基于单片机控制步进电机_课程设计说明书(编辑修改稿)

基于单片机控制步进电机_课程设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

9. 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。 10. 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。 11. 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。 如打印机，绘图仪、数控机床切割。 伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 步进电机的综述 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（ VR）、永磁式步进电机（ PM）、混合式步进电机（ HB）和单相式步进电机等。 反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 度，但噪声和振动都很大。 反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩，但动态性能相对较差。 永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。 用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。 一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 度 或 15 度。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。 它又分为两相和五相：两相步进角一般为 度而五相步进角一般为 度。 这种步进电机的应用最为广泛，它是 PM 和 VR 的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。 此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。 课 程 设 计 用 纸 第 4 页 步进电机的工作原理 本次设计是采用步进电机 28BYJ48 型四相八拍电机，电压为 DC5V— DC12V。 当对步进电机施加一系列连 续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。 每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。 当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。 四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的 工作方式（四相） 1. 单四拍：通电顺序为： A→ B→ C→ D； 2. 双四拍：通电顺序为： AB→ BC→ CD→ DA； 3. 四相八拍：通电顺序为： A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA； 步进电机线圈如图 11所示 ： 图 11 步进电机线圈 图 步进电机的常用术语 齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。 θ z =2π /Z (Z 是转子的齿数 ) 步距角：指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。 θ b=θ z/N = 2π /NZ (N 是工作拍数， Z是转子的齿数 ) 步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。 用百分比表示：误差 /步距角 *100%。 不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。 失调角：指转子偏离零位的角度。 转子齿轴线偏 移定子齿轴线的角度，电机转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在 课 程 设 计 用 纸 第 5 页 不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 响应频率：在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。 运行频率：指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。 步进电机的震荡和失步 步进电机的 振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运行，因此要尽力去避免。 （ 1） 振荡 步进电机的低频振荡是由于电机的转子达到稳定平衡位置时具有多余的动能。 这种能量越大，振荡的趋势越利害，当控制脉冲的频率等于自由振荡的频率时，就发生低频振荡，或称之为低频共振。 低频振荡是步进电机系统的固有的缺点。 在振荡区，主要表现是步进电机的运动不平稳，振荡加剧，噪音增大，力矩下降，严重的甚至失步。 减少步距角可以减少振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。 消除振荡是通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼法和电子阻尼法两大 类。 其中机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器，电子阻尼法则有多种。 1. 多相励磁法：采用多相励磁会产生电磁阻尼，会削弱或消除振荡现象。 2. 变频变压法：步进电机在在低频时绕组中的电流上升时间长，转子获得的能量大，因此容易产生振荡，在高频时则相反。 所以，可以设计一种电路，使电压随频率的降低而减少，可以有效地消除振荡。 2. 细分步法：细分步法是将步进电机绕组中的稳定电流分成若干阶段，每进一步时，电流升一级。 同时，也相对地提高步进频率，使步进过程平稳进行。 3. 反相阻尼法：这种方法用于步进电 机制动，在步进电机转子要过平衡点之前，加一个反向作用力去平衡惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实现准确制动 （ 2） 失步 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。 步进电机失步的原因有 2 种 : 1. 转子的转速慢于旋转磁场的速度（或者说慢于换相速度）。 例如，步进电机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。 因此， 课 程 设 计 用 纸 第 6 页 步进电动机有一个启动频率启动时，肯定会产生失步。 注意，启动频率不是一个固定值，提高 电动机的转矩、减少负载转动惯量、减少步距角都可以提高步进电机的启动频率。 2. 转子的平均速度大于旋转磁场的速度。 这主要发生在制动和突然换向时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。 步进电机的控制方式 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。 延时方法是在每次按键之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次送控制字，这样周而复始就可发出一定频率的 CP 脉冲。 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和不同方向的运行。 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。 当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。 （ 1） 脉冲序列的生成 如图 12 所示： 图 12 脉冲序列的生成图 脉冲幅值：由数字元件电平决定。 TTL 0 ～ 5V CMOS 0 ～ 10V 接通和断开时间可用延时的办法控制。 要求：确保步进到位。 课 程 设 计 用 纸 第 7 页 （ 2） 脉冲分配 实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法。 本次设计采用软件法。 软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的 IO 向驱动电路发出控制脉冲。 四相八拍控制字如下表所示： 四相八拍控制字如表 13所示： 表 13 四相八拍控制字 注： 0 代表使绕组断电， 1 代表使绕组通电 在程序中，只要依次将这 8 个控制字送到 P2 口，步进电机就会转动一个齿距角，每送一个控制字，就完 成一拍，步进电机转过一个步距角。 （ 3） 方向控制 步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。 四相八拍，通电顺序为 : 正转 : A → AB → B → BC → C → C D → D → DA 反转 : A → A D → D → DC → C → C B → B → BA 改变通电顺序可以改变步进电机的转向。 课 程 设 计 用 纸 第 8 页 第 2 章 硬件电路设计 硬件的设计与选择 步进电机的驱动 步进电机的驱动采用 ULN2020，接到单片机的 ~，具体如图 21 所示 ： 图 21 步进电机驱动及其接口图 参数： 模块配置 ： 7 NPN 电压 ： Vceo:50V 集电极直流电流 ： 500mA 课 程 设 计 用 纸 第 9 页 直流电流增。