基于单片机步进电机控制系统的设计.docx

【标题】基于单片机步进电机控制系统的设计 【作者】李 偲 侪 【关键词】单片机??步进电机??控制系统 【指导老师】许 明 【专业】电子信息科学与技术 【正文】1?引言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[1]。步进电机最早是在1920年由英国人所开发。经过不断的改良，使步进电机在各个领域得到广泛应用，比如在仪器仪表、机器人、数控机床、纺织、轻工、石油、邮电、冶金和化工等领域。目前，单片机也渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。在电气时代的今天，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。鉴此，研制一种基于单片机的步进电机控制系统具有重要的意义。用单片机控制步进电机可以实现各种复杂的控制。基于单片机步进电机控制的系统不仅避免了复杂的电路设计，具有控制简单、运行稳定、开发周期短等优点，同时也具有功能灵活多样?,脉冲输出准确?,实时性强等特点[2]，大大增强了系统的通用性和灵活性、成本也大大降低了，存在着十分广阔的潜在市场和应用前景。用单片机控制步进电机的系统，是由单片机产生的脉冲信号通过调节其频率便可以改变步进电机的转速，从而达到调速的目的；同时通过改变单片机输出控制信号的循环次序可以完成步进电机转动方向的改变。通过软件设计可以实现各种复杂的控制,其系统成本也较低,近些年来已被广泛应用在各种不同的运动控制系统中。这里设计了基于PIC 16F873单片机的步进电机控制系统,?具体阐述了由单片机对的步进电机的速度和方向控制的实现方法，本文对硬件电路的设计进行了详细的介绍，系统采用了硬件抗干扰技术措施，提高了系统工作的稳定性。2?步进电机的概述2．1?步进电机的分类及特点：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[3]，是机电一体化的关键产品之一。它将脉冲信号转换成直线或角位移，具有较好的控制性能，其原理是通过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。通过调节脉冲信号的频率便可以改变步进电机的转速，从而达到调速的目的，也就是说：当电机驱动器接收一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）；同时通过改变控制信号的循环次序可以完成步进电机转动方向的改变。步进电机可分为以下三大类：1）反应式步进电机[4]：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电机。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；启动和运行频率较高。2）永磁式步进电机[4]：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。3）混合式步进电机[4]：也叫永磁反应式、永磁感应式步进电机，混合了永磁式和反应式的优点。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；但启动和运行频率较高。????步进电机的特点如下：1）步进电机没有积累误差：一般步进电机的精度为实际步距角的百分之三到五，且不累积。2）步进电机在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上。3）步进电机与其它电动机不同，其标称额定电压和额定电流只是参考值。4）步进电机外表允许的最高温度：?步进电机的温度不宜过高，温度过高可能会导致电机失步。一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。?5）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（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。?6）用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向，只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。?2.2步进电机的基本参数1）电机固有步距角[5]：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[6]。?2）步进电机的相数[5]：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°?。步进电机增加相数能提高性能，但步进电机的结构和驱动电源都会更复杂，成本也会增加。3）保持转矩[5]（HOLDING TORQUE）：也叫最大静转矩，是在额定静态电流下施加在