步进电机单片机控制系统设计（硬件）文献开题论文.doc

浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计（论文）任务书*同学（专业 / 班级：* ）现下达毕业设计（论文）课题任务书，望能保质保量地认真按时完成。课题名称步进电机单片机控制系统设计（硬件）主要任务与目标由于步进电机具有快速启停、精确步进、直接接收数字量等特点，所以在数控系统中得到广泛应用。但是由于步进电机存在步距角较大及低速振动等问题，限制了它在高精度场合下的应用。为解决此问题，有必要进行步矩角细分。可采用单片机控制系统实现步矩角细分。本课题要求完成三相混合式步进电机步矩角细分单片机控制系统的研制。采用单片机实现步矩角细分，建立单片机为核心的微机控制系统，并进行控制程序的设计。硬件部分主要包括：具有细分的环形分配器、阶梯正弦波发生器、功率放大等部分的设计。并实验调试。该同学在本课题中主要任务是：通过对系统硬件的设计，使步进电机控制系统：1、实现步进电机步矩角的细分，并且硬件电路具有通用性。2、有效解决振荡和失步的问题；3、具有良好的低频运行性能；目标：系统硬件设计满足系统功能要求。主要内容与基本要求本课题要求设计一种步进电机单片机控制系统，该同学主要承担系统硬件的设计，其主要设计内容有：1、系统硬件设计总体方案；2、系统主控单元电路的设计；3、系统各部分电路设计；4、系统硬件电路安装、调试。主要内容与基本要求基本要求：1、文献综述报告与开题报告查阅与课题有关的文献（论文、书籍或手册等）不少于10篇（部），写出较为详细的、单独成文的文献综述报告与开题报告。1）文献综述报告的要求在查阅文献的基础上，综述与本课题相关的国内外研究现状，并进行分析；在总结前人研究的基础上，简要概述本课题的设计思路、拟采用的设计方案、要重点解决的问题及预期效果，报告最后附参考文献目录，综述报告字数不少于2000字。2）开题报告的要求根据设计任务与目标，在文献综述的基础上，撰写开题报告。内容包括：选题意义与可行性分析；研究的基本内容与拟解决的主要问题；较为详细的软件设计方案及预期研究成果；研究工作计划；参考文献等内容。开题报告字数不少于3000字。2、外文翻译阅读2篇以上（10000字符左右）的外文材料，应完成2000汉字以上的英译汉翻译。3、硬件设计按照课题内容，设计系统总体控制方案，建立总体控制模块框图；设计各部分硬件电路。4、论文撰写在前期实验与研究的基础上，认真、按规定撰写论文。毕业设计论文由以下几部分组成：封面、中文摘要、外文摘要、目录、论文正文、参考文献、致谢、附录。装订亦按此顺序。其中中文摘要阐述论文的主要内容、研究方法和成果，字数500字以内，配相应的外文摘要。关键词3-7个。 论文正文要论点明确、结构合理、条理清楚、内容完整、资料翔实并与论点相结合，同时做到文字通顺，引文规范。正文字数不少于10000字。其它更具体的要求参见浙江理工大学本科生毕业设计(论文)工作规范。（可到教务处网站下载）。5、纪律要求 严格按照进度安排，保质保量完成所承担的任务；遵守实验室规定，做到人走门窗关、总闸断电；注意实验、测试过程中用电等方面的安全。主要参考资料及文献阅读任务1）.电气传动的脉宽调制控制技术昊守缄 减英杰编著机械工业出版社1999.82）.交流步进传动系统孙鹤旭 著机械工业出版社1996.73）. (MCS-51系列单片机实用接口技术李华 等 主 编北京航空航天大学出版社1996.54）.交流调速系统陈伯 时 等 编著机械工业出版社1998.55）.一种在细分位置准确定位的步进电动机驱动电源宋洪侠 等 微特电机1995年第6期外文翻译任务1.Linear stepper motor theory and application of brief introduction2.Dormancy of the one-chip computer-restore to the throne in the operation way and improve anti- interference ability 计划进度：起止时间内容2008.11.01-2008.12.01文献阅读、综述报告2008.12.02-2009.01.04开题报告、外文翻译2009.01.05-2009.01.09开题答辩2009.01.10-2008.01.25系统方案设计2009.01.26-2009.02.16硬件总体方案设计2009.02.17-2009.03.02各部分硬件设计2009.03.3-2009.04.24系统调试2009.04.25-2009.05.9论文撰写2009.05.10-2009.05.25论文评阅2009.05.26-2009.05.30论文答辩实习地点*指导教师签 名年 月 日系 意 见系主任签名： 年 月 日学院盖章主管院长签名： 年 月 日 浙江理工大学本科毕业设计（论文）文献综述报告班 级*姓 名*课题名称步进电机单片机控制系统设计文献综述（内容包括国内外本课题及相关研究现状、分析及参考文献目录，字数不少于2000字）目 录一、课题的意义二简述步进电机的工作原理及应用三、步进电机控制的发展趋势四、步进电机的驱动电路五、总结参考文献（本页列出文献综述报告目录，报告全文附后。）