开题报告基于单片机与步进电机的驱动接口设计.docx

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开题报告基于单片机与步进电机的驱动接口设计

长江大学工程技术学院

毕业设计（论文）开题报告

题目名称

基于单片机与步进电机的驱动接口设计

题目类型

系部

信息系

专业班级

自动化60802班

学生姓名

罗万里

指导教师

徐爱军

辅导教师

徐爱军

开题报告时间

基于单片机与步进电机的驱动接口设计

一、研究的课题与选题意义

1、课题：

基于单片机与步进电机的驱动接口设计

2、理论意义：

步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的控制微电机,其机械角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比例.通过改变电脉冲频率,可在大范围内进行调速.同时,该电机还能快速起动、制动、反转和自锁.此外,步进电机易于实现与计算机或其他数字元件接口,适用于数字控制系统.步进电机只需采用最简单的开环控制就可取得非常高的控制精度，且这种系统不需要反馈信号，系统硬件实施比较简单。

3、现实意义：

随着科学技术的进步、工业自动化的进程，机械手将进一步取代简单而笨重的人工操作，逐步把在恶劣环境下工作的人们解放出来，这对于改善人们的工作条件、提高工作效率，具有一定的现实意义。

采用低价的单片机控制系统,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。

二、课题的基本内容：

1、利用8051单片机、常用数字逻辑接口器件、ROM、RAM存储器器件、功率驱动器件，设计一个步进电机的单片机控制系统，在了解分析步进电动机工作原理的基础上，设计一种正确有效的步进电机驱动接口，解决步进电机的速度控制问题。

采用KeiluVision2编程，通过Proteus环境仿真，显示控制结果。

2、步进电机工作原理：

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

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。

三、设计方案及原理：

本设计采用51单片机对步进电机进行控制。

通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号。

步进电机控制系统主要由单片机、键盘LED、驱动/放大和PC上位机等四个系统。

其中PC机模块是软件控制部分，该控制系统可实现的功能：

a、通过键盘启动/暂停步进电机，设置步进电机的转速和改变步进电机的转向；b、通过LED管显示步进电机的转速和转向工作状态；c、实现用单片机对步进电机的控制。

为保护单片机控制系统硬件电路，可以在单片机与步进电机之间增加过电流保护作用。

四、单片机的应用系统

单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。

人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。

单片机芯片与其它CPU比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，以适应不同的工作情况。

单片机应用系统的构成基本上如图5-1所示。

图5-1单片机的应用系统

单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。

本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。

这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。

对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有ROM/EPROM芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器使用。

五、步进电机

1、步进电机介绍

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。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机也非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

2、步进电机分类

永磁式（PM）：

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。

反应式（VR）：

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

在欧美等发达国家80年代已被淘汰。

混合式（HB）：

混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。

这种步进电机的应用最为广泛。

3、步进电动机的特点：

1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。

因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。

2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。

4）速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。

5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。

6）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。

4、四相混合式步进电机的工作原理及工作方式

如图2-1。

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD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。

图2-1四相步进电机步工作进示意图

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

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2-2a、b、c所示：

a.单四拍b.双四拍c八拍

图2-2步进电机工作时序波形图

5、指标

（1）步进电机的静态指标

相数：

相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。

电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。

在没有细分驱动器时，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，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

步距角：

步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

拍数：

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个步距角所需脉冲数，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。

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）。

保持转矩：

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。

比如，当人们说2N·m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N·m的步进电机。

（2）步进电机的动态指标

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。

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。

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。

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。

最大空载运行频率：

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。

运行矩频特性：

电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

如图6所示。

图6力矩与频率关系曲线

电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。

如图7所示。

其中，曲线3电流最大、或电压最高；曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。

要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，或采用小电感大电流的电机。

电机的共振点：

步进电机均有固定的共振区域，步进电机的共振区一般在50转/分至80转/分之间或在180转/分左右，电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

因此，在使用步进电机时应避开此共振区。

六、步进电机驱动系统

步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图6-1所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。

图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。

驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口。

步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。

典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。

步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。

步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。

控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。

通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。

步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。

控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。

功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。

保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。

图6-1步进电动机驱动控制系统

驱动系统总体结构图：

通过计算机把程序稍入单片机内，单片机将控制脉冲通过IO口输出给驱动电路，产生驱动信号，驱动步进电机的各项绕组，使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作，并显示相应的运行状态。