基于单片机的步进电机控制系统毕业设计论.doc

引言 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。应用领域涉及机器人工业电子自动化设备医疗器件广告器材舞台灯光设备印刷设备计算机外部应用设备等等本设计采用6位单片机对步进电机进行控制，通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片驱动步进电机；同时，用来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，其中扫描仪、打印机、传真VD-ROM/CD-ROM驱动器、空调及多功能自动化办公设备等应用对步进电机的需求增长最强。此外由于USB2.0的日益流行促进了高分辨率扫描仪的销售，步进电机向着小型、薄型和更小的步进角度发展。先选电机后驱动1)步进电机的主要参数 ① 步距角 在电机内不带任何减速装置的情况下，输入一个脉冲信号，步进电机所转过的机械位移即为步距角。电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36°/0.72°（五相电机）、0.9°1.8°（二、四相电机）、1.5°/3°?（三相电机）等。二、四相电机步距角°四相电机度°/0.9°=400，则步进电机转一圈需要400步。 ② 步进电机的相数步进电机的相数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。在没有细分驱动器时，主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。(用于较小电机)直到几瓦(用于大型电机)。步进电机的最大功耗受绕组中温度限制。出于本系统设计的考虑只须选择功率范围在十瓦以内的小功率电机即可。 ⑤ 最高运行转速确定步进电机的最高运行转速。转速指标在步进电机的选取时至关重要，步进电机的特性是随着电机转速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多参数有关，如:驱动器的驱动电压、电机的相电流、电机的相电感、电机大小等等，一般的规律是：驱动电压越高，力矩下降越慢；电机的相电流越大，力矩下降越慢。在设计方案时，电机的转速控制以参考矩频特性 (2)步进电机动态指标： ① 步距角精度 即为步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。 ② 失步电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数称之为失步。失调角转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 最大空载起动频率电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。最大空载运行频率电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。°，相数m为4，额定电压Ue值为12V，相电阻值为34Ω，电机引出线数目为6，分别为红、红、黄、橙、灰、黑六色。 图3-1-3 步进电机实体图 3.2 步进电机驱动的几种方案论证与比较 本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动，设计中受控电机为四相八拍制的步进电机。 3.2.1使用分立元件驱动步进电机 以往步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就得重新设计电路。随着微电子和计算机技术的发展，对步进电机的控制变得非常灵活方便，可以通过软件来控制步进电机。因此，用微电脑控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。 3.2.2 使用多个功率放大器件驱动电机 通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。 3.2.3使用CH250芯片驱动电机 在这种形式里，脉冲分配器（CH250）、驱动电路由硬件完成。单片机只提供步进脉冲和正、反转控制信号，步进脉冲的产生与停止、步进脉冲的频率和个数都可用软件控制。 但相比于用软件代替脉冲分配器的方式来说，硬件一旦确定下来，不易更改，更主要的是此种芯片已经在世面上买不到了，所以不采取该方案。 3.2.4使用L298N芯片驱动电机 L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，每相电流达2 A。可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片