【正文】 設(shè)計（論文）題目： 基于單片機的 步進電機調(diào)速 系統(tǒng)設(shè)計 指 導 教 師： 設(shè) 計 地 點： 起 迄 日 期： ~ 常州信息職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院 畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 專業(yè) 機電一體化 班級 機電 121 姓名 許永康 一、課題名稱： 基于 單片機的步進電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 二、主要技術(shù)指標： ,選擇其伺服控制器的設(shè)計方案 。 Keil 發(fā)平臺 ,選用 C 語言完成對伺服系統(tǒng)各功能模塊相應(yīng)的程序的編寫 、改進及驗證。 四、主要參考文獻： __[1] 王冬青 .可編程序控制器原理及應(yīng)用 [M].人民郵電出版社， [2] 王兆義 .可編程序控制器教程 [M].機械工業(yè)出版社 , [3] 袁任光 . 可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)實例 [M].華南理工大學出版社 , [4] 陳立定 . 電氣控制與可編程序控制器 [M]. 華南理工大學出版社 , 學 生（簽名） 年 月 日 指 導 教師（簽名） 年 月 日 教研室主任（簽名） 年 月 日 系 主 任（簽名） 年 月 日 常州信息職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院 畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 設(shè)計（論文）題目 基于單片機的步進電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 一、 選題的背景和意義： 目前 ,我國的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品化的發(fā)展規(guī) 模 ,但也存在如下問題 : ,多采用 PLC、 DSP 等進行控制 ,系統(tǒng) 發(fā)成本高及控制復雜 ,制約著中小型企業(yè)的應(yīng)用需求。 ,以往的步進電機伺服控制產(chǎn)品 ,僅針對某一具體型號步進電機進行驅(qū)動 ,驅(qū)動方法相對死板 ,單一 ,而選用 L297 與 L298N 芯片配合驅(qū)動步進電動機 ,可實現(xiàn)兩相或四相步進電機的驅(qū)動工作。 在數(shù)控機床中 ,機械零件的加工過程 ,一直存在加工精度不高 ,儀器的 穩(wěn)定性差等缺點 ,使得加工零件存在一定殘次品 ,給數(shù)控企業(yè)帶了經(jīng)濟損失 ,通過釆用步進電動機伺服系統(tǒng)對零件的加工精度 ,加工位移的準確控制 ,可以有效提高機床零件的加工精度和加工零件表面質(zhì)量 ,為企業(yè)挽回相應(yīng)的損失。 2),選用 C 語言完成對伺服系統(tǒng)各功能模塊相應(yīng)的程序的編寫 ,具體有控制單元主程序、驅(qū)動信號的輸出、鍵盤顯示模塊的輸入輸出及外部中斷等。 三、 主要研究（設(shè)計）方法論述： 42BYGH101 是屬于兩相四線混合式步進電機 ,根據(jù)其工作原理和驅(qū)動要求 ,選擇了開環(huán)控制方式的雙電壓極性驅(qū)動。步進電機伺服控制器采用雙電壓極性驅(qū)動 ,可以有效提高電機繞組的利用率 ,且能夠增加電機的輸出轉(zhuǎn)矩 ,使得兩相混合式步進電機的性能得到充分發(fā)揮 。但是在實際運行過程中 , 由于啟動和停止控制不當?shù)仍?, 步進電機會出現(xiàn)啟動時抖動和停止時過沖的現(xiàn)象 , 影響了控制精度 , 尤其是在步進電機工作頻繁啟動和停止時 , 這種現(xiàn)象就更為明顯。文章設(shè)計了以單片機為控制核心的步進電機控制器，并給出了詳細的設(shè) 計過程，包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。 關(guān)鍵詞： 單片機 。 轉(zhuǎn)速控制 常州信息職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院 畢業(yè)設(shè)計 2 Abstract Stepper motor with strong ability of rapid startup accuracy, high speed characteristic such as easy to control, in industrial process control and instrumentation, and other fields has been more and more widely used. But in actual operation process, because the reason such as improper control of start and stop, step electric opportunity starts shaking and stops the phenomenon