端子压线机步进控制系统设计【通过答辩毕业论文+CAD图纸】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 端子压线机步进控制系统设计 关键词 ： 步进电机 单片机 调速系统 论文摘要 :步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点 ， 使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现 的。 因为 每给一个脉冲 步进电机 就转动一个固定的角度，这样 就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率， 以 延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。在本设计方案中采用 同时通过编程决定脉冲发生个数来实现位置的精确定位 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 前 言 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、 快速响应性 等 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 在 重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的控 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 ， 单片 机是步进电机控制器的理想选择之一 。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， 由于 其没有 累 积 误差的特点， 现已 广泛应用于各种开环控制 系统中 。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机 等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 5度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 ，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子 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。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 。这种步进电机的应用最为广泛， 但 本次细分驱动方案选用 两相混合式 步进电机 就可以达到系统的各项性能指标要求 。 第 1 章 步进电机概述 1） 一般步进电机的精度为步进角的 3且不累积。 2） 步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取 决于不同电机磁性材 料的退磁点 。 一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130度以上，有的甚至高达摄氏 200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80 3） 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动 势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率 的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 4） 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。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲 频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率 较低，然后按一定加速度升到所希望的高频 。 制 原理 步进电机是一种用电脉冲进行控制 ,将电脉冲信号转换 成角 位移的电机 ,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比 ,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度 。 脉冲的数量决定了旋转的总角度 ,脉冲的频率决定了电机运转的速度 。 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，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 进电机控制的基本原理 步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制 2 个方面。从结构上看 ,步进电机分为三相、四 相、 五相等类型 ,常用的则以三相为主。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍 3 种 ,下面具体加以阐述。 (1) 换相顺序的控制 步进电机通电换相这一过程称为脉冲分配。例如 ,三相步 进电机在单三拍的工作方式下 ,其各相的通电顺序为 A - B - C - A ,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A、 B、 C 相的通断。三相双三拍的通电顺序为 三相六拍的通电顺序为 A - B - C - A。 (2) 步进电机的转向控制 如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍 ,即 A - - C - A。如果按反序通电换相 ,即 C - C - B - A ,则电机就反转。其他方式情况类似。 (3) 步进电机的速度控制 如果给步进电机发一个控制脉冲 ,它就转一步 ,再发一个脉冲 ,它会再转一步。 2 个脉冲的间隔越短 ,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率 ,就可以对步进电机进行调速。 进电机的起停控制 步进电机由于其电气特性 ,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采 用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。 步进电机的加减速控制 在步进电机控制系统中 ,通过实验发现 ,如果信号变化太快 ,步进电机由于惯性跟不上电信号的变 化 ,这时就会产生堵转和丢步现象。所以 ,步进电机在启动时 ,必须有加速过程 ,在停止时必须有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线 ,步进电机买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 整个减速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机加减速过程的运行规律 ,能充分利用步进电机的有效转矩 ,快速响应性好 ,缩短加减速的时间 ,并可防止失步和过冲现象。 