng)在運行中用查表法查出所需的裝載值這樣可大幅度減少占用 CPU 的時間提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度愿大多數(shù)步進電機運動控制系統(tǒng)都運行在開環(huán)狀態(tài)下因為成本較低并可提供運動控制技術(shù)固有的位置控制無須反饋但是在某些應(yīng)用中需要更多的可靠性安全性或產(chǎn)品質(zhì)量的保證因此閉環(huán)控制也是一種選擇以下是一些實現(xiàn)步進電機閉環(huán)控制的 方法 1 步進確認這是最簡單的位移控制使用一個低值的光學(xué)編碼器計算步進移動的數(shù)量一個簡單的回路與指令校驗的步進電機比較驗證步進電機移動到預(yù)計的位置 2 反電動勢 一種無傳感器的檢測方法使用步進電機的反電動勢eleCtromotiveforCeemf 信號測量和控制速度當(dāng)反電動勢電壓降至監(jiān)測探測水平時閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為標準開環(huán)完成最終的位移移動 3 全伺服控制指全時間的使用反饋設(shè)備用于步進電機 編碼器解碼器或其它反饋傳感器上從而更為精確地控制步進電機位移和轉(zhuǎn)矩 其它的方法包括各種不同的反電動勢控制電機參數(shù) 測量和軟件技術(shù)一些制造企業(yè)都會使用這些方法這里步進驅(qū)動監(jiān)控和測量電機線圈使用電壓額電流信息提高步進電機控制正阻尼使用這一信息阻擋振動的速度產(chǎn)生更多的可用的轉(zhuǎn)矩輸出降低轉(zhuǎn)矩的機械振動損耗無編碼器安裝監(jiān)測采用信息檢測同步速度的損耗 傳統(tǒng)步進電機控制通常采用反饋設(shè)備和非傳感方法是有效的實現(xiàn)帶有安全需求危險狀況或高精確度要求的運動應(yīng)用的方法 大多數(shù)基于步進電機的系統(tǒng)一般都運行在開環(huán)狀態(tài)下這樣可提供一個低成本的方案 事實上步進系統(tǒng)可提高位移控制的的性能且不需要反饋但是當(dāng)步進電機在開環(huán)時運行在命令步幅和實際步幅之間會 有同步損耗的可能 閉環(huán)控制是傳統(tǒng)步進控制的一個部分能有效地提供更高地可靠性安全性或產(chǎn)品質(zhì)量在這些步進系統(tǒng)中反饋設(shè)備或間接參數(shù)傳感方法的閉環(huán)能進行校正或控制失步監(jiān)測電機停滯以及確保更大的可用轉(zhuǎn)矩輸出近期步進電機的閉環(huán)控制 CLC還能幫助執(zhí)行智能分布運動架構(gòu)然而開環(huán)操作會有失步的風(fēng)險這將產(chǎn)生定位失誤但與伺服系統(tǒng)中使用的編碼器相比閉環(huán)步進電機采用的編碼器成本更低故選擇閉環(huán)控制 32 驅(qū)動方式的確定 并于步進電機的驅(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還的測速發(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 33 驅(qū)動電路的選擇 步進電機的驅(qū)動電機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)動等單電壓驅(qū)動是步進電機控制中最為簡單的一種驅(qū)動電路它在本質(zhì)上是一個單間的反相器它的最大特點是結(jié)構(gòu)簡單因它的工作效率低特別是在高頻下更顯的突出它的外接電阻 R 要消耗相當(dāng)一部分的熱量這樣就會影響電路的穩(wěn)定性所以此種驅(qū)動方式一般只用在小功率的步進電機的驅(qū)動電路中雙電壓驅(qū)動是電路一般采用兩種電源電壓來驅(qū)動因這兩個電源分別是一個為高壓一個為低壓因此也稱為高低壓驅(qū)動電路雙電壓驅(qū)動電路的缺點是在高低壓 連接處電流出現(xiàn)谷點這樣必然引起力矩在谷點處下降不宜于電機的正常運行對于斬波電路驅(qū)動則可以克服這種缺點并且還可以提高步進電機的效率所以從提高效率來看這是一種很好的驅(qū)動電路它可以用較高的電源電壓同時無需外接電阻來限定期額定電流和減少時間常數(shù)但由于其波形頂部呈現(xiàn)鋸齒形波動所以會產(chǎn)生較大的電磁噪聲細分驅(qū)動是用脈沖電壓來供電的對于一個電壓脈沖轉(zhuǎn)子就可以轉(zhuǎn)動一步一般會根據(jù)電壓脈沖的分配方式步進電機各相繞阻會輪流切換固可以使步進電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)細分控制的電路一般分為兩類一類是采用線性模擬功率放大器的方法獲得階梯形電流這種方 法簡單但效率低別一種是用單片機采用數(shù)子脈寬調(diào)制的方法獲得階梯電流這種方法需要復(fù)雜的計算可使細分后的步距角一致但因本次設(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 34 基本方案的確定 因本次設(shè)計的要求選用三相三拍步進電機單片機選用 89C51 作為控制器選取用 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)動步進電機然后由于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但由鍵盤輸 