电气工程及其自动化毕业设计：步进电动机的微机控制.doc

1、 本科 毕业设计 步进电动机的微机控制 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘 要 步进电动机是一种以脉冲信号为控制信号，以步进方式来运动的电机。在国外，一般称为 Stepping motor 或者 stepper motor。 步进电机具有 启停快速、步进精确、能直接接收数字信号的特点 ，在各行各业中得到广泛的应用。为了使步进电机能够更加良好地发挥出自身的特性，对于步进电机的研究一直都在进行。这其中，以单片机为控制核心的控制方式不论在控制的效果、本身的性能还是制作的成本等方面上都显示出了很强的优势。并且，这种控制方法在软件和硬件上的

2、研究都出现了一系列的成果。比如驱动技术的发展，控制理论的发展还有单片机的发展等。在现代社会的生产中，越来越重视生产力和生产方式的发展，其中自动化生产以其高效，便捷，安全，精确等优点应用在各种领域。而单片机 则以自身的优点成功地被应用在自动化系统中。 本文首先介绍了步进电动机的一些基本常识，包括特点、分类、结构、运行原理等。其次着重介绍了三相反应式步进电机的结构、工作原理和三种工作方式。然后，介绍了部分单片机控制步进电机的原理和方式。最后通过分析一个单片机控制的步进电机的调速系统来了解单片机控制的优点。本文以介绍的方式加深了人们对步进电机以及单片机控制系统的了解，并发掘它们的优点。 关键词 ：步

3、进电机； 原理； 特性； 工作方式； 单片机控制 Abstract III Stepping motors is a pulse signal for control signal to stepping motor way to exercise. In a foreign country, which generally called Stepping stepper which or. Stepping motor have a start-stop fast, stepping accurate and can directly receive digital signal chara

4、cteristics, in all walks of life widely applied. In order to make the stepping motor can more good to play out of its own characteristics, for stepping motor research has been going on. Among them, the MCU as control core control mode no matter in control effect, itself the cost of the performance o

5、r making aspects showed strong on the advantage. And the control methods in software and hardware of the research on a series of achievements. Such as drive the development of technology, control the development of the theory and MCU development, etc. In modern society, pay more and more attention t

6、o the production of the development of productive forces and the production mode and its automation production with its efficient, safe, accurate, convenient application in various fields advantages. And while the advantages of itself microcontroller successfully applied in automation system. This p

7、aper firstly introduces the stepping motor some basic knowledge, include features, classification, structure, operation principle, etc. Secondly introduces 3-phase reaction stepping motor structure, working principle and three way to work. Then, this paper introduces microcontroller control part of

8、the stepper motor principle and ways. Finally by analyzing a single-chip microcomputer control stepping motor speed control system to understand the advantages of single-chip microcomputer control. This article introduced the way better about stepping motor and single-chip microcomputer control syst

9、em of understanding, and explore the merits of them. keywords ： Stepping motor; Principle; Character; Working way; Single-chip microcomputer control 目录 IV 第 1 章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 论文研究的目的 . 2 第 2 章 步进电机的特点、分类 . 3 2.1 步进电动机的运行特点 . 3 2.2 步进电机的分类 . 3 第 3 章 反应式步进电动机的结构与工作原理 . 4 3.1 反应

10、式步进电动机的结构 . 4 3.2 反应式步进电动机的工作原理和方式 . 5 3.2.1 反应式步进电动机的工作原理 . 5 3.2.2 反应式步进电动机的三种工作方式 . 6 第 4 章 单片机控制步进电动机的研究 .11 4.1 单片机对控制脉冲的分配 .11 4.2 单片机控制步进电机的转速 . 14 4.3 单片机控制步进电动机的加减速 . 15 4.4 单片机控制步进电机的位置 . 16 第 5 章 单片机控制步进电机调速系统优越性 . 17 5.1 单片机控制步进电机调速实例 . 17 5.2 对单片机控制系统优越性的分析 . 21 总结 . 24 致谢 . 错误 !未定义书签。

