步进电机控制系统设计.docx

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1、文理学院芙蓉学院课程设计报告课程名称：专业综合课程设计专业班级：自动化Iool班学号：40学生：M指导教师：建英完成时间：完成年6月13日报告成绩：评阅意见:评阅教师目期20136芙蓉学院教学工作部制摘要本文先介绍了混合式步进电机的结构和工作原理,分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用，论述了正弦波细分驱动可以实现等步距角、等力矩均匀细分驱动的原理,提出了一种基于H桥和其他分立元件分配脉冲的驱动技术,该方案可实现步进电机的单拍、半拍、双拍三种工作方式.本文采用限制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、液晶显示电路组成,单片机是限制系统的核心.文中对整个系统的架构及

2、硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍.关键词：单片机；正弦脉宽调制；混合式步进电机；细分驱动AbstractInthispaper,theworkingprincipleandconfigurationofthree-phasehybridStepperareintroduced,thenbasedontechnologiessuchassteppermotorcontroller,PWMinverterandmicrocontroller.Inthethesis,wedevelopasinglechipcomputer-baseddigitalcontrollingsystemforat

3、hree-phasehybridsteppermotorthatismainlyconstructedfromaAT89C51singlechipcomputerandST7920ICwhichisusedasthecoreofcontrolparts.Thesystem,swholearchitecture,thedesignofhardwareandsoftwareareintroducedindetail.KEYWORDS:Microcontroller,SPWM,Hiricisteppermotor,Micro-steppingdriver一、绪论11.1 步进电机概述11.2 步进电

4、机的特征11.3 步进电机驱动系统概述21.4 课题研究的主要容2二步进电机驱动系统的方案论证32.1 步进电机驱动系统简介32.2 步进电机驱动器的特点32.3 3混合式步进电机的驱动电路分类和性能比拟42.3.1双极性驱动器与单极性驱动器42.3.2单电压驱动方式62.3.3上下压驱动方式72. 3.4斩波恒流驱动82.4方案确实定8三混合式步进电动机驱动限制系统硬件设计83. 1单片机最小系统93.2 红外遥控电路103 .2.1红外发射电路104 .2.2红外接收电路123.3 LCD显示电路123.4 双机通讯143.5 步进电机驱动局部141 .5.1单极性步进电机驱动143 .5

5、.2双极性步进电机驱动153.6 电源电路16四软件设计184. 1主机LCD显示菜单程序184. 2双机通讯程序194.3下位机步进电机驱动程序21五驱动器试验结果225. 1概述226. 2试验容和结论22六总结23七致24八参考文献25九附录26题目名步进电机驱动及限制电路的设计一、绪论1.1 步进电机概述步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统.当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角).脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多；输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快.因

6、此可以通过限制脉冲个数来限制角位移量,从而到达准确定位的目的；同时可以通过限制脉冲频率来限制电机转动的速度，从而到达调速的目的.步进电机种类,根据自身的结构不同,可分为常用三大类：反响式(VR,也称磁阻式)、永磁式(PM),混合式(HB).其中混合式步进电机兼有反响式和永磁式的优点,它的应用越来越广泛.1.2 步进电机的特征步进电机具有自身的特点,归纳起来有：(1)位置及速度限制简便：步进电机在输入脉冲信号时,可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活的角度限制(位置限制).由于速度和输入脉冲的频率成正比,运转速度可在相当宽围平滑调节.(2)可以直接进行开环限制：由于步距误差不长期累积,可

7、以不需要速度传感器以及位置传感器,就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环限制系统.(3)高可靠性：不使用电刷，电机的寿命长,仅取决于轴承的寿命.1.3 步进电机驱动系统概述步进电机的工作必须使用专用设备一步进电机驱动器.驱动器针对每一个步进脉冲,按一定的规律向电机各相绕组通电(励磁)，以产生必要的转矩,驱动转子运动.步进电机、驱动器和限制器构成了不可分割的3大局部.步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外,在很大程度上取决于驱动器性能的优劣.当电机和负载己经确定之后,整个驱动系统的性能就完全取决于驱动限制方法.步进电机驱动方式的开展先后有单电压驱动、上下压驱动、斩波恒流驱动等.

8、(1)单电压驱动：主要特点是结构简单、本钱低,通常在绕组回路中串接电阻，以改善电路的时间常数来提升电机的高频特性.缺点是串接电阻将产生大量的热,对驱动器的正常工作极其不利,尤其是在高频工作时更加严重,因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动.(2)上下压驱动：电机每相绕组导通时,首先施加高电压,使电流快速上升，当电流上升到额定值时,将高电压切断，回路电流以低电压电源维持.这种方式由于电流波形得到了很大改善，电机的矩频特性较好,起动和运行频率得到了较大提升.但由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响易使电流波形的顶部呈凹形,致使电机的输出转矩有所下降且需要双电源供电.(3)斩波恒流