指导教师审批意见签名： 年 月 日步进电机单片机控制系统设计* （专业 / 班级：* ）一、课题的意义 步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件1。控制步进电机的输入脉冲数量、频率及电机各相绕组的接通顺序,可以得到各种需要的运行特性。尤其与数字设备配套时,体现了更大的优越性,因此广泛应用于数字控制系统中2。但是,步进电机在低速运行时的振动、噪声大,在步进电机的自然振荡频率附近运行时易产生共振,且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降,这些缺点限制了步进电机的应用范围。步进电机的性能在很大程度上取决于所用的驱动器,改善驱动器的性能,可以显著地提高步进电机的性能,因此研制高性能的步进电机驱动器是一项普遍关注的课题。二简述步进电机的工作原理及应用（一）步进电机的工作原理步进电机从其构造上的差异可分为三大类（图1）：可变磁阻式（VR型）、永久磁铁式（PM型）、混和式（HB型）。图1三种步进电机的结构以三相三拍运行方式为例(如图2)，转子上分布着40个齿，定子上有6个齿。(1)当A相通电时，B相、相不通电：A相齿对齐，电机旋转3；B相超前3C相超前 (2)当B相接通电时，A相、C相不通电：B相齿对齐，电机旋转3；C相超前3相超前(3)当C相通电时，B相、A相不通电。 C相齿对齐，电机旋转3；A相超前3；相超前6图 2三相步进电动机结构原理图如果定子A、B、C三相按 ABCA的顺序依次通电，则步进电机将不断地按顺时针方向转动叫正转。那么当通电顺序按ACBA进行时，则电机反时针旋转，叫反转。（二）步进电机的应用现状 步进电机具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在电脑打字机、计算机外部设备、数控机床、通信传真等领域中得到广泛的应用4。下面简单介绍它在生活中的应用。(1) 步进电机在电脑打字机的应用 步进电机在电脑打字机的应用是用微机控制的打字机。在微机的控制下，不断对键盘查询扫描。一旦发现打字员输入了字符代码或功能代码，立即就对输入的代码进行处理。驱动打字机字车电机走格与打印，驱动电机走纸，或者为正确打字做一些工作5。 对字车电机而言，因启动时受到的阻力很大，所以以低速启动，让步进电机发出比最大阻转矩大的转矩，用来克服阻力和加速。(2)步进电机在数控机床的应用数控装置根据所要求的运动速度和位移量，向环形分配器和功率放大电路输出一定频率和数量的脉冲，不断改变步进电机各相绕组的供电状态，使相应坐标轴的步进电机转过相应的角位移，再经过机械传动链，实现运动部件的直线移动或转动。运动部件的速度与位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数所决定5。图3为步进电机在数控机床开环控制系统的示意图。电机机械执行部件A相、B相C相、f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大图3 步进电机在数控机床开环控制系统三、步进电机控制的发展趋势步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术7的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。 当前最有发展前景的当属混合式步进电动机8，而混合式电动机又向以下四个方向发展： (1)是继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。(2)是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高3040。(3)对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器9，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。(4)向五相和三相电动机方向发展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。四、步进电机的驱动电路步进电机由于其本身的特点，在具体的应用中有利于装置或设备的小型化和低成本。因而，广泛地应用在众多的领域中并得以不断的发展。随着电力电子技术、自动化控制技术以及计算机网络通信技术的发展，步进电机系统尤其是其中的驱动电路部分也不断地发展。下面介绍有关步进电机的驱动电路。图4单电压驱动电路 图5高低压供电驱动 图6 恒流斩波驱动电路1、单电压驱动电路10 (图4)单电压的驱动电路在二十世纪六十年代初期国外就已大量使用，它的主要特点是线路结构简单、成本低，在绕组回路中串接电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。