of overshoot, influence the control accuracy, especially in the stepper motor work frequent start and stop, this kind of phenomenon is more obvious. Therefore motor speed control is a very important in the motion control system control link, its performance and performance of motion control system plays an important role. In this paper, the design with the single chip processor as the core of stepping motor controller, and gives the detailed design process, including hardware design and software design. In order to verify the correctness and effectiveness of the designed controller, this paper gives the experimental results, and experimental results are in conformity with the expected effect. Keywords: Single chip microputer。 Speed control 常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設(shè)計論文 3 第一章 前言 步進電動機作為一種 機電一體化執(zhí)行元件 ,在諸多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用 ,如機器人、數(shù)控機床、激光加工、大規(guī)模集成電路制造、辦公自動化設(shè)備等等。步進電動機的運行特性 ,不僅與步進電動機本身的特性和負載有關(guān) ,而且與配套使用的驅(qū)動電源 (即驅(qū)動電路 )有著十分密切的關(guān)系。 步進電機伺服系統(tǒng) ,是指用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的控制系統(tǒng)。當步進電機的本體確定后 ,系統(tǒng)的性能主要取決于驅(qū)動器及控制器的優(yōu)劣。 步進電動機的簡介 步進電動機作為一種控制用的特種類型的電機 ,可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的線位移量或角位移量來實現(xiàn)相應(yīng)的運轉(zhuǎn)。 圖 永磁式步進電動機結(jié)構(gòu)圖 如圖 ,永磁式步進電動機由 N極、 S極相間的永磁體構(gòu)成。永磁式步進電動機的步距角范圍相對較寬泛 ,在7. 5度 ~18度之間。反應(yīng)式步進電動機一般具有很大的噪聲。 步進電動機 混合式步進電動機結(jié)構(gòu)圖如圖 ,混合式步進電動機既具有反應(yīng)式步進常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設(shè)計論文 4 電動機的優(yōu)點 ,又具有永磁式步進電動機的優(yōu)點 ,因而功能十分強大 ,應(yīng)用相當廣泛。其中 ,兩相式及五相式步進電動機應(yīng)用較多 ,而兩相混合式步進電動機具有零電流定位轉(zhuǎn)矩的特性 ,更是倍受大家的青睞。 圖 混合式步進電動機的結(jié)構(gòu)圖 步進電機伺服控制的研究現(xiàn)狀 國外步進電機伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 世界上第一個伺服系統(tǒng)是由美國麻省理工學院輻射實驗室于 1944年研制成功的火炮自動跟蹤目標伺服系統(tǒng)。 在 20世紀 60年代初期 ,步進電機主要采用液壓伺服系統(tǒng) ,運用在數(shù)控機床方面。但由于液壓伺服系統(tǒng)存在著發(fā)熱量大、效率低、污染環(huán)境和不便于維修等缺 點 ,因此逐漸被步進電動機和新型伺服電機所代替。但由于該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復雜且可靠性差 ,經(jīng)過很短時間后就被其它伺服系統(tǒng)所取代。這種電動機的峰值扭矩可以達到額定扭矩的 10~15倍。 常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設(shè)計論文 5 20世紀 90年代 ,在經(jīng)濟型定位系統(tǒng)改造及機器人等定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 ,有三分之二以上采用的是步進電機作為伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。