基于51單片機步進電機的設(shè)計與仿真畢業(yè)設(shè)計文獻

1、本科生畢業(yè)設(shè)計（文獻綜述）題 目： 步進電機的設(shè)計與仿真 姓 名： 學(xué) 號： 系 別： 電氣工程 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 指導(dǎo)教師： 步進電機控制器的設(shè)計與仿真文獻綜述一 選題的背景與意義步進電機作為一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為機械角位移或者線位移的機電元件,它能夠在不涉及伺服系統(tǒng)復(fù)雜反饋環(huán)路的情況下實現(xiàn)良好的定位精度,并且具有性價比高、易于控制及無累計誤差等優(yōu)點,在民用、工用的經(jīng)濟型數(shù)控開環(huán)定位系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用,且具有較高的實用價值。步進電動機與一般電動機不同。它的角位移量或者直線位移量正比于電脈沖數(shù),而其線速度或者轉(zhuǎn)速則正比于脈沖頻率。并且,在負載能力變化范圍內(nèi),不會因電源

2、電壓、負載、環(huán)境條件的波動而變化5。另外,步進電動機還可以在較寬的范圍內(nèi),通過改變脈沖頻率來調(diào)速;能夠快速起動、制動和正反轉(zhuǎn);并且步進電動機還有一定的自鎖功能。由于步進電動機具有上述特點,因此由它和驅(qū)動控制器組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng),既具有較高的控制精度,良好的控制性能,又能穩(wěn)定可靠的工作。這些優(yōu)點使得步進電動機在龐大的電機家族中占有不可替代的位置。而混合式步進電動機的設(shè)計方法使得它就像是反應(yīng)式和永磁式步進電動機的結(jié)合,可以像反應(yīng)式一樣的小步距,也具有永磁式控制功率小、繞組電感較小的特點。目前廣為使用的是兩相混合式步進電動機,它的典型結(jié)構(gòu)是定子8個極,轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50個,步距角為1.8度，它是上世紀6

3、0年代的美國專利,70年代初因應(yīng)用于計算機外設(shè),且專利保護的取消而迅速發(fā)展，但是它存在著兩個明顯的固有缺點,一個是步距角較大,使得低速轉(zhuǎn)動時有較嚴重的振動和噪聲,另一個是當頻率突變過大時容易堵轉(zhuǎn)、丟步或者過沖,這兩個缺點對定位系統(tǒng)的精度會產(chǎn)生較大的影響。步進電機作為一種機電一體化設(shè)備,電機本身固有的問題可通過驅(qū)動器或者控制器來彌補。采用細分驅(qū)動技術(shù)可以大大減少低速轉(zhuǎn)動時的振動和噪音,還可以起到減小步距角、提高分辨率、增大輸出力矩的效果；采用升降頻控制技術(shù),則可以克服步進電機高速起停時存在的堵轉(zhuǎn)、丟步或者過沖等問題,使步進電機轉(zhuǎn)動得更加平穩(wěn)、定位更加精確一個好的控制器可以使步進電動機控制更靈活,

4、在很大程度上改善其運行性能。因此,對步進電動機運動控制系統(tǒng)而言,驅(qū)動控制器的設(shè)計是重中之重。步進電機的細分驅(qū)動技術(shù)研究和升降頻控制技術(shù)研究一直是本領(lǐng)域課題的重點和難點 。二 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 在步進電機的發(fā)展過程中,出現(xiàn)了多種控制方案:(1)基于電子電路控制:步進電機受電脈沖信號控制,電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動電路，此種控制電路設(shè)計簡單，功能強大，可實現(xiàn)一般步進電機的細分任務(wù)該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須

5、重新設(shè)計，因此靈活性不高。(2)基于單片機控制:采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，可設(shè)置步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能,也可在windows平臺下利用VB6.0提供的串行通信控件MSComm來實現(xiàn)PC機與單片機之間的數(shù)據(jù)通訊,最終實現(xiàn)由PC機直接控制步進電機的方法；采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進電機的最佳控制。本方案有以下優(yōu)點:1.單片機軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實