缺点是：串接电阻的做法将产生大量的热，功耗较大， 对驱动电源的正常工作极其不利尤其在高频工作时更加严重。因而它一般用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。 2、高低压供电驱动(图5)高低压驱动电路在六十年代末出现，是随着对步进电机要求大功率驱动和高频工作而出现的。这种电路主要是加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。这种电路的特点是电流波形得到了很大改善，电机的转矩特性很好，启动和运行频率得到很大的提高11。由于绕组回路中的串接若干个较小的电阻，所以电源功耗较小。但由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响，易使电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。3、恒流斩波驱动电路(图6) 为了弥补高低压驱动电路的高、低压电流波形在连接处为凹形的缺陷，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿波形波动，电流绕组的有效电流相应的增加，故电机的输出转矩增大，能基本上保持恒定，而且不需外接电阻，取样电阻又很小，因此，整个系统的功耗非常小，电源效率较高，因而恒流斩波电路应用相当广泛。 4、细分驱动电路细分驱动电路在七十年代中期由美国学者首次提出，它是建立在步进电机的各相绕组理想对称和距角特性严格正旋的基础上的。它通过控制电动机各相绕组中电流的大小和比例，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。图7 细分驱动电路原理图图7为细分驱动电路原理图。它是由一个斩波恒流功率放大电路加上细分电路而组成。尽管斩波恒流驱动存在缺陷，但由于它的上限工作频率和电源效率都较高，可以用较高的电源电压而不需要外接电阻来限定额定电流和减小时间常数。EPROM中存储的是与细分位置对应的电流数据，经过DAC将数字信号转换成模拟量，该模拟量作为斩波恒流功放电路的输入，图中N1为比较器和N2为与门。实际上，加工误差致使细分后的步距角精度并不高，但是细分驱动能极大地改善步进电机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除振荡。近几年来，由于微处理机技术的发展，细分电路获得了广泛应用。五、总结步进电机开环控制系统具有快速启停、精确步进、直接接收数字量等优点12，所以在数控系统中得到广泛应用。在步进电机应用于数控机床的例子中，负载位置对控制电路无反馈，因此步进电机必须正确响应每次励磁变化。如果励磁频率选择不当，电机不能达到新的要求位置,那么实际的负载位置相对控制器所期待位置会出现永久性误差,也就是会产生“失步”和“过冲”现象。采用单片机实现步矩角细分13，建立单片机为核心的微机控制系统，并进行控制程序的设计14，从而大大改善步进电机的性能,这样就可以进行更加精确的位置控制和获得高速、平稳的速度了。参考文献 1孙鹤旭.交流步进传动系统M.北京:工业出版社,1996,7: 48.2Jacob Tal,Bert Leenhouts. Step Motor ControlM. Motion Control Seminars,1983:812.3陈隆昌,阎治安等.控制电机M.西安:西安电子科技大学出版社,2000:131145.4陈理壁. 步进电机及其应用M.上海:上海科学技术出版社,1989:5661. 5潘新民.微型计算机控制技术M.机械工业出版社,1999:203214.6董玉红.数控技术M.北京:高等教育出版社,2007:1416.7阮健著.电液(气)直接数字控制技术M.浙江:浙江大学出版社出版,2000:157163.8David Brack Ward. Elimination of the Permanent Magnet in a Hybrid Step MotorM.University of Illinois at Urbana-Champaign, 1980:1218.9吕泉.现代传感器原理及应用M.北京：清华大学出版社出版,2006:5763.10宋志铭,杨建国,郑建立. 新型装配机器人步进电机驱动电源的研制J.中国纺织大学学报,1999,25(6):7477.11刘恒富,刘海宽,赵恩民等.一种新型高低压驱动电路的设计J.佳木斯大学学报,1994,(1):5457.12伊泽曼,Isermann,盛国华.数字控制系统M.北京:化学工业出版社出版, 1986:214219.13华蕊著.步进电机细分驱动技术综述J.大学学报佛山科学技术学院学报,1999,(3):5054.14历风满.数字PID控制算法的研究J.辽宁大学学报,2005,(4):167170. 