发布时间 : 星期日 文章基于单片机的步进电机系统设计更新完毕开始阅读
河南科技大学毕业设计（论文）
前 言
随着信息化产业的高速发展，步进电机功能日趋完善，电动机已经成为机械自动化的基础，步进电机已经应用于数字控制系统中，另外在工业自动化生产线中印刷设备等中亦有应用。
步进电机最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。目前在数控生产等应用领域，有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服控制系统的控制电机的。因此，如何改善步进电机的控制方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。
所以本项设计，通过AT89C51单片机及脉冲分配器（又称逻辑转换器）PWM8713完成步进电机各种运行方式的控制。实现步进电机在三拍、六拍工作方式下的正反转控制、无极调速控制等功能，CPU运行速度大为加快，提高了系统响应速度，能达到提高系统定位精度，减少响应时间，减小整体体积的目的，使得步进电机在开环控制系统里就能实现精确的控制，对改进数控机床的加工精度有重大意义。整个系统采用模块设计，结构简单、可靠，通过人机互交接口，可实现各功能设置，操作简单，易于掌握。对于提高工业精密定位技术，进行产品革新、扩大生产和提高良品率和国际经济竞争力有着重要的现实意义。采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用环形分配器代替软件控制，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可以设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转，反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转，反转速度等状态。
本方案有以下优点：（1）单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精度控制，避免了失步，震荡等对控制精度的影响；（2）使用环形分配器PPM8713代替软件分配，减少了对单片机CPU资源的占用，提高了运行速度；（3）单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围
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电路有机的组合，大大提高系统得交互性。
我国数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电机控制系统，为了适应一些领域中高精度定位的运行平稳性的要求，我国改革开放初期研究步进电机细分驱动技术，细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分包括振荡器、环形分配器控制的细分驱动。另外还有基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现pc机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法。
国内外对步进电机的研究一直很活跃，目前，国外对步进电机的控制驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小驱动器的体积，明显提高了整机的性能，比较典型的芯片有两类：一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减过程，同时完成计长走步、正反转等。对于开环使用的步进电机，实现合理的加减速过程便可以使其达到较高的运行频率而不失步或过冲。例如日本的ppmc101b便是这种芯片。采用这类专用集成电路可驱动3-5相电路，可选择励磁方式，转速精确，设定的转速范围宽、加减速的过度时间上升陡度可以根据负载选定，此外还有单步运转和不同的停止方式。
随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用，并且其控制系统也将随之发展，尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机下一阶段的发展趋势。
以单片机为核心，设计步进电机控制电路，编程实现对步进电机的控制。研究相应控制算法，编程实现对步进电机加减速的控制。
本设计主要采用的是实验法、案例研究法以及行动验证法。
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第1章 步进电机简介
§1.1 步进电机概述
其中步进电机它是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。通俗一点讲就是：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（或步进角）。我们可以通过控制输入脉冲的个数来控制步进电机的角位移量，从而达到准确定位的目的；同时我们也可以通过控制输入脉冲频率来控制步进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%，而且不累积。
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。
本次毕业设计采用的是步距角为1.8度的四相四拍永磁式步进电机,其型号为28BYJ-48。
§1.2 步进电机的基本参数
§1.2.1 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
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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。 以常规四相。转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为：
θ=360?/（50*4）=1.8? (1-1) 八拍运行时步距角为：
θ=360?/（50*8）=0.9? (1-2) 在没有细分驱动器，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求，如果使用细分驱动器则“相数”将变得没有意义用户只需要在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
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。
§1.2.2 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，不等于理论上的步数。称之为失步。
3) 失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
4) 最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
5) 最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
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