基于单片机的步进电机控制系统设计及应用研究-毕设论文总结

0 下载量 194 浏览量 更新于2024-04-14 1 收藏 4.92MB DOC 举报
基于单片机的步进电机控制系统设计是一项具有重要意义和广泛应用价值的课题。步进电机是通过电脉冲信号控制的微型电动机,可以实现调速、起停、正反转控制以及制动等功能。在各种领域,如办公自动化设备和控制装置中,步进电机都有着广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展,步进电动机的需求量不断增加,因此研发步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。 国内外对步进电机的研究已经有了较为成熟的方案和技术。步进电机最初是在国外发明的,但在中国也已经生产和应用,并且在各行业中得到广泛使用。在国外,大功率工业设备驱动中基本不采用大扭矩步进电动机,而是更倾向于使用直流电动机,这是因为从成本、效率、噪音、加速度、绝对速度、系统惯量与最大扭矩等方面比较来看,直流电动机更加划算。然而,在一些应用场景中,步进电机仍然具有其独特优势和价值。 本课题旨在设计基于单片机的步进电机控制系统,通过电脉冲信号实现对步进电机的精准控制,包括调速、起停、正反转控制等功能。通过该课题的研究,不仅可以提高对步进电机的控制精度和效率,还可以拓展其在各个领域的应用范围,促进相关技术的创新和发展。因此,本课题具有重要的理论和实践意义。 在课题研究的过程中,我们将结合单片机技术和步进电机控制原理,设计一个高效、稳定、可靠的控制系统。通过对单片机的编程设计和电路原理的分析,实现对步进电机的精准控制。同时,我们也将结合国内外研究成果和应用案例,借鉴其经验和技术,优化步进电机控制系统的设计方案,使其更加符合实际需求和市场需求。 综上所述,基于单片机的步进电机控制系统设计课题具有重要意义和广泛应用前景。通过该课题的研究,不仅可以提高步进电机的控制精度和效率,还可以推动相关技术的发展和创新,为不同领域的自动化设备和控制系统提供更加优质的解决方案。希望通过我们的努力和研究,能够为步进电机控制技术的发展做出贡献,推动我国在该领域的技术水平和产业发展。
2023-02-27 上传
1 引言 1.1 课题研究的目的和意义 步进电动机是用电脉冲信号进行控制,将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的 微电动机,它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速, 快速起停、正反转控制及制动等,并且用其组成的开环系统既简单、廉价,又非常可行 ,因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。 随着微电子和计算机技术的发展,步进电动机的需求量与日俱增,研制步进电机驱动器 及其控制系统具有十分重要的意义。 1.2 国内外研究概况 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用,例如江苏、北京都生 产,而且都在各行业使用,驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的,当时是全分立 元器件构成的逻辑运算电路,还有电容耦合输入的计数器,触发器,环形分配器。 国外在大功率的工业设备驱动上,目前基本不使用大扭矩步进电动机,因为从驱动电 路的成本,效率,噪音,加速度,绝对速度,系统惯量与最大扭矩比来比较,比较不划 算,还是用直流电动机,加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用 ,就用空心转杯电机,交流电机。 国外在小功率的场合,还使用步进电机,例如一些工业器材,工业生产装备,打印机 ,复印件,速印机,银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应 用,除了前面提到的旋转编码器,打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动 机,实现闭环直线位移控制。 国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控,有实力的公司现在也采用交流电动机 驱动数控机床,在驱动设备的主要差距,是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和 应用能力强,先进的控制理论作为软件,写在控制器内部。 在卫星、雷达等应用场合,中国在文化大革命后期,就生产了力矩电机,就生产了环 形力矩电机,在高品质的控制场合,有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制, 在改革开放初期,国内就已经基本掌握,这与交流电动机的矢量控制相比,难度要低得 多。 2 步进电机与单片机简介 2.1 步进电机介绍 2.1.1步进电机概述 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲: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(及步进角)。 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。一般步进电机的精度 为步进角的3-5%,且不累积。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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。这一线性关系的存在,加上步进 电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机 来控制变的非常的简单。 正常情况下,步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入一定频率的脉 冲时,电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化 的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入,所以特别适合于微机控制。 本次课程设计采用的是步距角为1.8度的四相八拍永磁式步进电机。 步进电机的基本参数: (一)步进电机的静态指标术语 1、相数:产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 2、拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个 齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA- AB,四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 3、步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度(转子齿数* 运行拍数),以常规二、四相,转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/ (50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半 步)。 4、定位转矩:电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及 机械误差造成的) 5、静转矩:电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。此 力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过份采用减小气隙 ,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。 (二)步进电机动态指标及术语: 1、步距角精度: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