9、驱动：为了弥补上下压驱动电路中电流波形的下凹,提升输出转矩，人们研制出斩波电路,采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动,流过绕组的有效电流相应增加,故电机的输出转矩增大,而且不需外接电阻,整个系统的功耗下降,效率较高,因而斩波恒流驱动应用相当广泛.1. 4课题研究的主要容本课题以设计一套基于单片机和步进电机细分限制技术的步进电机驱动器为主要目标,主要容有：(1)采用正弦脉宽调制技术、电流跟踪技术和细分技术实现对电机相电流的控制，以克服传统驱动技术下步进电机低速振动、存在共振现象、噪音大、高速转矩小等缺点.(2) 用开关电源为驱动器部电路供电,减小驱动器的体积和重量,提升电源效率.(3)

10、驱动器的采用分立元件组成单电压驱动来驱动单极性步进电机用H桥驱动双极性步进电机,因此只用一路电源,使系统设计极为简化.(4)限制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及液晶显示芯片ST7920,单片机是限制系统的核心.采用了单排6键的键盘、液晶显示芯片ST7920,该芯片能自动完成对显示的刷新，自带有中文字库,使用非常方便.双机通讯电路,该电路能大大节省主机CPU的开销,提升了可靠性和电路的工作效率.二步进电机驱动系统的方案论证2.1 步进电机驱动系统简介步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备一步进电机驱动器.步进电机驱动系统的性能,

11、除与电机本身的性能有关外,也在很大程度上取决于驱动器的优劣.典型的步进电机驱动系统是由步进电机限制器、步进电机驱动器和步进电机本体三局部组成.步进电机限制器发出步进脉冲和方向信号,每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步.步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的上下.限制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转.通常,步进电机驱动器由逻辑限制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成.步进电机驱动器一旦接收到来自限制器的方向信号和步进脉冲，限制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号.限制电路输出的信号功

12、率很低,不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大,这就是步进电机驱动器的功率驱动局部.功率驱动电路向步进电机限制绕组输入电流,使其励磁形成空间旋转磁场,驱动转子运动.保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行.2.2 步进电机驱动器的特点步进电机的驱动特点主要表达在以下几个方面：(1)各相绕组都是开关工作.多数电机绕组都是连续的交流或直流供电,而步进电机各相绕组都是脉冲式供电,所以绕组电流不是连续的而是断续的.(2)步进电机各相绕组都是在铁心上的线圈,所以都有比拟大的电感.绕组通电时，电流上升受到限制，因此影响电机绕组电流的大小.(3)绕组断电时，电感中磁场的储能

13、将维持绕组中已有的电流不能突变,结果使应该电流截止的相不能立即截止.为使电流尽快衰减,必须设计适当的续流回路.绕组导通和截止过程都会产生较大的反电势,而截止时的反电势将对驱动器功率器件的平安产生十分有害的影响，使整个系统的使用受到影响.(4)电机运行时在各相绕组中将产生旋转电势,这些电势的方向和大小将对绕组电流产生很大的影响.由于旋转电势根本上与电机转速成正比,转速越高，电势越大，绕组电流越小,从而使电机输出转矩随着转速升高而下降.2.3 混合式步进电机的驱动电路分类和性能比拟与反响式和永磁式相比,混合式步进电机运行特性具有很多优点,在国外已是步进电机系列的主流.混合式步进电机的驱动技术在开展

14、和成熟的过程中出现过各种各样的驱动电路拓扑结构和驱动方式.根据主电路结构的不同可分为单极性驱动、双极性驱动、全H桥和多相桥驱动；根据驱动方式的不同又可分为单电压驱动、上下压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动、电流细分驱动等.2.3.1 双极性驱动器与单极性驱动器混合式步进电机要求双极性供电，也就是要求电机励磁绕组有时通正向电流,有时通反向电流.在步进电机开展的初期，电子技术开展水平有限,为了简化驱动电路，采用单极性电路.将电机绕组采取双线并绕,一相绕组分成二相，其中之二正向通电，另一那么反向通电,这样可单极性供电而到达正、反向励磁的目的(图1).最简单的两相电机单极性驱动电路，只要用四个功率开关

15、管,结构简单,本钱低，电机的绕组在同一时间只能有一半通电，因此绕组的电感小,有利于电机的高速性能；缺点是每次只使用了绕组的一半，中低速运行时转矩不如整个绕组励磁的电机.而且电机引线过多，两相电机需要六个引出端,三相电机需要9个引出端,五相电机那么需要15个引出端,使得单极性驱动器与三、五相电机之间连线太复杂，因此仅用于两相混合式步进电机.图1单极性驱动电路随着电子技术的开展，电子元器件价格的降低,双极性驱动电路的实现变得容易，本钱也增加不多，因此现在绝大多数混合式步进电机使用双极性驱动.对电机绕组双向供电的典型结构是H桥式电路,如图2所示.当开关管T1,T4导通、12,13截止时，电流经T1、电机绕组和T4到地；Tl,14截止、T2,T3导通时，电流经T3、电机绕组和T2到地；可见电流方向相反.D1,D2,D3和D4四个二极管组成续流回路.电机每一相绕组需四只开关管驱动,驱动器本钱比拟高.电机的相数增多时,H桥式电路需要功率管数多的缺点较为突出例如五相电机就需要20只功率管.图2 H桥驱动电路多相桥式电路,也叫多相半桥电路,这种电路比H桥减少了一半的晶体管,降低了驱动器的本钱、体积和发热.采用多相桥式电路时，电机相绕组间通常为星形或多边形联接，图3是三相混合式步进电机绕组二种联接的例子.星形接法时,