浙江理工大学本科毕业设计（论文）开题报告班 级05自动化（11）姓 名卢伟伟课题名称步进电机单片机控制系统设计（硬件）开题报告（包括选题意义与可行性分析、研究的基本内容与拟解决的主要问题、总体研究思路及预期研究成果、研究工作计划等内容，非艺术类不少于3000字）目 录一、课题的背景和意义二、国内外研究现状三、课题主要研究开发内容、技术关键1、步进电机控制器2、环行分配器3、功率放大器四、细分技术方案选择与分析1、可变细分控制功率放大电路2、数字脉宽调制细分控制功率放大电路3、恒频脉冲调宽细分功率放大电路五、预期研究效果1、功能目标2、应用前景六、计划进度安排参考文献成绩：答 辩意 见（从选题、任务工作量、质量预期、可行性等几个方面）答辩组长签名： 年 月 日系主任审核意见签名：年 月 日步进电机单片机控制系统设计卢伟伟 （专业 / 班级：05自动化（11） ）一、 课题的背景和意义计算机技术是当前发展最快的技术，伴随着该技术的发展，其应用已广泛地渗透并影响着社会生产和社会生活的各个领域，并在全球形成了一场新的技术革命1。随着科学技术的飞速发展及市场的需求，对各类步进电机的精度、性能要求越来越高，然而单纯依靠提高步进电机本身的制造精度，难度较大，而步进电机的性能与其驱动电路是分不开的2。因此，在上世纪中叶人们开始了对步进电机驱动方式的研究，提出多种驱动方式，从单电压驱动、双电压驱动、高低电压驱动、斩波驱动、变频变压驱动到细分驱动3。各种驱动方式各有优缺点，从控制效果来看，细分驱动方式具有许多优点，采用这种驱动方式可使步进电机减小步距角、电机运行平稳、可以减小或消除低频振动、提高电机的运转精度等。目前，国外所做的细分驱动电路大多采用一些集成模块，价格比较昂贵。国内 所做的细分驱动电路体积比较大，成本相对而言也比较高，约为步进电机的23 倍。因此，研制性价比比较高的步进电机的驱动电路，有着重要的实际意义4。二、国内外研究现状近年来，随着微电子技术、大功率电力电子器件及驱动技术的进步，步进电机在自动化领域的应用也越来越广泛5。我国的步进电机行业起步较早，并一度以反应式步进电机的生产与应用成为国际电机行业的一大特色，目前，仍有许多国内用户使用反应式步进电机。混合式步进电机的特点是力矩大、运行平稳、高频矩频特性好，在发达国家中，越来越广泛的使用性能优越的五相和三相混合式步进电机6。步进电机驱动技术的发展也十分迅速。我国步进电机的应用虽然起步较早，但其驱动技术的发展相对落后，成为制约步进电机应用与发展的主要因素。国内仍有不少用户沿用已被国外淘汰的单电压串电阻等落后的驱动方式，驱动器电路中使用分立元件居多，可靠性差，且各厂家的驱动技术规范、技术等级、生产工艺参差不齐。目前发达国家的驱动器已进入恒相电流与细分技术相结合的技术阶段，使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩维持不变7。在步进电机驱动技术上，一方面由于采用了斩波恒流控制、SPWM(正弦脉宽调制)和细分技术以及最佳升降频控制8，大大提高了步进电机运行快速性和运动精度，使步进电机在中、小功率范围内向高速精密化领域渗透;另一方面在电路设计方面，驱动器电路普遍采用单片机加上外围电路，或专用SPWM芯片甚至DSP来产生SPWM波来控制功放电路上开关管的通断，从而控制各相绕组细分电流的大小。功率开关管目前采用的功率场效应管(MOSFET)，与早先采用的大功率晶体管(GTR)相比有很多优点;性能更加优越的绝缘栅极晶体管(IGBT)也已应用于高速型及较大功率的步进电机驱动电路中;而把IGBT驱动电路及保护电路等都集成在一起的智能IGBT功率模块，具有结构简单、性能稳定及运行可靠等优点，目前已开始应用于中、小功率步进电机的驱动9。三、课题主要研究开发内容、技术关键由于步进电机具有快速启停、精确步进、直接接收数字量等特点，所以在数控系统中得到广泛应用10。但是由于步进电机存在步距角较大及低速振动等问题，限制了它在高精度场合下的应用。为解决此问题，有必要进行步矩角细分。可采用单片机控制系统实现步矩角细分。本课题要求完成三相混合式步进电机步矩角细分单片机控制系统的研制。采用单片机实现步矩角细分，建立单片机为核心的微机控制系统，并进行控制程序的设计。硬件部分主要由步进电机与步进电机控制器、环形分配器、功率放大电路组成一体，构成步进电动机驱动系统。如图1所示。步进电机控制器环形分配器功率放大器步进电机图1步进电动机驱动系统1、步进电机控制器 步进电机控制器用于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高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。本系统选取AT8951单片机作为控制器，它与8051单片机指令系统完全兼容，绝大数引脚也兼容。并且具有flash存储器，可反复电擦除。所以，错误编程之后可重新编程。而且它采用静态时钟方式，可以节约电能。