在一个实际的控制系统中 ,要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率” ,与此类似“ , 停止频率”是指系统控制信号突然关断 ,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应 ,有了这些数据 ,才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程由突跳频率加加速曲线组成 (减速过程反之 ) 。突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率 f 0 。步进电机的最高起动频率 (突跳频率 ) 一般为 0. 1 3 4 而最高运行频率则可以达到 N 102 超过最高起动频率的频率直接起动 ,会产生堵转和丢步的现象。较为理想的起动曲线应是按指数规律起动。但实际应用时对起动段的处理可采用按直线拟合的方法 ,即阶梯加速法。一般可按 2 种情况处理 : (1) 已知突跳频率 ,则按突跳频率分段起动 ,分段数 n = f/f 0 ; (2) 未知突跳频率 ,则按段拟合至给定的起动频率 ,每段频率的递增量 (也称阶梯频率 ) f = f/8 ,即采用 8 段拟合。在运行控制过程中 ,将起始的速度 (频率 ) 分为 n 分 ,作为阶梯频率 ,采 用阶梯加速法将速度连续升到所需要的速度 ,然后锁定 ,按预置的曲线运行 ,如图 1 所示。 图 1 步进电机运行过程中频率变化曲线 在一般的应用中 ,经过大量实践和反复验证 ,频率如按直线上升或下降 ,控制效果就可以满足常规的应用要求。 用单片机实现步进电机的加 /减速控制 ,实际上就是控制发脉冲的频率。加速时 ,使脉冲频率增高 ,减速时则相反。如果使用定时中断来控制电机的速度 ,加减速控制就不断改变定时器的初值。速度从 化 ,如果是线性增加 ,则按给定的斜率加 /减速 ;如果是突变 ,则按阶梯加速法处理。在此过程中要处理 好 2个问题 : (1) 速度转换时间应尽量短。为了缩短速度转换的时间 ,可以采用建立数据表的方法。结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率 ,就可以建立一个连续的数据表 ,并通过转换程序将其转换为定时初值表。通过不同阶段调用相应的定时初值 ,就可控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的 ,并不占用中断时间 ,保证电机的高速运行。 (2) 保证控制速度的精确性。要从一个速度准确达到另外一个速度 ,就要建立一个校验机制 ,以防超过或未达到所需速度。 步进电机的换向控制 步进电机换向时 ,一定要在电机减速停止或降 到突跳频率范围之内再换向 ,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第 1个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求要有一定的脉冲宽度买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 (一般不小于 5 s) 、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了减速换向加速 3 个过程。 1 3 1 步进电机的基本参数 1)空载启动频率 :即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率更低。 如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然 后一定加速度升到所希望的高频 。 2)电机固有步距角 ： 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如 86表示半步工作时为 、整步工作时为 ），这个步距角可以称之为 “ 电机固有步距角 ”， 它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 3)步进电机的相数 ： 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有 两 相、三相、四相、五相步进电 机。电 机相数不同 ， 其步距角也不同 ， 一般 两 、三相的为 、五相的为 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则 “ 相数 ” 将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 4)保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化 ，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 1 3 2 步进电机动态指标及术语 1)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。用百分数 表示：误差 /步距角 *100%。不同运行拍数其值 同 ， 四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。 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。 3)失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差， 采用细分驱动是不能解决的。 4)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，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 5)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。 6)运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩 频 特性 曲线 ，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 本依据。如下 图 1 图 1矩频率曲线 7)电机的共 振点 ： 步进电机均有固定的共振区域， 二 、四相感应 式步进电机的共振区一般在 180间（步距角 在 400距角为 。 电机驱动电压越高，电 机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然 。 为使电机输出 电磁转 矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的静力矩确定而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态流） 。平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性 越硬。如下图 1 图 1矩频率特性曲线 其中，曲线 3电流最大、或电压最高 ;曲线 1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压， 选 用小电感大电流的电机。 进电机分为三大类 1)反应式步进电机 ： 反应式步进 电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单， 其固有步 距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段 式两种类型 。 2)永磁式步进电机 ： 永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身 就 f 1 2 3 负载 力矩 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步进角比较大 。 