基于proteus與單片機的步進電機控制設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 調角日減小，故為負值，如圖35(b)所示。如果為空載，那么轉矩作用的結果是使異極性轉子齒與定子齒完全對齊；如果某相控制繞組通電時轉子齒與定子齒剛好錯開，即口=石，轉子齒左右兩個方向所受的磁力相等，步進電機所產生的轉矩為O，如圖35(c)所示。圖35 定子和轉子齒的位置關系圖36 步進電機的矩角特性步進電機的靜轉矩T隨失調角口呈周期性變化，變化的周期為轉子的齒距，也就是2萬電角度。混合式步進電機的靜轉矩T與失調角0的關系近似為正弦曲線，稱為矩角特性，如圖26所示。步進電機在靜轉矩的作用下，轉子必然有一個穩定平衡位置。如果步進電機為空載，那么轉子在失調角0=0處穩定，即在通電相定子齒與異極性轉子齒對齊的位置穩定。在靜態運行情況下，如有外力使轉子齒偏離定子齒O口石，則在外力消除后，轉子在靜轉矩的作用下仍能回到原來的穩定平衡位置。當0=2，r時，轉子齒左右兩邊所受的磁力相等而相互抵消，靜轉矩T=0，但只要轉予向左或向右稍有一點偏離，轉子所受的左右兩個方向的磁力不再相等而失去平衡，故口=177。石是不穩定平衡點。在兩個不穩定平衡點之間的區域構成靜穩定區，即一石口石，如圖3—6所示。矩角特性上靜轉矩的最大值Tsm稱為最大靜轉矩。．步進運行狀態當脈沖頻率較低，電機轉子完成一步之后，下一個脈沖才到來，電機呈現出一轉一停的狀態，故稱之為步進運行狀態。當空載時步進電機的運行狀態如圖27所示，通電順序為A—B——C—A。當A相通電時，在靜轉矩的作用下轉子穩定在A相的穩定平衡點a，顯然失調角6=0，靜轉矩T=0。當A相斷電，B相通電時，矩角特性轉為曲線B，曲線B落后曲線A一個步距角8b=2／3，轉子處在B相的靜穩定區內，為矩角特性曲線B上的b。點，此處TO，轉子繼續轉動，停在穩定平衡點b處，此處T又為O。同理，當C相通電時，又由b轉到c．點，然后停在曲線C的穩定平衡點c處。接下來A相通電，又由C轉到a’并停在a’處，一個循環過程即為．A相通電時，一／l萬為靜穩定區，當A相繞組斷電轉到B相繞組通電時，新的穩定平衡點為b，對應于它的靜穩定區為一石+，在換相的瞬間，轉子的位置只要停留在此區域內，就能趨向新的穩定平衡點，所以區域稱為動穩定區，顯而易見，相數增加或拍數增加，步距角越小，動穩定區越接近靜穩定區，即靜、動穩定區重疊越多，步進電機的穩定性越好。圖37 空載步進運行當步進電機帶上負載運行時情況有所不同。帶上負載TL后，轉子每走一步不再停留在穩定平衡點，而是停留在靜轉矩T等于負載轉矩的點上，如圖38中，cI，a’處，T=T。轉子停止不動。具體分析如下：當A相通電，轉子轉到a，時電機靜轉矩T等于負載轉距，兩轉矩平衡，轉子停止轉動，A相斷電B相通電，改變通電狀態的瞬間，因為慣性轉子位置來不及變化，于是轉到曲線B上的b：點，由于b：點的靜轉矩TTL，故轉子繼續轉到b．點，在b。點TTL轉子停止接下來C相通電的運轉情況類似。一個循環的過程為。圖3—8 步進電機步進運行如果負載較大，轉子未轉到曲線A，B的交點就有T=TL，轉子停轉，當A相斷電B相通電，轉到曲線B后TTL，電機不能作步進運動。顯而易見，步進電機能夠帶負載作步迸運行的最大值L即是兩相矩角曲線交點處的電機靜轉矩。若增加相數或拍數，那么靜動穩定區重疊增加，兩相衄線交點升高，最大電機靜轉矩增加，步進運行能帶動的負載越大。 連續運轉狀態當脈沖頻率較高時，電機轉子未停止而下一個脈沖已經到來，步進電機已經不是一步一步的轉動，而是呈連續運轉狀態。