6、現(xiàn)自動控制和精確控制,避免了失步、振蕩等對控制精度的影響；2。用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設(shè)定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；3單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路、串口通訊電路等外圍電路有機組合，大大提高系統(tǒng)的交互性4.基于以上優(yōu)點，本課題采用基于單片機的控制方案。圖1為原理圖;圖1 原理圖(3)基于PLC的控制步進電機控制系統(tǒng)有PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成。控制系統(tǒng)采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖。通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，PLC控制的步進電機可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占

7、用PLC資源較多，采用硬件環(huán)形分配器，硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省PLC資源，目前市場有多種專用芯片可以選用，但增加成本。采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用PLC中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號,，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器，降低硬件成本。但由于PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響,步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制并且在速度較高時，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。2.2發(fā)展趨勢2.2.1步進電機發(fā)展趨勢步進電動機經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已成為除直流電動機和交流電動機以外的應(yīng)用最

8、廣泛的第三類電動機。在開環(huán)高分辨率的定位系統(tǒng)中，至今還沒有發(fā)現(xiàn)更合適取代它的產(chǎn)品，特別是在一些功率相當小的系統(tǒng)中，步進電機更具有無可替代的主流地位。預(yù)計未來步進電機的研究還會持續(xù)深入下去，研究方向之一是電機與驅(qū)動的一體化，使步進電機體積更小巧、性能更優(yōu)越，性價比更高，在大量的民用設(shè)備中批量化使用，如家庭機器人、民用智能化設(shè)備等；研究方向之二是在功率或機座號相對較大的步進電動機中，與屬于BII)CM(稀土刷直流電機)的交流伺服電動機系統(tǒng)會合，具體來說可能會借鑒交流伺服系統(tǒng)的控制技術(shù)，但保留了部分步進電動機的特點，形成一種新的“步進伺服電動機”或“伺服步進電動機”，在克服低頻振蕩、高頻過載能力小、

9、快速性不足和效率低等方面取得突破性進展，從而在現(xiàn)代軍事、精密機械加工、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越深入。2.2.2步進電機軟件發(fā)展趨勢在微型計算機出現(xiàn)以前，步進電機的控制完全由硬件實現(xiàn)。比如環(huán)形分配器，就是由多個標準數(shù)字集成電路按照邏輯真值表組合而成，不同類型的電機、不同的工作方式就需要有不同的環(huán)形分配器，如果更換了電機類型或改變工作模式，則整個硬件電路需要重新設(shè)計。隨著以系列為代表的單片機的迅速普及，基于軟件為核心的通用環(huán)形分配器獲得了廣泛的應(yīng)用岡，此類環(huán)形分配器僅需要更換不同的軟件即可適應(yīng)各種電機，而無需變更硬件，具有極大的靈活性。此外，在步進電機的速度控制中，我們尋求的最佳升降速曲線是根據(jù)

10、步進電機的動力學(xué)特性及矩頻特性得到的，在數(shù)學(xué)上這種曲線是比較復(fù)雜的，人們很難找到一種硬件電路來模擬它，只能在一定頻段內(nèi)做一種大的近似來擬合?，F(xiàn)在，我們可以通過軟件編程來精確的模擬升降速曲線，并且結(jié)合當前微型計算機的強大計算功能可實現(xiàn)步進電機的最優(yōu)化控制。三 存在的問題1) 步進電動機驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展,使步進電動機系統(tǒng)存在的失步、震蕩、驅(qū)動電流過大(效率不高)等問題得到了不同程度的改善或克服,但步進電動機固有的功率密度低的問題依然存在。2)對于混合式步進電機這類高度非線性、強耦合的位置伺服執(zhí)行元件,智能控制思想是一種合適的選擇。模糊控制作為一種智能控制方法,在步進電機領(lǐng)域已有應(yīng)用,但從已有文獻