它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小（相比反应式），但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。 3)混合式步进电机 ： 混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼 作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。 步进电机转子均匀分布着很多小齿，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 0、 1/3、 2/3 ,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即 相对齐， 向右错开 1/3， 向右错开 2/3 ，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如图 1 图 1 转 子展开图 电动机定子铁心和一般电机一样由硅钢片叠成，铁心内孔表面有开口槽。转子装有一个轴向磁化永磁体用以产生一个单向磁场。永磁体产生的磁通，在每一个气隙圆周上都是单方 向通过气隙的，这时作用在气隙中的磁势是同极性的，称为单极磁势。 转子包括两段，一段经永磁体磁化成 N 极，另一段磁化为 S 极，每段转子齿以一个齿距间隔均匀分布，但两段转子的齿相互错开 1/2 个转子齿 距。 其内外定转子结构如下图： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 片机 步进电机 调速原理 步进电机的调速一般是 通过 改变输入步进电机的脉冲的频率来实现 的。 因为 每给一个脉冲 步进电机 就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下 一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率， 以 延时的长短来具体控制步进 角变化 的 速 度 ，从而实现步进电的调速 ， 具体的延时时间可以通过软件来实现。 采用单片机对步进电机进行加减速控制 ,实际上就是改变输出脉冲的时间间隔 。单片机控制步进电机加减法运转可实现的方法有软件和硬件两种 。 软件方法指的是依靠延时程序来改 变脉冲输出的频率 ,其中延时的长短是动态的 ,软件法在电机控制中 , 要不停地产生控制脉冲 , 占用了大量的 间 ,使单片机无法同时进行其他工作 。 硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现的 ,在每次进入定时中断后 ,改变定时常数 ,从而升速时使脉冲频率逐渐增大 ,减速时使脉冲频率逐渐减小 ,这种方法占用 间较少 ,在各种单片机中都能实现 ,是一种比较实用的调速方法。 1 6 步进电机的驱动 步进电机不能直接接到工频交流电源或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电机驱动器，如图 2所示，它由脉冲发生 控制单元、功率驱动单元 、保护电路单元等组成。图中点划线所包围的两个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电机直接耦合，也可理解成步进电机微机控制 器的功率接口 。 步进电机驱动方式可分为单极性驱动、双极性驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升压升频驱动、集成功率驱动和细分驱动等，下面分别加以简单介绍。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 图 2 单电压功率驱动 实用电路如图 3所示，在电机绕组回路中串有电阻 电机回路时间常数减小，调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， （ b） 所示。 图 2 双电压驱动 双电压驱动的功率接口如图 4所示。双电压驱动的基本思路是在较低速 （低频段）时 用较低的电压 在高速（调频段）时用较高的电压 种功率接口需要两个控制信号， 中，功率管 电压之 高压 。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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 图 4 1 6 3 高低压驱动 高低压驱动的思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压 在前沿过后，用低电压 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 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 l，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，如图 5所示。图中，高压管 的导通时间不能太大，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这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。 图 、斩波恒流驱动 恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定 数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种 功率接口。图是斩波恒流驱动接口原理图。图中是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流不大时，和同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，被封锁 ，电源被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 生力矩。此时 电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，如图所示。 图 斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中是数字脉冲，是模拟信号 。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有 相应的集成功率模块可供采用。 升频升压功率驱动 为了进一步提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动接口。这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它的主回路实际上是一个开关稳压电源，得用频率 驱 动脉冲的频率转换成直流电平，并用此电平去控制开关稳压电源的输入 ，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。 集成功率驱动 目前已 有多种用于小功率步进电机的集成功率驱动接口电路可供选用。 芯片是 一种桥式驱动器，它设计成接受标准逻辑电平信号可用来驱动 感性负载。 桥可承受 电压，相电流高达 的逻辑电路使用电源，功放测验使用 桥发射极单独引出，以便接入电流取样电阻。