在改變各相通電狀態的瞬間，只要失調角在動態穩定區內。轉子就會不失步的繼續向前轉動。步迸電機在帶負載情況下啟動時，不但要克服負載轉矩，還要克服慣性轉矩。如果輸入的脈沖頻率過高，在下一個脈沖到來時，失調角還未進入動態穩定區，電機就不能武漢理工人學碩t學位論文起步。啟動頻率與負載轉矩的關系稱為起動矩頻特性，又稱牽入特性。當電機起動以后，慣性轉矩的影響減少，電機就能以比起動頻率高的脈沖頻率連續運轉。運行頻率與負載轉矩之間的關系稱為運行矩頻特性，又稱牽出特性。步進電機相數越 多或拍數越多，步距角越小。進入穩定區域越容易，起動頻率就越高。脈沖頻率升高，電機轉速增加，步進電機所能帶動的負載轉矩將減小。主要是因為頻率升高時，脈沖間隔時間小，由于定子繞組電感有延緩電流變化的作用，控制繞組的電流來不及上升到穩態值。頻率越高，電流上升所能到達的數值也就越小，因而電機的電磁轉矩也越小。另外，隨著頻率的提高，步進電機運行中產生的反電勢增加，使繞組電流減小，也使電機的輸出轉矩下降。總之，步進電機的輸出轉矩隨著脈沖頻率的升高而減小。四、設計部分 1設計說明 步進電機是一種將電脈沖信號轉換為角位移或直線運動的執行機構，由步進電機及其功率驅動裝置構成一個開環的定位運動系統。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(即步距角)。脈沖輸入越多，電機轉子轉過的角度就越多；輸入脈沖的頻率越高，電機的轉速就越快。因此可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度，從而達到調速的目的。步進電機種類，根據自身的結構不同，可分為常用三大類：反應式(vR，也稱磁阻式)、永磁式(PM)、混合式(HB)。其中混合式步進電機兼有反應式和永磁式的優點，它的應用越來越廣泛。 步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執行部件。步進電機則有定位和運轉兩種基本狀態，當有脈沖輸入時步進電機一步一步地轉動，每給它一個脈沖信號，它就轉動一定的角度口。步進電機的角位移量和輸入脈沖的個數嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態，因此非常適合予單片機控制。步進電機作為一種高可控性的特種電機，利用其沒有誤差積累(精度為100％)的特點，廣泛應用于各種開環控制。 英國Labcenter electronics公司推出了嵌入式設計仿真與開發平臺Proteus，用戶可以根據需要搭建開發平臺，將編譯好的目標代碼加載到芯片中。目前支持的編譯器有Keil，GNU以及IAR等。在Proteus軟件中還可以查看多種調試信息，如源代碼執行情況、CPU寄存器信息、變量值以及FLASH與RAM中的信息等。大量的元件庫支持大型設計，而且在仿真中還可以觀察各元件的狀態。先通過Proteus仿真，再移植到相應的硬件電路，這種方式可以減小系統開發開支和周期，值得推廣。2系統的總體方案該設計如圖1所示，將單片機AT89C52產生的驅動脈沖通過功率放大器放大，從而驅動步進電機。通過4個按鍵，實現步進電機的正轉、反轉、加速、減速等功能，通過軟件與硬件相結合的控制方法，實現了運用單片機對步進電機的穩定控制，實現grade 0～grade 9十級變速，轉速分別是3 r／min，5 r／min，8 r／min，10 r／min，12 r／min，15 r／min，30 r／min，40 r／min，60 r／min，120 r／min，變速范圍較廣，并采用LCDl60