【精品畢設】精品基于單片機步進電機控制系統(tǒng)設計畢業(yè)

1、中北大學信息商務學院2011屆畢業(yè)設計說明書1引言步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況 下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)， 而不受負載變化的影響, 即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機 只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制 變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常 規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好 步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)

2、知識。步進電動機有如下特點：1）步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比。因此，當它轉(zhuǎn)一圈后，沒有累計 誤差，具有良好的跟隨性。2）由步進電動機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單、廉價，又非?？煽浚?時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。3）步進電動機的動態(tài)響應快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。4）速度可在相當寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整，低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)距，因此一般可以不 用減速器而直接驅(qū)動負載。5）步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，不能直接使用交流電源和直流電源。6）步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應措施。國內(nèi)控制器的研究起步較晚，運動控制技術為一門多學

3、科交叉的技術，是一個以自動 控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎，包括許多不同學科的技術領域。如電機技術、電力電子 技術、微電子技術、傳感器技術、控制理論和微計算機技術等，運動控制技術是這些技術 的有機結(jié)合體?？傮w上來說，國內(nèi)研究取得很大的進步，但無論從控制器還是從控制軟件 上來看，與國外相比還是具有一定差距2。而目前國內(nèi)已有的步進電機驅(qū)動器，一般采用高低壓驅(qū)動方式或者調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動方 式，這些驅(qū)動電路僅可實現(xiàn)基本步距的運行，電路構成復雜，而且多由分立元件組成，可 靠性不高，還存在運行速度低、缺乏保護電路、驅(qū)動效率低和發(fā)熱損耗大等缺點。隨著微 電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了集成化的驅(qū)動電路，但由于我國在電子材料

4、與元器件、系統(tǒng)集成 技術等基礎工業(yè)水平和相關前沿領域與國際水平差距較大，所以步進電機驅(qū)動芯片主要依 靠進口。而且，現(xiàn)有的許多步進電機驅(qū)動芯片，大多僅提供整步、半步控制選擇，步進電 機的運行性能并沒有太大的提高。而且價格也比較貴。本文主要介紹了步進電機以及其控制驅(qū)動電路的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，研究了一種用 單片機制作的步進電機的控制驅(qū)動電路，使其能夠進行速度和正反轉(zhuǎn)控制，經(jīng)實驗證明效 果良好且可以驅(qū)動不同功率的步進電機。電路結(jié)構簡單，成本也非常低，有較好的應用價 值。1.1課題研究的背景和意義步進電機最早是在1920年由英國人所開發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在 步進電機上，這對于數(shù)字化

5、的控制變得更為容易。以后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進電機 已廣泛運用在需要高定位精度、高分解性能、高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械系 統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機 的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進 電機用得最多。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各 個國民經(jīng)濟領域都有應用。步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進電機可以直接用 數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便。一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)

6、動的，而步進電動機則有定位和運 轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它 就轉(zhuǎn)過一定的角度3。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與 輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得 所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn) 子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機控制。步進電機還具有快速啟動、 精確步進和定位等特點，因而在數(shù)控機床，繪圖儀，打印機以及光學儀器中得到廣泛的應 用。步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。傳統(tǒng)電動機作為 機電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關鍵的作用。步進