基于单片机的步进电机控制-创新学分

-.z.一、组成器件1.1步进电机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，它的运行需要专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通电顺序可以改变电机旋转的方向。在数字控制系统中，它既可以用作驱动电动机，也可以用作伺服电动机。它在工业过程控制中得到广泛的应用，尤其在智能仪表和需要精确定位的场合应用更为广泛。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进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1.8度而五相步进角一般为0.72度。反应式步进电机永磁式步进电机1.1.1步进电机的工作原理步进电机是机电一体化的关键部件之一，被广泛应用于需要精确定位、同步、行程控制等场合。一、步进电动机有三线式、五线式、六线式三种，但其控制方式均相同，必须以脉冲电流来驱动。若每旋转一圈以200个励磁信号来计算，则每个励磁信号前进1.8度，其旋转角度与脉冲数成正比，正、反转可由脉冲顺序来控制。二、步进电动机的励磁方式可分为全部励磁及半步励磁,其中全步励磁又有1相励磁及2相励磁之分，而半步励磁又称1-2相励磁。图为步进电动机的控制等效电路，适应控制A、B、/A、/B的励磁信号，即可控制步进电动机的转动。每输出一个脉冲信号，步进电动机只走一步。因此，依序不断送出脉冲信号，即可步进电动机连续转动。分述如下：A、1相励磁法：在每一瞬间只有一个线圈导通。消耗电力小，精确度良好，但转矩小，振动较大，每送一个励磁信号可走1.8度。若欲以1相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转表1.相励磁法B、2相励磁法：在每一瞬间会有二个线圈同时导通。因其转矩大，振动小，故为目前用最多的励磁方式，每送一励磁信号可走1.8度。若以2相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。表2.相励磁法C、1-2相励磁法：为1相与2相轮流交替导通。因分辨率提高，且运转平滑，每送一励磁信号可走0.9度，故亦广泛被采用。若以1相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。励磁顺序：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A表3相励磁法步进电动机的负载转矩与速度成反比，速度愈快负载转矩愈小，当速度快至其极限时，步进电动机即不再运转。所以在每走一步后，程序必须延时一段时间。下面介绍的是国产20BY-0型步进电机，它使用+5V直流电源，步距角为18度。电机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，驱动方式为二相激磁方式，电机示意图和各线圈通电顺序如表4所示：图1.步进电机原理图表4线圈通电顺序1.1.2步进电机的控制（1）步进电机的正反转控制在步进电机转动的过程中改变绕组的励磁顺序可改变转动方向.（2）.步进电机控制系统框图一般一个完整的步进电机控制系统包括控制器,驱动器,电机三部分.其框图如下图所示.图1.步进电机控制系统框图（3）.步进电机的现场应用驱动电路综合系统使用的是小型步进电机，对电压和电流要求不是很高，为了说明应用原理，故采用最简单的驱动电路，目的在于验证步进电机的使用，在正式工业控制中还需在此基础上改进。一般的驱动电路可以用下图所示的形式。图2.一般的驱动电路1.2丝杠螺母丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。有以传递能量为主的(如螺旋压力机、千斤顶等)；也有以传递运动为主的如机床工作台的进给丝杠)；还有调整零件之问相对位置的螺旋传动机构等。

丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低(30％～40％)。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，不能自锁，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高(92％～98％)，精度高，系统刚度好，运动具有可逆性，使用寿命长，因此在机电一体化系统中得到大量广泛应用。丝杠和螺母的螺纹滚道间置有滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，反向器和挡珠器，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。1.3单片机图3.步进电机的单片机控制原理图单片机的主要作用就是把并行二进制码转换成串行脉冲序列,并实现方向控制。步进电机的驱动电路根据控制信号工作,控制信号由单片机产生。1.4行程开关行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造：由操作头、触点系统和外壳组成。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位、轿厢的上、下限位保护。行程开关可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。1.5光纤传感器光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，成为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。特点1因反射体中使用了棱镜，所以与通用的反射型光控传感器器相比，其检测性能更高、更可靠2与分离式光控传感器相比，电路连接更简单容易。3子母扣嵌入式的设计，安装更为简单光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，再过利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量.1.光纤的结构2.光纤的传光原理3.光纤传感器工作原理（1）功能型——利用光纤本身的*种敏感特性或功能制成（2）传光型——光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化。光纤传感器的测量原理有两种。（1）物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压等。（2）结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。二、实现任务要求行程两端分别安装行程开关，当滑板到达时反向运行。在行程的路途中间将光纤传感器安装在拖板上，利用对底板上黏贴的色带识别实现多点定位。对单片机进行控制，输入程序，是实现正反转，开始/暂停功能。从始端开始，正向运行到第一个光纤传感器处反向运行，到始端行程开关再正向行驶正向运行到第二个光纤传感器处反向运行，到始端行程开关再正向行驶正向运行到第三个光纤传感器处反向运行，到始端行程开关再正向行驶正向运行到末端行程开关处反向运行，到始端行程开关再正向行驶三、硬件设计并接线硬件设计图见附录1四、软件设计软件设计程序见附录2五、小结为培养学生的创造、创新与创业精神和实践能力，激发学生参与实践创新的热情，促进学生素质的全面发展，我们学校推出创新学分的新要求。此次，我们小组选择了步进电机——丝杠螺母驱动，用单片机来实现电机的正反转，以及暂停。时间过得很快，一个学期已经结束。我们小组通过课余的时间在实验室中实验检测，终于将编程调试正确，使得步进电机正常运行。在尝试调试过程中，我们大多都是第一次接触硬件设计，遇到了许多问题。像电路图做好了但不知道哪两个口对应，导致连线错误硬件无法运转；还有就是硬件连接好了，但是突然就不好用了，这种情况遇到了好几次。后来终于明白了是试验箱的问题，过热或者接触不良都会导致这样的问题出现。正是因为这样的各种各样的问题的出现，我们才发现我们的处理问题的能力差得一塌糊涂，书本知识和真正的实体实验有着很大的差别，当一个纸上谈兵的赵括是做不出一个成功的实验的。但是，经过这这一段与硬件打交道的日子，我们从最初的手足无措到慢慢适应了软硬结合的工作方式，也正是因为如此我们学会了硬件的调试，处理问题时该从什么地方着手，才能比较迅速的解决问题。这是的创新学分设计，让我们更加了解自己动手的重要性，实践才是检验真理的唯一标准。这是创新设计加强了我们对软件编程和硬件设计的掌握，并且熟悉了各种芯片，同时也了解了步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等，所以说步进电机有着广阔的市场和远大的发展前景。并且，这次实验的老师对我们的帮助也十分的大，在我进行元件封装的部分给了很多建议，使我受益匪浅。通过这次锻炼，让我们明白了，很多以为自己懂得的原理，到真正操作的时候才会发现问题和不足。所以我们不能仅仅局限于书本上的知识，学以致用才是我们应该做的事。最后感谢老师耐心的指导，让们我在这次锻炼中能开始与硬件接触并取得一次小小的成功，这对我们来说已经是很不错的了，我们一定会再接再厉，将理论知识应用到实践中去的，在以后工作学习中，不断将书本知识与实际结合，努力提高自身素质。参考文献[