11、参考文献 . 25 附录 . 26 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 在现代社会的生产发展中，人们对于生产过程的精密程度要求越来越高，而生产机械设备的厂商对产品的精密工作的能力越来越重视，因为这已经极大的影响到生产出的机械设备在与其他同类型设备在市场上的竞争中能否获得胜利。发达国家对于这样的精密生产加工尤其重视，产品的改革创新与生产的扩大与发展都与之密切相关。而在生产过程中设备的精密定位是设备能否进行精密工作的关键。步进电动机便是这精密定位系统中的一个重要组成部分。 步进电机也被称为阶跃式电动机和脉冲式电动机。在国外，一般称 为 Stepping motor 或者stepper motor。

12、它的使用已经有 80 多年的历史了 。步进电机是把电脉冲信号转换成相应的角位移或者直线位移的机电元件，是一种的数字控制的电动机。它实质上相当于单相或者多相的同步电机，当得到一个脉冲信号，步进电机会转过一个角度，或者前进一步。步进电机由于运行时，转速，停止仅仅受到给定的脉冲信号的频率和数量的影响，而且，步进电机只有周期的误差却不会产生误差的积累，运行精度很高。在调速时，只需改变输入脉冲的频率和数量就可对步进电机实现启停、正反转的控制，这是步进电机的优点。 1 因为步进电机具有启停快速、步进精确、能直接接收数字信号的特点 ,所以它在工业生产中应用范围很广。并且由于现代生产发展对于精密加工的要求越来

13、越高，加上现在的步进电动机的驱动技术在电力电子、微电子、微处理器等技术的发展的推动下飞速发展，使步进电动机能更加广泛应用于现代社会的各种自动化生产设备与系统当中。并且由于步进电动机在计算机及其附带产品中的不可替代的作用。使得步进电动机的需求量随着计算机产业的飞速发展而得到飞速的提升，极大地促进了步进电动机产业的发展。比如打印机，存储设备等都出现了步进电动机的身影。 1.2 国内外研究现状 对于步进电机的研究，国内外早已有之。在早期的步进电动机的生产中，一些公司只能生产一些特殊用途的步进电动机，导致很少有人愿意使用，因此当时的步进电动机的产量很低，使用量也很低。直到 1975 年前后，由于步进电

14、动机在计算机终端机的外围设备，查询机器等等办公设备的大量使用，使得当时的步进电动机的产量大大增加，也极大的促进了步进电动机产业的发展。当然，对于步进电动机在这些方面的大量使用，也是因为步进电动机比较适合工作在断续的状态，还有就是步进电动机的驱动电路的发展。比如其中驱动电路的元器件 晶体管，集成芯片等技术的发展，使得生产成本得到下降，步进电动机的整体价格也随之下降。 3 在步进电机的发展历史上，产生了很多种控制方案，也产生了许多的驱动技术。就控制方案来说，有基于电子电路的控制方案，有基于单片机的控制方案，也有基于 PLC 的控制方案。这里，对于这三种控制方案，我们进行简单的了解。 1.基于电子电

15、路的控制方案：控制步进电动机加减速，正传反转所需的脉冲的产生、分配全部都是由电子元器件来完成。要对步进电动机的运行实现较好的控制，便要对脉冲进行放大的处理。因此，在这控制电路中必须要有对脉冲进行功 率放大的驱动电路。这样设计出来的控制电路结构简单，并且功能较强大，对于一般的步进电动机的控制都可以实现，而且成本低，实用性较强。但是它的缺点是控制精度不是很高，并且由于使用时大多会采用集成电2 路的形式来使用，导致控制功能相对单一，不能轻易变动。 2.基于单片机的控制方案：采用单片机来控制步进电动机的方法，使控制结合了软件与硬件，对于步进电动机的控制效果大大增加，使步进电动机的性能也得到极大的提高。

