基于單片機的步進電動機驅(qū)動控制器設(shè)計畢業(yè)論文(已修改)

　

【正文】 中北大學信息商務(wù)學院2012屆畢業(yè)設(shè)計說明書1　緒 論　引言步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其應(yīng)用發(fā)展已有約80年的歷史。步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。步進電機在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此，控制電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機旋轉(zhuǎn)。步進電機每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，同時步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進電動機最突出的優(yōu)點[1]。正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用[2]。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。近年來由于微型計算機方面的快速發(fā)展，使步進電機的控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點明顯的步進電機被廣泛應(yīng)用在電子計算機的許多外圍設(shè)備中，例如打印機，紙帶輸送機構(gòu)，卡片閱讀機，主動輪驅(qū)動機構(gòu)和存儲器存取機構(gòu)等，步進電機也在軍用儀器，通信和雷達設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用[3]。因而，對于步進電機控制的研究也就顯得尤為重要了。為了得到良好的控制性能，對步進電機的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術(shù)得以實現(xiàn)。上世紀80年代以后，由于微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級。基于微型單片機的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力。因此，用微型單片機控制步進電機己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進電機細分驅(qū)動技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細分驅(qū)動、基于單片機斬波恒流驅(qū)動、基于單片機的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式，除上述三種步進電機的驅(qū)動方案之外，目前報道的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語言或C語言進行軟件開發(fā)，通過串行或并行通行的方式實現(xiàn)ｐｃ機與步進電機控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實現(xiàn)由PC機直接控制步進電機的方法[4,5]。但是在有些應(yīng)用場合，并不需要高精度的控制，而是需要在滿足一般工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低；功能較為齊全；適應(yīng)性強；電機各種運行狀態(tài)指示一目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾能力強，可靠性高等要求。本論文就是采用這個思路進行設(shè)計。一般步進電機控制器都用硬件實現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價格較貴，功能相對較單一，并且設(shè)計要求有所改變，就得改變整個硬件電路，比較麻煩。而采用單片機的軟件和硬件結(jié)合進行控制，運用其強大的可編程和運算功能，充分利用單片機的各種資源，能靈活的對步進電機進行控制，實現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果需改變控制要求，一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本設(shè)計中利用動態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和鍵盤電路有機的結(jié)合起來，能做到一定的人機交換，而且為了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應(yīng)用價值[6,7]。　步進電機常見的控制方案與驅(qū)動技術(shù)簡介　常見的步進電機控制方案 基于電子電路的控制步進電機受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動電路。步進電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計簡單，功能強大，可實現(xiàn)一般步進電機的細分任務(wù)。這個系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。功率放大驅(qū)動電路脈沖控制器環(huán)形分配器步進電機　基于電子電路控制系統(tǒng)此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計簡單，但未能實現(xiàn)高精度細分。采用閉環(huán)控制，即能實現(xiàn)高精度細分，實現(xiàn)無級調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當?shù)奶幚恚詣咏o出脈沖鏈，使步進電機每一步響應(yīng)控制信號的命令，從而只要控制策略正確電機不可能輕易失步[4]。該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計，因此靈活性不高。基于PLC的控制PLC也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學和可靠性高等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。步進電機控制系統(tǒng)有PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成。控制系統(tǒng)采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖。通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，進而控制伺服機構(gòu)的進給速度。環(huán)形脈沖分配器將PLC輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC控制的步進電機可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用PLC資源較多，特別是步進電機繞組相數(shù)大于4時，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省PLC資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅(qū)動電路將PLC輸出的控制脈沖放大，達到比較大的驅(qū)動能力，來驅(qū)動步進電機。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用PLC中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器，降低硬件成本。但由于PLC的掃描周期一般為但由于PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。基于單片機的控制采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配。本方案有以下優(yōu)點：(1)單片機軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響；(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設(shè)定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；(3)單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性[8]。基于以上優(yōu)點，本次設(shè)計采用基于單片機的控制方案。　步進電機驅(qū)動技術(shù)步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了，它的組成、工作原理和今天的反應(yīng)式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀80年代以后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。步進電機驅(qū)動技術(shù)指的是用步進電機驅(qū)動器的驅(qū)動級來實現(xiàn)對步進電機各相繞組的通電和斷電，同時也是對繞組承受的電壓和電流進行控制的技術(shù)。到目前為止，步進電機驅(qū)動技術(shù)通常分為單電壓驅(qū)動、單電壓串電阻驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、升頻升壓驅(qū)動和細分驅(qū)動等[9]。單電壓驅(qū)動是通過改變電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。該驅(qū)動方式早在六十年代初期國外就已大量使用，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低；缺點是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時更加嚴重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜艘蟛桓叩牟竭M電機驅(qū)動。單電壓串電阻驅(qū)動是在單電壓驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。它提高了步進電機的高頻響應(yīng)、減少了電動機的共振，也帶來了損耗大、效率低的缺點。這種驅(qū)動方式目前主要用于小功率或啟動、運行頻率要求不高的場合[10]。高低壓驅(qū)動是指不論電動機的工作頻率是多少，在導通相的前沿用高電壓供電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過改善電路的時間常數(shù)來使矩頻性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動方式的電機，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動方式目前在實際應(yīng)用中還比較常見。為了彌補高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由于采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應(yīng)用，本文正是應(yīng)用恒流斬波技術(shù)實現(xiàn)了驅(qū)動控制。為改善恒流驅(qū)動方式的低頻特性，設(shè)計一個低速時低電壓驅(qū)動，高速時高電壓驅(qū)動的電路，使其成為一個由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動電源。在低速運行時，電子控制器調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的導通角，使線路輸出的平均電壓較低，電動機不會像在恒流斬波驅(qū)動下那樣在低速容易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象，從而避免產(chǎn)生明顯的振蕩。當運行速度逐漸