因此 ,如何改善電機的控制方法以提高定位系統(tǒng)的定位精度 ,成為提高伺服系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。主要優(yōu)勢是運算速度快 ,系統(tǒng)的加速性能好 ,從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒 ,適用于快速起停場合。 國內(nèi)步進電機伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 與國外的伺服控制系統(tǒng)相比較 ,中國對伺服控制系統(tǒng)的研發(fā)較晚些 .,20世紀60年代之前 ,中國早期的伺服控制系統(tǒng)所使用的伺服控制系統(tǒng)產(chǎn)品均從國外進口而來 ,對于伺服控制技術(shù)方面 ,呈現(xiàn)一片空白的局面。該公司自行研發(fā)生產(chǎn)的 132KW的大功率伺服控制器 ,國產(chǎn)品牌中遙遙領(lǐng)先。但由于產(chǎn)品可靠性差等方面的原因 ,制約著中國伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用 ,從而影響伺服控制系統(tǒng)的大量推廣 。 20世紀 90年代至今 ,中國不斷組織伺服控制技術(shù)的研討會 ,一此民營高科技公司也為發(fā)展我國伺服控制技術(shù)注入了新的活力 ,其中以北京中寶倫自動化技術(shù)有限公司的 PDC系統(tǒng)直流伺服控制系統(tǒng)為代表產(chǎn)品 ,其采用了最新一代的功率器件IPM. PWM控制 ,調(diào)制頻率達到 15kHz,伺服控制水平顯著提高 ,有效地彌補了之前產(chǎn)品的一些缺陷與不足。伺服產(chǎn)品未來將向著更高定位精度、驅(qū)動裝置更高效的方向發(fā)展 ,以適應(yīng)現(xiàn)代控制策略的發(fā)展方向。而選用單片機作為控制器 ,極大的降低了系統(tǒng)成本 ,且可靠性高 ,控制靈活。此種驅(qū)動方法相對靈活許多 ,且驅(qū)動器成本低廉。 Proteus軟件環(huán)境下 ,繪制步進電機伺服控制器的硬件電路原理圖 。 Proteus及 Keil軟件進行聯(lián)合仿真 ,并調(diào)試及驗證程序的正確性 。 ,完成硬件實物的制作。 步距角即為步進電動機通入電信號后 ,電動機轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度值。 用最大步距誤差或最大累積誤 差來說明精度的準確程度最大步距誤差即當電 動機轉(zhuǎn)動一圈完成后 ,每相鄰兩步之間產(chǎn)生的最大步距角度與理想步距的差值。 作為步進電動機的主要技術(shù)指標 ,轉(zhuǎn)矩分為定位轉(zhuǎn)矩、靜轉(zhuǎn)矩等。一般狀態(tài)下 ,反應(yīng)式步進電動機 定位轉(zhuǎn)矩為 0,混合式步進電動機具有一定的定位轉(zhuǎn)矩值。響應(yīng)頻率也可以用啟動頻率來進行表示。 兩相混合式步進電機的結(jié)構(gòu) 兩相混合式步進電動機剖面圖如圖 所示。兩相混合式步進電動機有 A 和 B 兩相控制繞組 ,在電動機上 ,轉(zhuǎn)子分為兩段 ,即 N極轉(zhuǎn)子和 S 極轉(zhuǎn)子 ,在磁場的作用下 ,通過軸向上的永久磁鐵 ,轉(zhuǎn)子與定子進行相互作用 ,實現(xiàn)電動機的 JH 常 運轉(zhuǎn)。兩相混合式步進電動機的步距角為 度。 兩相混合式步進電動機有 A和 B兩相控制繞組 ,用 A與 B表示兩相繞組通入正向電流 ,用 A39。表示兩相繞組通入反向電 流。 一 B39。 一 A39。 一 B39。當定子各相控制繞組按照 A — B — A39。 一 A 順序通電 ,每改變一次通電狀態(tài) ,轉(zhuǎn)子沿方向轉(zhuǎn)過四分之一齒距 ,即 360/(50X4)= 度。 兩相混合式步進電機的樣機簡介 本研究選用 42BYGH101 型號的兩相永磁感應(yīng)子式步進電動機作為系統(tǒng) 的主要執(zhí)行元件。此種步進電動機由定子及轉(zhuǎn)子組成。兩相永磁感應(yīng)子式步進電動機的參數(shù)信息如表 所示。 常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設(shè)計論文 10 圖 42BYGH101 型步進電機外觀圖 表 42BYGm01 型步進電機參數(shù) 步距角 相數(shù) 電壓 /V 電流 /A 功率 /V 靜轉(zhuǎn)矩 / 定位轉(zhuǎn)矩 控制 原理及控制系統(tǒng)分類 控制原理及應(yīng)用 伺服控制系 ?統(tǒng)是以位置、速度等為控制參數(shù)的系統(tǒng) ,是一種能夠跟蹤輸入給定信號并產(chǎn)生動作 ,從而獲得準確的位置、速度等輸出的自動控制系統(tǒng)。液壓伺服系統(tǒng)是以液壓伺服閥作為核心元件 ,實現(xiàn)以小功率的電信號輸入 ,控制大功率的液壓能輸出的過程。電氣伺服系統(tǒng)是以伺服電機、反饋裝置和控制器組成的控制系統(tǒng)。直到八十年代的時候 ,伺服控制系統(tǒng)掀 了薪新的一頁 ,技術(shù)方面有了較大的突破 ,氣動伺服系統(tǒng)已經(jīng)替代