16、由于单片机的强大的性能，可以简化步进电动机的控制过程，对步进电动机实现自动化控制，也可以使步进电动机的运行精度得到 提高，使步进电动机本身性能得到提高。 3.基于 PLC 的控制方案：可编程控制器（ PLC），它的本身有很多优点，实用性强，硬件设施完善，简单易学，运行可靠。因此，在自动控制系统中得到广泛应用。通过 PLC 来控制步进电动机可以省掉对步进电动机的专用驱动设备，减少硬件的成本，但是由于 PLC 本身的一些限制，使步进电动机不能在高频的条件下运行，且不能实现高速控制，而且在速度较高的情况下步进电机的控制精度会降低。 这些控制方案都各有优缺点，能较好的适应现代社会中不同生产环境的需求，

17、也能较好的发挥步进电动机的优良特性。当然， 在这些控制方案中，使用单片机控制的方案相对的实用性和对步进电机的控制性能更加突出，所以本设计的控制方式采用了单片机控制。 我国在步进电动机的使用方面，主要以反应式步进电动机为主。在控制系统方面，步进电动机有开环控制系统，闭环控制系统，和半闭环控制系统三种。由于闭环控制系统和半闭环控制系统在使用过程中需要增加比如反馈部件，控制部件，检测部件等，对于使用成本大大增加，与步进电动机价格相对较低的优点不符，所以，在实际的步进电动机应用当中使用较少。而开环控制系统相对简单，使用较为容易，使用时所需的成本较低，较为廉价 所以在实际生产生活中，使用开环控制系统较为

18、常见。比如步进电动机在数控系统中的应用。对于数控系统来说步进电动机时不可缺少的重要部件。以单片机控制系统作为对步进电动机的控制方式，再以步进电动机作为控制的执行部件，这样的组合结构简单，价格低廉，非常适合在相对要求经济节约的数控系统中使用。而且在使用中配上其他的一些检测，反馈控制的部件，就可以进行精度较高的工作。 在驱动技术方面，也产生了单电压驱动，以改变电路中的时间常数来 提高步进电机的高频特性的方式；高低压驱动技术，加大绕组的电流来控制电机的出力；恒流斩波驱动技术 ，使用斩波的技术，改变流过绕组的电流波形，使电流的有效值增加，来控制步进电机的转矩；细分驱动技术，仅仅改变相应绕组的部分电流得

19、到对步进电机的旋转控制。国内外对步进电机的研究越发完善，性能越来越强，可以看出步进电机的的发展前景非常广阔，对步进电机的研究也显得非常重要。 1.3 论文研究的目的 本次设计的研究目的是加深人们对于步进电机的了解，包括步进电机的分类、结构，工作原理与工作特性。着重了解反应式步进电机的结构、工作方式与工作原理。最后对于步进电机的 调速在 单片机控制方式 下 进行介绍了解与分析研究，论证单片机 控制步进电机的方式存在的优点。 3 第 2 章 步进电机的特点、分类 2.1 步进电动机的运行特点 步进电动机有以下这些特点： 1、步进电动机具有良好的跟随性，转动过程中不会产生误差积累。 2、步进电动机的

20、输入脉冲与转动的角度严格成正比，同样步进电动机的输入脉冲的频率也严格与它的转速成正比。 3、步进电动机和它的驱动系统可以组成简单、廉价的开环数控系统。 4、步进电动机的动态响应较好，对于启动、停止、正反转以及变速的控制较容易，且在停止时存在自锁现象。 5、步进电动机驱动时，不能直接使用交流或者直流电源， 只能使用脉冲电源来驱动。 6、步进电动机工作时会有失步和震荡的现象，需采取相应的措施进行处理。 7、步进电动机的带惯性负载能力相对较差，且在运行时产生较大的噪声和振动。 8、步进电动机在低速运行的情况下也可以获得较大的转矩，可以在很宽的范围内对速度进行平滑调节，因此可以直接驱动负载而不用减速装

