微型步进电机驱动与控制系统设计.docx

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1、微型步进电机驱动与控制系统设计摘要步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的机电元件,它能够在不涉及伺服系统复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度,并且具有性价比高、易于控制以及无积累误差等优点,在民用、工业用的经济型数控开环定位系统中获得了广泛的应用,具有较高的实用价值。本论文在研究步进电机的特性、构造、工作原理及关键驱动技术的基础之上,针对具体的应用需求,开发出了多款基于单片机的步进电机驱动控制器,最后将步进电机应用于芯片显微自动拍照系统当中,实现了芯片显微拍照的自动化。我在教学工作过程中有感于现在的中等职业教育的专业教材中介绍到的名种技术界限划分得太过于泾渭分明，相互之间的关

2、联太少，因此当然就会导致相应的专业实习也是七零八散的，而且工程实践中的技术很难有机地结合过来，脱节情况严重。因此本文的研究是尽最大的能力去设计一套基于单片机的步进电机控制系统，它要具备以下几个条件:硬件结构相对较为简单、经.济实惠，但功能却强大齐全，对各种情况适应性强，操作简单方便，性能可靠。通过这个系统可以把电子技术、步进电机技术、驱动技术、单片机技术等有机地结合起来，一方面对控制系统工程实践有实质性的帮助，另一方面对当前的职业教学也起到一定的促进作用。本文首先对步进电机的发展、应用情况、工作原理等进行了简要描述，介绍了常用的驱动技术和单片机技术在各种领域中的广泛应用，然后以单片机作为最核心

3、的主控制器提出了整个控制系统设计方案，再进一步细分研究对各个模块的电路，并通过软件仿真，调试等，并对基于单片机的步进电机控制系统从多个方面进行多角度的性能解剖、分析和具体研究。关键词:步进电机;正弦细分驱动;运动控制AbstractSteppermotorisakindofe1ectromechanica1componentthatconvertse1ectrica1pu1sesigna1intomechanica1angu1ardisp1acementor1ineardisp1acement.Itcanachievegoodpositioningaccuracywithoutinvo1vin

4、gcomp1exfeedback1oopofservosystem,andhastheadvantagesofhighcostperformance,easycontro1andnoaccumu1atederror.Ithasbeenwide1yusedincivi1andindustria1economica1CNCopen-1ooppositioningsystem,Ithashighpractica1va1ue.Inthispaper,basedonthestudyofthecharacteristics,structure,workingprincip1eandkeydrivingte

5、chno1ogyofthesteppermotor,accordingtothespecificapp1icationrequirements,anumberofsteppermotordrivecontro11ersbasedonsing1echipmicrocomputeraredeve1oped.Fina11y,thesteppermotorisapp1iedtothechipmicroautomaticphotographingsystemtorea1izetheautomationofchipmicrophotographing.Intheprocessofteachingwork,

6、Ifee1thatthetechnica1boundariesintroducedintheprofessiona1textbooksofsecondaryvocationa1educationaretooc1ear-cut,andthereistoo1itt1ecorre1ationbetweenthem.Therefore,ofcourse,thecorrespondingprofessiona1practiceisscattered,andthetechno1ogyinengineeringpracticeisdifficu1ttoorganica11ycombine,andthedis

7、connectionisserious.Therefore,theresearchofthispaperistodesignasetofsteppingmotorcontro1systembasedonsing1e-chipmicrocomputerasmuchaspossib1e.Itshou1dhavethefo11owingconditions:thehardwarestructureisre1ative1ysimp1e,economica1andpractica1,butthefunctionispowerfu1andcomp1ete,ithasstrongadaptabi1ityto

8、varioussituations,simp1eandconvenientoperation,andre1iab1eperformance.Throughthissystem,e1ectronictechno1ogy,steppingmotortechno1ogy,drivingtechno1ogy,sing1echipmicrocomputertechno1ogycanbeorganica11ycombined.Ontheonehand,itisofsubstantia1he1ptothecontro1systemengineeringpractice,ontheotherhand,ita1

9、sop1aysacertainro1einpromotingthecurrentvocationa1teaching.Thispaperfirstbrief1ydescribesthedeve1opment,app1icationandworkingprincip1eofsteppingmotor,introducesthecommondrivingtechno1ogyandthewideapp1icationofsing1echipmicrocomputertechno1ogyinvariousfie1ds,andthenputsforwardthedesignschemeofthewho1

10、econtro1systemwithsing1echipmicrocomputerasthecorecontro11er,andfurthersubdividesthecircuitofeachmodu1e,andthroughsoftwaresimu1ationanddebuggingAndthesteppingmotorcontro1systembasedonsing1echipmicrocomputerisdissected,ana1yzedandstudiedfrommanyaspects.Keywords:steppermotor;sinusoida1subdivisiondrive

11、;motioncontro11 .绪论1.1 引言步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的控制电机,它能够在不涉及狂杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度,并由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差等优点,在民用、工业用的经济型数控定位系统中获得了广泛的应用,具有较高的实用价值。为了强调本论文的实用性及可行性,本章综述了步进电机的各种特性;说明了步进电机的构造、工作原理及驱动;回顾了步进电机在国内外发展及应用的概况;分析了本论文所要重点研究的正弦脉冲宽度调制(SPWM)细分驱动、及升降频运动控制等关键技术;最后,介绍了本论文的研究内容以及其它章节的结构安排。1.2 步进电机国内外研究

12、概况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。上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的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，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电

13、机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机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。步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(f)成正比，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。如下所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作

14、原理示意图。图1四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SCSD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。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：图2步进电机工作时序波形图现在比较常用

15、的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。1.3 研究方案以及步骤对四相步进电机35BY48S03进行分析和调研，进而合理地设计电机的各项功能，确定该电机的总体功能,制定设计方案如图1所示。系统包括单片机最小系统设计、液晶显示模块、键盘输入模块和电动机驱动模块。图I系统整体设计(I)单片机最小系统：51单片机的最小系统也叫MCU最小系统，也就是能让单片机正常工作的最少配置，在一个最小系统中，有一片单片机+时钟电路+复位电路；(2)电

16、动机驱动电路模块：这部分电路作用是驱动步进电机的，拟采用1297与1298组合对电动机进行驱动；(3)键盘输入模块：键盘是单片机十分重要的输入设备，是实现人机对话的纽带。本设计中主要是用来对步进电机进行正转、反转、停止、加速和减速等操作，拟采用独立式键盘；（4）液晶显示模块:本设计拟采用1MO161进行显示,显示当前步进电机状态和速度。14研究步骤（1）调研现有步进电机的控制方案，了解步进电机现状并收集相关的资料；（2）对系统电路进行研究设计；（3）对系统程序进行研究设计；（4）整体分析总结及实物连接测试；（5）对步进电机正反转、加减速、急停等功能的验证；（6）进行全面总结。2 .系统设计2.1 整体系统设计2.1 步进电机控制系统的工作原理步进电机控制系统的工作步骤：硬件部分实现电机转动和速度显示功能，包括控制开关模块；电机转动模块和速度显示模块。软件部分实现对步进电机的控制功能，主要设计思想通过控制台控制程序的开关来控制电