步进电机控制器方案设计书.docVIP

单片机原理课程设计 题 目 步进电机控制器设计 学 院 物联网 专 业 自动化 姓 名 学 号 综合得分 2011年 6月 目录 摘要 3 一、涉及内容介绍 4 1.1 步进电机工作原理 4 1.2 设计目的 5 1.3 设计要求 6 1.4 仪器设备 6 二、设计思路及相关内容 6 2.1 设计思路 6 2.2 总体设计框图及电路原理图 7 2.3 单片机及其最小系统 8 2.4 按键电路 8 2.5 步进电机状态显示电路 9 2.6 步进电机驱动电路 9 三、程序设计 11 3.1 程序设计思路 11 3.2 程序设计流程图 11 3.3 主程序设计 12 四、总结 15 五、参考文献 16 摘要： 随着现代科学技术的迅猛发展，尤其是微型计算机的出现，给电机控制带来了革命性的变革。作为电机家族的重要组成部分，步进电机从一出现就得到了广泛的应用。由于步进电机能直接接受数字信号，所以特别适宜采用微机进行控制。本文以“数控机床工作台的直线位移量控制” 为应用背景，提出了一套可行的利用步进电机控制工作台精确位移的控制方案。在常见的数控机床中X-Y工作台是非常重要的组成部分，如图1所示 图1 X-Y工作台及内部结构 本文只以工作台在X轴方向的直线位移量控制为研究对象。Y轴方向可以采取相同的控制方案。步进电机通过丝杠将旋转运动变换为工作台的直线运动，从而实现工作台的位置控制。根据使用步进电机的情况，可采用齿轮减速，亦可直接驱动。本文采取直接驱动的方式，步进电机带动滚珠丝杠进而带动工作台位移。工作台在X轴方向的最大行程定为300mm，定位精度为Q=0.01mm,滚珠丝杠的螺距为t=2mm,则可得到步进电机每转当量数(步进数)为N=t/Q=200,则步进电机的步距角为θ=360/N=1.8°所以选择步距角为1.8°的混合式步进电机，利用了混合式步进电机输出力矩大，动态性能好的特点。对于步进电机采取“最佳点—位控制”的方案，由上位机发出控制命令，通过串行通讯(RS-232总线)发送给AT89S51单片机，后者根据期望的工作台位移量采取对应的控制策略，保证工作台的精确定位。每次运行完毕后，AT89S51单片机都向上位机发送相应的状态标志字符，以使操作人员随时能够了解工作台目前的状态，为下一步动作做好准备。在工作台移动过程中，随时可以通过上位机控制步进电机锁定，以防止误操作。工作台的移动速度，采用单片机内部定时器记数的方式设定。单片机的软件系统加入了‘越限’检测程序，可以在步进电机开始运行之前就完成‘越限’检查。同时，系统加入了LED数码管，适时显示工作台的剩余位移量。 一、涉及内容介绍 1.1步进电机工作原理 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2所示： （a） （b）