11、來看,一類是利用模糊控制的思想,根據(jù)人的直觀思維建立簡單的模糊控制器用于反激法消除振動中反激開始和停止時刻來確定,另一類是采用線性模型仿真的方法設(shè)計模糊控制器用于混合式步進電機的速度控制,模糊控制在步進電機閉環(huán)控制中的應(yīng)用簡化了控制器的結(jié)構(gòu),組成的系統(tǒng)對電機非線性不敏感,但上述應(yīng)用只是模糊控制思想在步進電機控制領(lǐng)域的簡單推廣,未能較為全面地考慮步進電機非線性特性,控制效果并不理想,目前模糊控制器的設(shè)計理論還很不完善,通常是對人的控制思想的模擬。要使之達到較高的性能仍需要設(shè)計者對電機非線性的正確認識,并在此基礎(chǔ)上建立恰當?shù)哪：刂破鹘Y(jié)構(gòu)和控制規(guī)則。 3)矢量控制是實現(xiàn)電動機高性能控制的重要手段,

12、它可以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)矩的高效控制,由于混合式步進電機是在電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩共同作用下旋轉(zhuǎn)的,其內(nèi)部磁場復(fù)雜,非線性較一般電動機嚴重得多,所以它的矢量控制也較為復(fù)雜,混合式步進電機的矢量控制應(yīng)對直軸和交軸電流協(xié)調(diào)控制,充分利用電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的共同作用,提高電機效率。現(xiàn)有文獻大多令直軸電流恒等于零,即忽略磁阻轉(zhuǎn)矩的作用,這是不合理的,另一方面,矢量控制是建立在電機磁場可線性疊加的基礎(chǔ)之上的線性控制方法,由于實際電機中或多或少的存在磁場非線性因素,使矢量控制的具體實現(xiàn)有偏差,表現(xiàn)在電流給定與期望不同,尤其是存在相角偏差。這是控制上的原理誤差,或者說是模型誤差。對于位置伺服系統(tǒng)來說這種電流給定的相

13、角偏差是影響系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能的一個因素,混合式步進電機磁場高度飽和,更應(yīng)考慮這一問題?？梢?混合式步進電機的矢量控制理論和實現(xiàn)方法仍有待深入研究。 4）位置檢測是位置伺服系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),無位置傳感器位置檢測方法與反電動勢法,靜止時無法檢測低速時檢測精度不高,磁鏈法計算量大或需外加高頻檢測脈沖,可能會造成負的轉(zhuǎn)矩,影響電機出力。另外該方法要利用未通電相,采樣頻率及應(yīng)用采到限制,這三種方法的共同問題是依賴電機模型參數(shù),存在電動機相繞組間串擾、互感影響、開關(guān)管通斷造成干擾等問題,精度難以提高,限制了無位置傳感器位置檢測方法在位置伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用。如何用較低的成本實現(xiàn)混合式步進電機轉(zhuǎn)子位置的精度反饋,

14、仍有待深入研究。 5)步進電機仿真已經(jīng)取得了巨大進步,但存在不足。到目前為止研究得較多的是二相混合式步進電機電流驅(qū)動系統(tǒng)。同樣是主流產(chǎn)品應(yīng)用很廣的五相混合式步進電機系統(tǒng)則相差很遠,至今還沒有較為完善的分析模型,仿真大多僅局限于步進電機本體和開關(guān)電路部分,不考慮驅(qū)動器對電機運行性能的影響,步進電機與啟動器是不可分隔的一個整體,對步進電機的仿真應(yīng)是對步進電機系統(tǒng)的整體仿真。四 總結(jié) 隨著自動控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在眾多領(lǐng)域中的進一步應(yīng)用與發(fā)展以及數(shù)字化、智能化技術(shù)的日益發(fā)展，步進電機將會在更加深入廣泛的領(lǐng)域中得以應(yīng)用，并且其驅(qū)動系統(tǒng)也將隨之發(fā)展，尤其是智能化應(yīng)用技術(shù)方向的發(fā)展將會成為步進電機下一階段的發(fā)展趨勢。參考文獻1錢志良.步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計J.蘇州大學(xué)學(xué)報.2005,8(3):42-44.2李海濱、片春媛、許瑞雪.單片機技術(shù)課程設(shè)計與項目實例J.中國電力出版社. 2007,22(5):52-54.3劉國永、陳