2、环行分配器 环行分配器的主要功能是将脉冲信号源产生的脉冲信号，按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机的驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断、运行及换向。当步进电动机在一个方向上连续运行时，其各相通断或脉冲分配是一个循环，因此称之为环行分配器。环行分配器的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别称之为硬件环行分配器和软件环行分配器。本系统统是采用软件环行分配器，并且是最常用的是查表法。以三相六拍工作方式为例(表1)，A、B、C三相分别接P1.1、P1.3、P1.5。其正传顺序为AABBBCCCA；反转其通电顺序正好与正转相反。其中“0”表示绕组断电，“1”表示绕组通电。将程序和控制字存入EPPROM中，当程序运行时，只要依次将这6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，步进电机就转过一个步距角。通电状态P1.5(C)P1.3(B)P1.1(A)控制字地址A10020H2000HAB11028H2001HB01008H2002HBC0110AH2003HC00102H2004HCA10122H2005H表1 环形分配器状态转换表3、功率放大器 从环行分配器输出的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进电动机的定子绕组需要几安培的电流，因此需要对从环行分配器输出的进给控制信号进行功率放大。由于功放中的负载为步进电动机的绕组，是感性负载，与一般功放不同点主要是具有较大电感，影响其快速性。功率驱动器最早采用单电压驱动电路，后来出现了高低压(双电压)驱动电路、斩波恒流电路、调频调压和细分电路等。本系统将采用恒频脉冲调宽细分，它不仅具有细分的特点，并且能有效的使用能量。因此下面将从细分方案上进行比较说明，选择此方案的优点及选择其它方案的不足之处。四、细分技术方案分析与选择 细分驱动的关键在于阶梯波的获得，以往阶梯波的获得电路非常繁琐，但单片机的应用使细分驱动变得十分灵活，下面介绍几种细分驱动的方法11。 (1)可变细分控制功率放大电路 可变细分控制功率放大电路(图2)采用功率管线性放大原理，能够实现不同细分控制。该电路主要由D/A电路、放大器、比较放大电路和线性功放电路组成。D/A电路用于将来自单片机的数据转换成对应的模拟量Vin ;放大器把Vin放大成Va，目的在于调节增益，使D/A输出满量程时，功放级输出的电流IL恰好是步进电机的额定工作电流;比较放大电路通过将绕组电流的采样电压Ve和VA电压比较，产生调整信号Vb以控制绕组电流IL。 细分数的大小取决于D/A的转换精度，假如D/A是8位，其值为OOHFFH,对应十进制的0 - 255，若要每个阶梯的电流值相等，就要求细分的步数必须能对255 整除，此时细分数只能为3，5，1 5，51，85。只要在细分控制时，改变其每次突变的数据差值，就可以实现不同的细分控制。 由于比较放大器对于微小的差值信号有十分灵敏的放大作用，使绕组中的阶梯波电流无论是上升还是下降均十分陡，因此具有良好的高频特性。尽管细分数的大小取决于D/A的转换精度，但是由于功放级、放大器、比较放大电路的精度，信号的漂移、干扰等因素以及步进电机结构精度等，盲目增加细分数是毫无疑义的。可变细分控制功率放大电路(图1)。(2)数字脉宽调制细分控制功率放大电路 数字脉宽调制细分控制功率放大电路(图3)是一种处于开关状态的细分功放电路，其基本思想是将一系列脉宽调制信号加在功放管的基极，就可得到细分控制所需的阶梯电流12。具体讲，单片机产生数字脉宽调制信号VP驱动功放管，功放级是单电压开关电路，当脉宽调制信号的脉宽较大时，产生阶梯边沿，即脉宽Ts；当脉宽较小时，产生平均电流ia，只要占空比TH/(TH+TL)恰当，就可使电流保持在稳定的平均值上。 数字脉宽调制细分控制功率放大电路(图2)。其中，Ts确定电流阶梯波的边沿，TH和TL确定电流阶梯波顶波平均值，因此阶梯波和稳定平均电流的关键取决于TS、TH和TL的取值大小。 只要在功放管的基极连续输入脉冲序列，脉宽为TH ,周期为TH +TL,那么必定在电机绕组中产生稳定值为la的平均电流，如果脉冲周期足够小，波动量Ia就会很小。 这种细分控制的特点是功率管工作在开关状态，功耗小，效率高， 但必须指出的是需要充分考虑续流二极管的压降和内阻13。(3)恒频脉冲调宽细分功率放大电路 恒频脉冲调宽细分功率放大电路(图4)在本质上是斩波型恒频脉宽调制方法和可变细分控制相结合的一种方法。其基本思想为利用可变细分控制原理控制功放管产生阶梯电流，利用恒频脉宽调制原理控制电流的波顶使之平稳。恒频脉冲调宽细分功率放大电路原理图(图3)。 