《计算机控制技术》课程设计说明书-二相步进电机控制系统设计汇.doc

二相步进电机控制系统设计 1步进电机介绍 1.1步进电机特点 步进电机(stepping motor)是将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的一种特殊电机。电动机每输入一次电脉冲信号，电动机就转动一个角度，从而形成不仅是的运动，所以称为步进电动机；另外由于输入的是脉冲电流，故也称脉冲电动机。 随着科学技术的发展，步进电动机获得了广泛的应用。步进具有很多优点也有不少缺点，步进电机的特点主要由下面几点： 1 步进电机的输出脚与输入脉冲的个数成正比，控制输入的脉冲数就能控制位移量。 2 步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，改变通电相序即可改变电动机转向。 步进电机启动、停止迅速，当停止脉冲输入时，若维持绕组内电流不变，电动机转子会保持在停止时的位置上。 3 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且误差不会累积。 4 步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏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 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 7 步进电机的确定是效率地，带负载能力低，调速范围小，最高输入脉冲频率一般不超过18KHZ，并且需要专用电源给电脉冲信号，在运行中会出现共振和震荡问题。 1.2步进电机工作原理 步进电机是一种用电脉冲进行控制 ,将电脉冲信号转换成相位移的电机 ,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比 ,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度 ,脉冲的频率决定了电机运转的速度.当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 对于反应式步进电机转速与脉冲频率的关系为： 式中：为脉冲频率，单位是HZ。N为电机运行拍数、z为转子齿数。 对于反应式步进电机的步距角为： 式中：N为步进电机运行拍数，z为转子齿数。对于二四相电机齿数一般为50。 1.3 二相步进电机 根据设计要求本设计设计对象是二相步进电机，有两组带中心抽头的线圈，因为设计要求采用双极性控制即H桥控制，绕组的中心抽头不接，使用四线工作。二相六线制步进电机如图： 图1 二相六线制步进电机结构示意图 图中、为绕组的中心抽头，、、、为四个绕组出线端。对各绕组施加通电脉冲，转子会在电磁力的作用下向磁导率最大即趋于对齿的状态转动，由于各相是有选择性的通电且通电时间是有限的，对各绕组在各拍下按某种既定的通电顺序通电即可以使电机转动，调整对各绕组施加的脉冲频率可以调整电机转速大小，改变各绕组通电顺序即可以调整其转动方向。通过改变绕组通电顺序组合可以改变电机运行拍数。 二相步进电机运行状态有二相四拍与二相八拍两种运行状态，其中四拍又分为单四拍与双四拍。本设计中四拍选择双四拍方式。 二相四拍正转各绕组通电顺序为： 单四拍： 双四拍：。 二相四拍反转各绕组通电顺序为： 单四拍： 双四拍： 二相八拍各绕组通电顺序为： 正转： 反转： 步进电机运行有半步与整步两种，对于二相步进电机四拍运行时为半步，步距角为1.8度，八拍运行时为半步运行方式，步距角为0.9度。步距角越小控制精度越高。 2 题意分析与方案论证 2.1 题意分析 设计题目要求采用双极性控制设计一个二相步进电机控制系统，要求具有对电机开关、正反向控制、拍数控制以及速度控制，并且系统能够实时显示电机运行步数以及用发光二极管表征电机运行状态：正转、反转和停止。可以设计一个以单片机为核心的微型计算机系统实现设计。通过按键输入用户对电机的控制要求，单片机读取按键信息并进过处理调用相应的模块输出到驱动芯片完成对电机