等采用脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。它的内部结构如图所示。桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正反两个方向通电。特别适用于对二相或四相步进电机的驱动。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 图 细分驱动 细分驱动的基本思想是，每次切换脉冲时 ,只改变相应绕组中电流 的一部分 ,则电机的合成磁势也只旋转步距角的一部分 ,转子的每步运行也只有步距角的一部分。这里 ,绕组电流不是一个方波 ,而是阶梯波 ,额定电流是台阶式的投入或切除 ,电流分成多少个台阶 ,则转子就以同样的次数转过一个步距角。在国外 ,对于步进系统 ,主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器。但在国内 ,广大用户对“细分”还不是特别了解 ,有的只是认为 ,细分是为了提高精度 ,其实不然 ,细分主要是改善电机的运行性能。由于细分驱动器要精确控制电机的相电流 ,所以对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求 ,成本亦会较高。 图 给出了三相步进电机八细分时的各相电流状态。由于各相电流是以 1 4 的步距上升或下降的 ,原来一步所转过的角度将由八步完成 ,实现了步距角的八细分。由此可见 ,步进电机细分驱动的关键在于细分步进电机各相励磁绕组中的电流。 图 为了对步进电机的相电流进行控制 ,从而达到细分步进电机步距角的目的 ,人们曾设计了很多种步进电机的细分驱动电路。随着微型计算机的发展 ,特别是单片计算机的出现 ,为步进电机的细分驱动带来了便利。目前 ,步进电机细分驱动电路大多数都采用单片微机控制 ,它们的构成框图如图 所示。单片机根据要求的步距角计算出各相绕组中通过的电流值 ,并输出到数模转换器 (中 ,由 数字量转换为相应的模拟电压 ,经过环形分配器加到各相的功放电路上 ,控制功放电路给各相绕组通以相应的电流 ,来实现步进电机的细分。单片机控制的步进电机细分驱动电路根据买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 末级功放管的工作状态可分为放大型和开关型两种 (见下图 )。 图 放大型步进电机细分驱动电路中末级功放管的输出电流直接受单片机输出的控制电压控制 ,电路较简单 ,电流的控制精度也较高 ,但是由于末级功放管工作在放大状态 ,使功放管上的功耗较大 ,发热严重 ,容易引起晶体管的温漂 ,影响驱动电路的性能。甚至还可能由于晶体管的热击穿 ,使电路不能正 常工作。因此该驱动电路一般应用于驱动电流较小、控制精度较高、散热情况较好的场合。开关型步进电机细分驱动电路中的末级功放管工作在开关状态 ,从而使得晶体管上的功耗大大降低 ,克服了放大型细分电路中晶体管发热严重的问题。但电路较复杂 ,输出的电流有一定的波纹。因此该驱动电路一般用于输出力矩较大的步进电机的驱动。 图 随着大输出力矩步进电机的发展 ,开关型细分驱动电路近年来得到长足的发展。目前 ,最常用的开关型步进电机细分驱动电路有斩波式和脉宽调制 (式两种。斩波式细分驱动电路的基本工作原理是对电机绕组中的 电流进行检测 ,和 出的控制电压进行比较 ,若检测出的电流值大于控制电压 ,电路将使功放管截止 ,反之 ,使功放管导通。这样 ,出不同的控制电压 ,绕组中将流过不同的电流值。脉宽调制式细分驱动电路是把 出的控制电压加在脉宽调制电路的输入端 ,脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波 ,通过对功放管通断时间的控制 ,改变输出到电机绕组上的平均电流。由于电机绕组是一个感性负载 ,对电流有一定的波波作用 ,而且脉宽调制电路的调制频率较高 ,一般大于 20 因此 ,虽然是断续通电 ,但电机绕组中的电 流还是较平稳的。和斩波式细分动电路相比 ,脉宽调制式细分驱动电路的控制精度高 ,工作频率稳定 ,但线路较复杂。因此 ,脉宽调制式细分驱动电路多用于综合驱动性能要求较高的场合。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 第 2 章 本次设计的基本要求 1、具有 参数设置和显示功能 2、 系 统 应具有手动、自动两种运行模式 3、自 动运行模式时 ， 应 具有步 进 升速和降速、 运 行速度和步 进 脉冲 数 （ 运 行距离）参数设 置功能 4、手 动运行模式时 ， 应具 有 单步运行并有单步计数 功能 5、有 对应的步进电机驱动电路设计 6、有 对应的电源电路设计 第 3 章方案的论证 控制方式的确定 步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环 控制 系统中，控制系统的 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 换相 之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换 相 ，这样周而复始就可发出一定频率的 延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是 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 这种方法 占用 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 。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 相 子程序放在定时中 断服务程序中，定时中断一次，电机换 相 一次，从而实现电机的速度控制。由于从定时器装载完 成 重新启动开始至定时器申请中断 有一定的时间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误差，实现精确定时，要对重装的计数初值作适当的调整。 调整的重装初值主要考虑两个因素 ： 一是中断响应所需的时间 ； 二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值前中断服务程序重的其他指令 。综合这两个因素后，重装计数初值的修正量取 8个机器周期，即要使定时时间缩短 8个机器周期。用定时中断方式来控制电动机变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小。在控制过程中，采用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的 统在运行中用查表法查出所需的装载值，这样可大幅度减少占用 时间，提高系统的响应 速度 。 大多数步进电机运动控制系统都运行在开环状态下，因为成本较低，并可提供运动控制技术固有的位置控制，无须反馈。但是，在某些应用中，需要更多的可靠性、安全性或产品质量的保证，因此，闭环控制也是一种选择 。 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 种方法一般不宜采用，因为 输出电 流脉冲特别小 ， 不能足以 让步进电机转动； 另 一种是买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 通过 是把从 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。 