恒频脉冲调宽细分功率放大电路稳流工作原理：单片机首先通过I/O口将控制产生阶梯电压的数据送入D/A转换器，D/A转换器经过转换输出阶梯电压Vin，当单片机定时器产生的20kHZ时钟信号方波CLK上升沿到来时，D触发发器置“1”输出高电平，使T1，T2导通，绕组L中电流iL上升，当绕组电流大到一定程度，通过绕组电流采样电阻Re获得的采样电压Ve就会大于Vin,比较器经0P输出低电平对触发器清零。D触发器清零后输出低电平，使T1，T2截止，绕组电流iL过内阻、R L，二极管D、泄放电阻R及电容C2进行泄放，绕组电流iL下降。当下一个时钟信号CLK的上升沿到来之前，如果电流iL下降使VeVin，比较器OP输出高电平，取消D触发器清零信号，CLK的上升沿到来时使D触发器置“1”输出高电平，绕组电流上升。上述过程不断重复，由于时钟CLK脉冲频率很高，达20kHZ，使绕组中的电流保持一个波动范围很小的稳定值。 图2可变细分控制功率放大电路 图3数字脉宽调制细分控制功率放大电路图4恒频脉冲调宽细分功率放大电路由于恒频脉宽调制细分控制利用了可变细分和数字脉宽调制的特点，在实际中也避免了可变细分的功放管工作在线性区引起的效率低的缺陷，同时避免了数字脉宽调制时对阶梯电流的上升时间、下降时问、稳流脉宽以及稳流脉冲周期的计算问题。另外，恒频脉宽调制细分控制中恒频脉冲时钟信号同时用于各相绕组控制，避免了产生差拍现象，消除了噪声14。 利用单片机作为控制核心部件，使系统具有极大的灵活性，不但可以随意改变恒频脉冲的频率，而且可以改变细分数，满足不同的需要。五、预期研究效果1、性能目标采用了细分之后，不但使步距角减小，提高了步进电动机的分辨率，而且在主要的性能方面也有大大的改善，比如使最高空载起动频率提高了，矩频特性提高了，基本上是消除了步进电动机在低频的振荡现象，提高了运行的平稳性能。本系统在细分方案上采用恒频脉宽调制比常见的直流电压斩波驱动器具有明显的优越性，不仅能够显著改善低频稳定性和高频矩频特性，而且能够有效地利用能量。该驱动器具有良好的适应性、稳定性、可靠性以及自保护能力。按键功能：当按下启动键，电机旋转并使A相与转子对齐；按下正转，速度增加到额定速度，并顺时针旋转；按下反转键，电机逆时针旋转；按下停止键，电机停转，并使A相与转子对齐。但由于步进电机绕组都是感性绕组，在电机转子转动的过程中，原本不应通电的相，由于互感作用也存在一定的电流，即感应电势。另外，即使是通电相，由于电路中存在电感，也会产生反电势，阻止绕组电流的上升或下降。感应电势和反电势的存在使细分后的步距角均匀性变差。2、应用前景步进电机具有定位精度高、惯性小、启动性能好、价格低廉、易于控制、无积累误差和计算机接口方便等优点15，故广泛应用于数控机床、纺织机械、包装机械、印刷机械、电火花加工、仪器仪表、医疗设备、舞台灯光、智能家电及办公自动化16。网上资料报道，每年国内步进电机的销售额为35亿元人民币。开发高精度的步进电机驱动电路可使步进电动机步距细化、分辨率有所提高，振动、噪声和转矩波动问题得到很大改善，运转更为平稳，使步进电动机在高级控制系统中获得更大的竞争力。六、研究工作计划 起止时间内容2008.11.01-2008.12.01文献阅读、综述报告2008.12.02-2009.01.04开题报告、外文翻译2009.01.05-2009.01.09开题答辩2009.01.10-2008.01.25系统方案设计2009.01.26-2009.02.16硬件总体方案设计2009.02.17-2009.03.02各部分硬件设计2009.03.3-2009.04.24系统调试2009.04.25-2009.05.9论文撰写2009.05.10-2009.05.25论文评阅2009.05.26-2009.05.30论文答辩参考文献：1潘新民.微型计算机控制技术M.机械工业出版社,1999:203214.2陈隆昌,阎治安等.控制电机M.西安:西安电子科技大学出版社,2000:131145.3Jufer M,Heine.Hybridste stepping motors 25 years of developmentJ.proe of IMCSD25th annual SylllPosium,1996:30731.4王宗培,步进电动机的发展及建议J.微电机,2004,37(4):4749.5Jacob Tal,Bert Leenhouts.Step Motor ControlM. Motion Control Seminars,1983:812.6易长松.新型三相混合式步进电机驱动器J.机电一体化,2001,(6):3033.7 J.D.Wale and C.Polloek.Hybrid stepping motors and drives,POWER ENGINEERINGJOURNAL FEBRUARY,2001,(3):2530.8王浮海,史敬灼,徐殿国.二相混合式步进电动机SPWM细分驱动J.微特电机,2002,30(6):1314.9周明安，朱光忠，宋晓华等.步进电机驱动技术发展及现状J.机电工程技术,2005,34(2):1617.10伊泽曼,Isermann,盛国华.