21、置。 2.2 步进电机的分类 步进电机的种类有很多，有机械式，电磁式，组合式。在现实生产生活中通常情况下的分类是按照它的转子的结构来进行的。 1. 永磁式步进电动机（ PM 型） PM（ Permanent Magnet，永久 磁铁）型转子为内转子的永磁式步进电动机。转子本身为永磁材料，可作为磁源。转子的极数与定子的一样，所以一般来说步矩角比较大。永磁式步进电机的输出转矩较大，动态性能良好。相比反应式步进电机来说，永磁式功率消耗较低。不过在启动时，运行的频率较低，需要正负脉冲信号的供给。 2. 反应式步进电动机（ VR 型） 反应式步进电动机的转子由硅钢片或者电工纯铁棒等软磁材料制成的，转子外

22、表面多齿状结构，而转子中没有绕组（转子的齿槽在转动过程中磁阻会发生变化，因此被称为变磁阻电机，简称 VR）。在它运行时，定子线圈通电，定子的磁极 产生磁化，吸引转子齿从而产生转矩，使电机移动。反应式步进电机的结构较为简单，因此生产成本相对较低，可以把步矩角做到很小，但是缺点是动态性能较差。 3. 混合式步进电动机（ HB 型） 混合式步进电动机结合了反应式步进电动机和永磁式步进电动机两者的优点，它即有永磁式步进电机的输出转矩大，动态性能好的优点，也有反应式步进电机的步钜角较小的优点。不过它的缺点是结构太复杂，使用的成本较高。 由于反应式步进电动机的性价比相对较高，因此在很多领域中，反应式步进电

23、机得到广泛的应用，尤其在单片机控制系统中。 下面我就着重介绍反应式 步进电动机的结构和工作原理。 4 第 3 章 反应式步进电动机的结构与工作原理 3.1 反应式步进电动机的结构 下面是一个三相反应式步进电动机的结构示意图： 图 3.1 三相反应式步进电动机 在上图中我们可以看出，三相反应式步进电动机分为转子和定子两个部分，它以硅钢片叠成定子。在定子的铁心上有 6 个大齿，它们的形状相同，且在每个大齿上都缠绕着一个线圈，两个相对的大齿为一对，共有 3 对大齿，每两个大齿之间有 60的夹角。这样的一对大齿上缠绕的线圈串联起来就是一相的绕组。这样的 3 对大齿就形成 3 个绕组。这样我们 可以得出

24、，四相步进电动机就有 4 个绕组，五相步进电动机就有 5 个绕组 在每个大齿的内表面又均匀分布着多个小齿，这些小齿的大小相同，它们之间的间距也相同。 转子是圆柱形铁心形状的，制作的材料则是软磁材料，在它的外表面也有和定子磁极上的小齿相同的小齿均匀分布着，它们间距一样，外形也相似。 两种小齿的间距都相同，大小形状也相同，所以，不论转子还是定子上的小齿，它们的齿距角度都可以用下面的公式来计算，其中的 Z 为转子的齿数。 2/z Z （ 3-1） 如，转子的小齿数量为 50，那么齿距角就是 2 / 5 0 7 . 2z 在设计时应当注意转子的齿数要能被 2 整除却不能被相数整除，当对某一相的绕组进行

25、通电，转子自由转动时，这一相的大齿上附着的小齿就会把转子上相近的小齿吸引过来，使得电动机转动，直到定子上的小齿与转子上的小齿位置对齐为止。而其他几个大齿上的小齿则和转子上的小齿错开，形成错齿位，并且要求达到 1/3 的齿距。步进电动机能够正常旋转，就必须要产生错齿，这是前提条件。所以，错齿的结构在步进电动机中必须存 在。 反应式步进电动机是以电磁力来作为电机运动的动力的。转子在电磁力的作用下被推到最小磁阻也就是最大磁导率的位置，即定子小齿与转子小齿的位置对齐的时候，且这时转子处于平衡状态（如图 3.2 （ 1）所示）。在三相步进电动机运行时，某一相的磁极达到最大的磁导率的位置时，其余的两相磁极

