毕业论文-基于单片机的步进电机控制

毕业论文-基于单片机的步进电机控制内容摘要：

好第 2 个脉冲到来，转子受到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆，接着第 3 个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点，这样，转子经过 3 个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了三步。 当步进电机工作在高频率区时，由于换相周期短，转子来不及反冲，同时，绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个工作区中不会产生振荡。 减少步距角可 以减少振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。 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，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。 阻尼方法 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。 毕业论文 7 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： 步进电机在高频和在低频时转子所获得的能量不一样，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，这样使绕组在低频时的电流减少，可以有效地消除振荡。 3. 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。 4. 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。 第 三 章 步进电机的驱动 步进电动机 不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机 驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。 驱动单元与 步进电动机 直接耦合，也可理解成 步进电动机 微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。 单电压功率驱动接口 单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电，它的特点是电路最简单。 步进电机使用脉冲电源工作，脉冲电源的获得可通过下图说明，开关管 T是按照控制脉冲的规律 “开 ”和 “关 ”，使直流电源以脉冲方式向绕组 L 供电，这一过程我们称为步进电机的驱动。 实用电路如下图所示。 在电机绕组回路中串有电阻 Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。 一般情况下，简单单电压驱动线路中， Rs 是不可缺少的。 Rs 对 步进电动机 单步响应的改善如图 所示： 毕业论文 8 图 单电压功率驱动接口 电路图 在 图 中 ，电路中只有一个电源 V，电路中的限流电阻 R1 决定了时间常数，但 R1 太大会使绕组供电电流减小。 这一矛盾不能解决时，会使电动机的高频性能下降，可在 R1 两端并联一个电容，以使电流的上升波形变陡，来改善高频特性，但这样做又使低频性能变差。 R1 在工作中腰消耗一定的能量，所以这个电路损耗大，效率低，一般只用于小功率步进电机的驱动。 双电压功率驱动接口 用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样就产生了双电压驱动。 双电压驱动有两种工作方式：双电压法和高低压法。 双电压驱动的基本思路是 在较低（低频段）用较低的电压 UL 驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压 UH 驱动。 这种功率接口需要两个控制信号，Uh 为高压有效控制信号， U 为脉冲调宽驱动控制信号。 图 中，功率管 TH和二极管 DL 构成电源转换电路。 当 Uh 低电平， TH 关断， DL正偏置，低电压 UL 对绕组供电。 反之 Uh 高电平， TH 导通， DL反偏，高电压 UH 对绕组供电。 这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。 其电路图如下所示： 毕业论文 9 图 双电压功率驱动接口 电路 虽然这方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好的高频特性，但仍没有摆脱单电压驱动的弱点，在限流电阻 R 上仍然会产生损耗和发热。 高低压功率驱动接口 高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压 UH 供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压 UL 来维持绕组的电流。 这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻 Rs，消除了附加损耗。 高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号 Uh 和 Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，高压管 VTH 的导通时间 tl 不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。 一 般可取 1~3ms。 （当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。 高低压驱动电路如下图所示： 图 高低 压驱动接口 电路图 高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法，由于这种驱动在低频时电流有较大的上冲，电动机低频噪声较大，低频共振现象存在，使用时要注意。 毕业论文 10 第 四 章 步进电机的单片机控制 步进电机控制系统组成 图 用微型机控制步进电机原理系统图 与传统步进控制器相比较有以下优点： 1. 用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。 2. 只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。 3. 根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。 步进电机控制系统原理 脉冲序列的生成 图 脉冲的生成 脉冲幅值 ： 由数字元件电平决定。 毕业论文 11 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。 方向控制 步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。 三相六拍，通电顺序为 : 正转 : AABBBCCCA 反转 : AACCCBBBA 改变通电顺序可以改变步进电机的转向 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 通过软件实现脉冲分配 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，下面以三相六拍为例 上面提到了 三相六拍工作方式通电换相得正序为 AABBBCCCAA,，反序为 AACCCBBBAA 图 用软件实现脉冲分配的接口示意图 注： ： A 相驱动 ： B 相驱动 ： C 相驱动 三相六拍控制字如下表所示： 表 三相六拍工作方式的控制字 通电状态 控制字 毕业论文 12 A 0 0 1 01H AB 0 1 1 03H B 0 1 0 02H BC 1 1 0 06H C 1 0 0 04H CA 1 0 1 05H 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 10 个控制字送到 P1 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。 软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的 CPU时间，可能使单片机无法同时进行其他工作（如监测等），所以，人们更喜欢用硬件法。 通过硬件实现脉冲分配 所谓硬件法实际上就是使用脉冲分配器 8713，来进行通电换相控制。 8713 是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电机，我们选择的是三相六拍工作方式。 8713 可以选择单时钟输入或双时钟输入，具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监视等功能，所有输入端内部都设有斯密特整形电路，提高抗干扰能力，使用 4~18V 直流电源，输出电流为 20mA。 本例选用单时钟输入方式， 8713 的 3 脚为步进脉冲输入端， 4 脚为转向控制端，这两个引脚的输入均由单片机提供和控制。