数字控制系统M.北京:化学工业出版社出版, 1986:214219.11华蕊著.步进电机细分驱动技术综述J.大学学报佛山科学技术学院学报,1999,(3):5054.12阮健著.电液(气)直接数字控制技术M.浙江:浙江大学出版社出版,2000:157163.13董玉红.数控技术M.北京:高等教育出版社,2007:1416. 14林成武.步进电机微步驱动分析J.沈阳工业大学学报.1996,(3):14.15王鸿枉.步进电机控制技术入门M.上海:同济大学出版社,1990:7192.16陈理壁.步进电机及其应用M.上海:上海科学技术出版社,1989:5661. 外 文 翻 译毕业设计题目：步进电机单片机控制系统设计（硬件）原文1：Linear stepper motor theory and application of brief introduction译文1：直线步进电机原理和应用简介原文2：Dormancy of the one-chip computer-restore to the throne in the operation way and improve anti- interference ability译文2：单片机休眠-复位运行方式提高抗干扰能力Linear stepper motor theory and application of brief introductionThe linear stepper motor has been made flat instead of round so its motion will be along a straight line instead of rotary. A picture of a linear motor and its amplifier is shown in Fig. 11-69, and the basic parts of the linear motor are shown in Fig. 11-70. In this diagram you can see the motor consists of a platen and aforcer. The platen is the fixed part of the motor and its length will determine the distance the motor will travel. It has a number of teeth that are like the rotor in a traditional stepper motor except it is passive and is not a permanent magnet. The forcer consists of four pole pieces that each have three teeth. The pitch of each tooth is staggered with respect to the teeth of the platen. It uses mechanical roller bearings or air bearings to ride above the platen on an air gap so that the two never physically come into contact with each other. The magnetic field in the forcer is changed by passing current through its coils. This action causes the next set of teeth to align with the teeth on the platen and causes the forcer to move from tooth to tooth over the platen in linear travel. When the current pattern is reversed, the forcer will reverse its direction of travel. A complete switching cycle consists of four full steps, which moves the forcer the distance of one tooth pitch over the platen. The typical resolution of a linear motor is 12,500 steps per inch, which provides a high degree of resolution. The typical load for a linear motor is low mass that requires high-speed