毕业设计论文基于单片机控制的步进电机设计.doc

毕业设计（论文）基于单片机控制的步进电机设计 第一章 前言 11步进电机简介 步进电机最早是在1920年由英国人所开发1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上这对于数字化的控制变得更为容易以后经过不断改良使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度高分解性能高响应性信赖性等灵活控制性高的机械系统中在生产过程中要求自动化省人力效率高的机器中我们很容易发现步进电机的踪迹尤其以重视速度位置控制需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多步进电机作为执行元件是机电一体化的关键产品之一 广泛应用在各种自动化控制系统中随着微电子和计算机技术的发展步进电机的需求量与日俱增在各个国民经济领域都有应用步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件步进电机可以直接用数字信号驱动使用非常方便一般电动机都是连续转动的而步进电动机则有定位和运转两种基本状态当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动每给它一个脉冲信号它就转过一定的角度步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比在时间上与输入脉冲同步因此只要控制输入脉冲的数量频率及电动机绕组通电的相序便可获得所需的转角转速及转动方向在没有脉冲输入时在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态因此非常适合于单片机控制步进电机还具有快速启动精确步进和定位等特点因而在数控机床绘图仪打印机以及光学仪器中得到广泛的应用步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机传统电动机作为机电能量转换装置在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用步进电机可以作为一种控制用的特种电机利用其没有积累误差 精度为100 的特点广泛应用于各种开环控制转子均匀分布着小齿定子齿有三个励磁绕阻其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开013て23て相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示即A与齿1相对齐B与齿2向右错开13てC与齿3向右错开23てA与齿5相对齐A就是A齿5就是齿1下面是定转子的展开图  图21 2．1．2 步进电机的旋转 如A相通电BC相不通电时由于磁场作用齿1与A对齐转子不受任何力以下均同 如B相通电AC相不通电时齿2应与B对齐此时转子向右移过13て此时齿3与C偏移为13て齿4与A偏移て-13て 23て 如C相通电AB相不通电齿3应与C对齐此时转子又向右移过13て此时齿4与A偏移为13て对齐 如A相通电BC相不通电齿4与A对齐转子又向右移过13て这样经过ABCA分别通电状态齿4即齿1前一齿移到A相电机转子向右转过一个齿距如果不断地按ABCA通电电机就每步每脉冲13て向右旋转如按ACBA通电电机就反转 由此可见电机的位置和速度由导电次数脉冲数和频率成一一对应关系而方向由导电顺序决定 不过出于对力矩平稳噪音及减少角度等方面考虑往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态这样将原来每步13て改变为16て甚至于通过二相电流不同的组合使其13て变为112て124て这就是电机细分驱动的基本理论依据不难推出电机定子上有m相励磁绕阻其轴线分别与转子齿轴线偏移1m2m m-1 m1并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机出于成本等多方面考虑市场上一般以二三四五相为多  图23 脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度系统可用两种办法实现步进电机的速度控制一种是延时一种是定时延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序待延时结束后再次执行换向这样周而复始就可发出一定频率的CP脉冲或换向周期延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和就是CP脉冲的周期该方法简单占用资源少全部由软件实现调用不同的子程序可以实现不同速度的运行但占用CPU时间长不能在运行时处理其他工作因此只适合较简单的控制过程定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号从而可方便的控制系统输出CP脉冲的周期 2驱动方式的确定 步进电机的驱动一般有两种方法一种是通过CPU直接来驱动这种方法一般不宜采用因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动别一种是通过CPU来间接驱动就是把从CPU输出的信号进行放大然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机这种方法比较安全可靠固本次设计应采用CPU间接驱动步进电机用编码器的测速发电机作为转速测量工具因为选择了闭环控制就必须有反馈元件反馈元件一般有两种一种是采用同轴的测速发电机把步进电机的转速反馈回来然后通过显示器显示出来并对步进电机进行调节别一种是通过光同轴的电编码器把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调节两者相比后者的设计比较简单价格便宜安全可靠污染少固一般采用后者用光电骗码器作