入的速度數(shù)值了得通過顯示器來顯示固本次設(shè)計要兩排顯示一排來顯示給定的轉(zhuǎn)速一排來顯示實際的轉(zhuǎn)速系統(tǒng)原理框圖如 31 所示 圖 31 系統(tǒng)原理框圖 第 4 章 硬件電路的設(shè)計 41 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 的引腳功能 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 上加外部時鐘信號詳細的內(nèi)容將在以后的課程中專門介紹 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 9． P1 口 18 準雙向通用 I0 口 9P2 口 2128 準雙向 I0 口原理圖如 41 所示 圖 41 AT89C51 的引腳圖 主要特性 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硬件復(fù)位為止 42 步進電機的選擇 因本次設(shè)計的要求步進 電機的應(yīng)選用三相三拍的步進電機關(guān)于步進電機的具體說明如下 反應(yīng)式步進電動機是利用凸極轉(zhuǎn)子交軸磁阻與直軸磁阻之差所產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動的所以也稱為磁阻式步進電動機現(xiàn)以一個最簡單的三相反應(yīng)式步進電動機為例說明其工作原理 圖 42 是一臺三相反應(yīng)式步進電動機的原理圖定子鐵芯為凸極式共有三對六個磁極每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成也是凸極結(jié)構(gòu)只有四個齒齒寬等于定子的極靴寬下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理 圖 42 三相反應(yīng)式步進電動機的原理圖 三相單三拍通電方式 當(dāng) A 相控制 繞組通電其余兩相均不通電電機內(nèi)建立以定子 A 相極為軸線的磁場由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點使轉(zhuǎn)子齒 1 3 的軸線與定子 A 相極軸線對齊如圖 44 A 所示若 A 相控制繞組斷電 B 相控制繞組通電時轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下逆時針方向轉(zhuǎn)過 30176。使轉(zhuǎn)子齒 24 的軸線與定子 B 相極軸線對齊即轉(zhuǎn)子走了一步如圖 44 B 所示 若再斷開 B 相使 C 相控制繞組通電轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過 30176。 使轉(zhuǎn)子齒 13 的軸線與定子 C相極軸線對齊如圖 44 C 所示如此按 AB– CA 的順序輪流通電轉(zhuǎn)子就會一步一步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動其轉(zhuǎn)速取決于 各相控制繞組通電與斷電的頻率旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序若按ACBA 的順序通電則電機按順時針反方向轉(zhuǎn)動 上述通電方式稱為三相單三拍運行三相是指三相步進電動機單是指每次只有一相控制繞組通電控制繞組每改變一次通電方式稱為一拍三拍是指經(jīng)過三次改變通電方式為一個循環(huán)我們稱每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為步距角三相單三拍運行時的步距角為 30 度其原理圖如 42 所示 圖 421 定轉(zhuǎn)子展開圖 A 相繞組通電 三相雙三拍通電方式 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(dāng) 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)子的平衡位置如 422 B 所示可見雙三拍運行時的步距角仍是 30176。但雙三拍運行時每一拍總有一相繞組持續(xù)通電例如由 A B 兩相通電變?yōu)?B C 兩相通電時B 相保持持續(xù)通電狀態(tài) C 相磁拉力圖使轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動而 B 相磁拉力卻起有阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動的作用即起到一定的電磁阻尼作用所以電機工作 比較平穩(wěn)而在三相單三拍運行時由于沒有這種阻尼作用所以轉(zhuǎn)子達到新的平衡位置容易產(chǎn)生振蕩穩(wěn)定性不如雙三拍運行方式三相雙三拍運行方式 AB相與 BC相導(dǎo)通的結(jié)構(gòu)如圖 422 所示 A AB 相導(dǎo)通 B BC 相導(dǎo)通 圖 422 三相雙三拍運行方式 在分析步進電動機動態(tài)運行時不僅要知道某一相控制繞組通電時的矩角特性而且要知道整個運行過程中各相控制繞組通電狀態(tài)下的矩角特性即所謂矩角特性族以三相單三拍的通電方式為例若將失調(diào)角θ的坐標軸統(tǒng)一取在 A 相磁極的軸線上顯然 A 相通電時矩角特性如圖 43 中曲線 A 所示穩(wěn)定平衡點為 O 點 B 相通