movements.FIGURE 11-69 A linear motor and its amplifier.FIGURE 11-70 The forcer is shown on top of the platen of a linear motor. The electromagnets are identified on the forcer. Theory of Operation The forcer consists of two electromagnets that are identified in Fig. 11-70 as magnet A and magnet B and one permanent magnet. The permanent magnet is a strong rare-earth permanent magnet. The electromagnets are formed in the shape of teeth so that their magnetic flux can be concentrated. In the diagram you can see that the forcer has four sets of teeth and these teeth are spaced in quadrature so that only one set of teeth is aligned with the teeth on the platen at any time. When current is applied to the coil (field winding) of the electromagnets, their magnetic flux passes through the air gap between the forcer and the platen, causing a strong attraction between the two. The magnetic flux from the electromagnets also tends to reinforce the flux lines of one of the permanent magnets and cancels the flux lines of the other permanent magnet. The attraction of the forces at the time when peak current is flowing is up to ten times the holding force. When a pattern of energizing one coil and then another is established, the resulting magnetic field will pull the motor in one direction from one tooth to the next. When current flow to the coil is stopped, the forcer will align itself to the appropriate tooth set and create a holding force that tends to keep the forcer from moving left or right to another tooth. The linear stepper motor controller sets the pattern for energizing and de-energizing the field coils so that the motor moves smoothly in either direction. By reversing the pattern, the direction the motor travels is reversed.Figure 11-71 shows a block diagram of the linear stepper motor controller. From this diagram you can see that it has a microprocessor that interfaces with a digital-to-analog converter, a force angle modifier, and a power amplifier. It also has a power supply for the amplifiers and it may have an accelerometer amplifier as an option. The microprocessor has ROM and EPROM memory to