26、一定没有达到最大磁导率的位置，也就是定子小齿和转子5 小齿位置不对其的时候（如图 3.2 （ 2）所示）。 图 3.2 磁导现象表现于定子小齿与转子小齿之间 3.2 反应式步进电动机的工作原理和方式 3.2.1 反应式步 进电动机的工作原理 下面是对反应式步进电动机运行原理的分析： 要使电动机转动，则要对错齿状态的那一相通电，然后，在电磁力的作用下，转子便会转动向磁阻最小或者磁导率最大的位置转动，即，转动会趋向对齿的状态，正是基于这样的原理，步进电动机才能转动起来。 下面，我们可以通过下面的图形（图 3.3）来进一步了解步进电动机的转动原理。 图 3.3 步进电动机的工作原理图 当开关 Ka

27、闭合时， A 相的绕组得电，从而使得 A 相的磁场建立， A 相上定子磁极上的小齿同转子上的小齿相对，形成对齿，而在 B 相与 C 相上的小齿与转子上的小齿 则形成错齿。 同理，断开开关 Ka，闭合开关 Kb，使得 B 相绕组得电，并建立成磁场。此时 B 相的小6 齿与转子小齿处于错齿状态，而转子将会在电磁力的作用下转动，直到转子与 B 相形成对齿的位置为止。之后，三相定子与转子的状态分别是：转子转动了 1/3 个齿距角； A 相与最初相比转动了 2/3 个齿距角； B 相则与转子形成对齿；而 C 相和转子相错了 1/3 个齿距角。 同样的，将 B 相断电之后，与以上的情况相同， C 相在开关

28、 Kc 闭合之后得电形成磁场，转子再转动 1/3 个齿距角，使得 C 相的小齿与转子形成对齿现象，同时，转子与 A 相之间错开了 1/3 个齿 距角转子与 B 相之间也错开了 2/3 个齿距角。 C 相断电再将 A 相通电也是一样，转子在转过了 1/3 齿距角后，与 A 相定子上的小齿形成对齿，而与 B 相、 C 相形成错齿。最终，经过这三步的运动，三相的状态回到最初的时候，只不过转子总共正好转过了一个齿距角。 由此可以看出，对各相的绕组通电按照 ABCA 的顺序，则磁场将按照 ABC 的方向转动 360，转子也沿着同样的方向转动一个齿距角。 同理，如果通电的方向相反，即沿着 ACBA 的顺序

29、惊醒通电，那么转子转动的方向也将相反。 如果在以上的操作中，对绕组 每 通电一次定义为 一拍，那么对于三相反应式步进电动机的三组绕组通电一轮就是三拍。转子每走一步需要一拍，而三拍之后转子就转过一个齿距角。 我 们将转子每一拍所转过的角度定义为步距角 N ，计算公式如下所示： z 2=NZN N （ 3-2） 这其中的 N 为步进电动机工作的拍数。 比如，某台三相反应式步进电动机转子上共均匀分布有 40 个小齿，转动了 3 步， 则步矩角 2 / 4 0 3 3N 这其中齿矩角 z 为 9， 这样转动了 3 步，则每一步的步矩角为 3。 由上面的分析可以得出反应式步进电动机对于结构是有一定的要求

30、的。 （ 1） 必须能使定子绕组与转子上的小齿形成错齿，因此，定子绕组上磁极上的分度角不允许被齿距角整除。 （ 2） 必须能使定子绕组与转子上的小齿形成对齿，因此，定子绕组磁极上的分度角除以齿距角之后所得余数应当是步矩角的倍数，并且，倍数的数值与相数的数值不能有公因子。 3.2.2 反应式步进电动机的三种工作方式 1、单三拍工作方式 单三拍工作方式，即对三相步进电动机的绕组按照 ABCA 的方式通电时，电机的工 作方式。这其中，每次仅仅对一个相的绕组通电即单三拍的 “单 ”。而 “三拍 ”则是指磁场要完成一周的旋转，即转子转完了一个齿距角，就要进行 3 次换相。同理，对于多相的步进电动机来说，每次仅仅对一个相的绕组通电，要使磁场完成一周的旋转，就要换相多少次，即多少拍。 对于以单三拍工作方式下的反应式步进电动机来说，它的步矩角可以按照上面的公式（ 3-2）计算。 对于在单三拍工作 方式下的步进电动机来说，各相通电之后的波形如下图所示：