故 本 次设计应采用 驱动电路的选择 步进电机的驱动电 路 有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。单电压 驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单 件 的反相器 ， 它的最大特点是结构简单 。 它的工作效率低，特别是在高频下更显 得 突出 。因为 它的外接电阻 样就会影响电路的稳定性 ， 所以 此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。双电压驱动电路一般采用两种电源电压来驱动，因这两个电源 一个为高压一个为低压，因此也 称为高低压驱动电路。双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降。不宜于电机的正常运行。对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。所以从提高效率来看这是一种 很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定 其 额定电流和减少时间常数。但由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声。细分驱动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转动一 步，一般会根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕阻会轮流切换， 故 可以使步进电机的转子旋转 。细分控制的电路一般分为两类，一类是采用线性模拟功率放大器的方 法获得阶梯形电流，这种方法简单，但效率低。 另 一种是用单片机采用数 字 脉宽调制的方 法获得阶梯电流，这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。 本次设计对步进电机的精度要求比较高 ， 转速的调节范围比较广， 故 应选用驱动芯片 通过软件来实现步进电机的调速。 基本方案的确定 根据 本次设计的要求，选用 两 相 混合 步进电机， 选用 片机 作为控制器。选 用 为 显示 电路，由于其内部已经集成了功率驱动模块 ，故可直接与单片机接 I/O 口连接 。 因为只需作简单的参数设置，所以人机交互式键盘 选用 独立式键盘，无需键盘驱动电路。 为步进电机的驱动芯片并通过光电耦合来驱动 。 系统原理框图如图 3 图 3统原理框图 立键盘 驱动电路文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 第 4 章 硬件电路的设计 单片机的选择 本次设计以 用 次以上 ， 使用 很 方便， 完全兼容 一种带 12性 能 8位微处理器，俗称单片机。该 型号的单片机资源丰富， 基本无需外部扩展太多的电路就能满足一般的应用， 与工业标准的 于将多功能 8位 很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 。 1） 40）：电源 +5V。 2） 20）：接地，也就是 3） 19）和 18）：振荡电路。 单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作 。 在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在 4） 29）：片外 电平有效。 5） 30）：地址锁存信号输出端 /程脉冲输入端。 6） 9）：复位信号输入端 /备用电源输入端。 7） 31）：内 /外部 8） 39双向 I/ 9） 1准双向通用 I/0口。 10） 21准双向 I/0口。 11） 10 准双向 I/0口。 模块框 图如 4 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 图 4主要特性 与 但程序存储要大得多， 12 寿命： 1000次擦 /写 循环 。 三级程序存储器锁定、 1024*8位内部 32可编程 I/O 线、 8路 10位 /8位可选 0两个 16位定时器 /计数器、 5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路 。 1) 振荡器特性： 放大器的输入和输出。该反 相 放大器可以配置为片内振荡器。石 英 晶 体 振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， 输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外 部时钟信号的脉宽无任何要求 。 2) 芯片擦除 ： 整个 保持 0完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写 “1”且在 任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外， 有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， 止工作 ， 但 计数器 、 串口和中断系统仍在工作。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 在掉电模式下，保存 禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止 。 示电路的选择 为尽可能使用得系统简单，控制电路的各个部分尽可能选择一些功能集成度高的模块，显示电路也不例外，这里我们选取 为显示电路。 由于该液晶模块内部已经集成 了功率驱动，外部不需要另外加功率驱动， 其数据接口可以直接与单片机 I/用十分方便。 4 2 1 晶模块特点 显示结构 *16 字 背光 5V） 工作温度 度 驱动电源 型号 数据线数 并行总线 连接器类型 4 2 2 接口信号说明 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 源地 9 2 3 外型尺寸 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 4 2 4 射图 控制器内部带有 80*8位（ 80字节）内存缓冲区，对应关系图如下： 4 2 5字符发生存储器 1602液晶模块内部的字符发生存储器（ 经存储了 160个不同的点阵字符图形，如 表 1所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母 “A” 的代码是 01000001B（ 41H），显示时模块 把 址 41们就能看到字母 “A” 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 4 2 6 指令说明 1602液晶模块内部的控制器共有 11条控制指令，如下表所示： 它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说 明： 1为高电平、 0为低电平） 指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00 指令 2：光标复位，光标返回到 地址 00H 指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 指令 4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 指令 6：功能设置命令 电平时为 4位总线，低电平时为 8位总线