基于單片機的步進電機驅動控制系統設計定稿(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 52 硬件制作 .................................................................................................................... 52 硬件測試 .................................................................................................................... 54 第九章 總結 ................................................................................................55 主要工作回顧 ............................................................................................................ 55 本課題需要進一步研究的地方 ................................................................................ 55 致謝 ..............................................................................................................56 參考文獻 ......................................................................................................57 附錄一：仿真圖 ...........................................................................................58 附錄二：源代碼 ...........................................................................................59 附錄三：畢業設計開題報告 ........................................................................71 附錄四：畢 業設計中期檢查表 ....................................................................75 附錄五：學生答辯記錄表 ............................................................................76 1 摘 要 步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的精密執行元件，具有快速起動和停止的特點。其驅動速度和指令脈沖能嚴格同步 ,具有較高的重復定位精度 , 并能實現正反轉和平滑速度調節。它的運行速度和步距不受電源電壓波動及負載的影響 , 因而被廣泛應用于數模轉換、速度控制和位置控制系統。本文在分析了步進電機的驅動特性、斬波恒流細分驅動原理和混合式步進電機驅動芯片 ULN2020AN 的性能、結構的基礎上，結合 AT89C52單片機，設計出了混合式步進電機驅動電路。 關鍵詞 ： 步進電機； AT89C52 單片機； ULN2020AN 驅動 2 Abstract Stepping motors is a kind of will convert angular displacement or electrical impulses signal line displacement of precision actuator, have fast start and stop characteristics. The driving speed and instructions pulse can strictly synchronization, which has high repositioning precision, and can realize the positive amp。negative and smooth adjustable speed. Its operation speed and step distance from supply voltage fluctuation and load effect, which have been widely applied in analogtodigital conversion, speed control and the position control system. Based on the analysis of the stepper motor driving characteristics, a chopper constantcurrent subdivided driving principle and hybrid stepping motor drive chip ULN2020AN the performance, structure in the foundation, the union AT89C52 single chip puter, designed a hybrid stepping motor driver circuit. Key words: Stepping motor。 AT89C52 single chip puter。 ULN2020AN driver. 3 第一章 緒論 前言 步進電機作為一種優秀的動力設備已經在當今社會的各領域無處不在了。隨著我國乃至全世界的工業水平不斷的上升，以步進電機為動力核心的工業設備在各個工業領域中應用的十分廣泛，可以說，在各個領域，步進電機可以說無處不在。甚至網上流傳玩Flappy bird 的機器人也是用的步進電機。中國作為一個制造大國，以富士康工廠等為代表的生產車間的流水線是這些制造企業完成產品組裝和產品加工的最重要的地方，而步進電機在流水線設備中起到的作用至今無任何設備可替代。 隨著微電子技術和計算機在工業生產等領域中的應用，利用微電子技術和計算機來控制步進電動機使其滿足工業設備要求也已逐漸成為一項全新的技術越來越成為各領域研究的重中之重。同時，對步進電機的控制要求也越來越高。不僅要求安全可靠，更是要求步進電機可連續調速。 然而，回顧歷史，就可以發現，一個國家的制造業的水平 可以很大程度上體現一個國家的實力，德國就是一個很好的例子。一個國家的發展也很大程度上取決于制造業的科技是否發達。二戰以后，各行業的科技都有了很大的發展，并且用于制造業的的技術越來越廣泛。時至今日，單本科學習的控制技術就有電力電子控制，單片機控制，計算機控制， PLC 變頻器控制等控制方式。當然，在本科領域外還會有更多比如柔性制造單元等技術。在這些技術中，步進電機都充當一個非常重要的角色不可或缺。推動著制造業進入了一個全新的階段。 在功能上，步進電機不僅可以叫做脈沖電機，從特性上來看，還可以叫做階躍電機。在外文文 獻中一般叫做 Steppingmotor，從開始應用到至今的 80 年間，可以說步進電機是為離散運動裝置而生，是天生的數字控制電機。通過外加脈沖，控制電機的各相繞組的截至或導通，使得電動機產生步進，也就是給一個脈沖信號，步進電機相應的給出一個動作，而脈沖指令中期轉速，輸出脈沖個數，輸出轉角，頻率等都有這一定的比例關系。這些特定關系，在負載限度的范圍中，負載大小，電源電壓，環境條件等因素都不會對其造成影響。也正是因為次特性，步進電機可以在更加寬闊的頻率范圍內來實現快速起停，正反轉等控制的最為突出的優點。 國 內外研究概況 國內外常見的步進電機控制系統 4 時至今日，市場上有許多種多樣的步進電機，但是只看其控制手段的話，則可以分為以下三種 基本電子電路控制：在一些控制頻率不高的地方，通常采用簡單數字定時集成芯片來為步進電機提供脈沖信號，通過高低電平變化數字芯片對脈沖信號實現分相變化，之后通過功率放大電路來進行對步進電機的控制。該方案的好處是成本低、價格便宜；然而其最大的不足之處是外圍控制電路過于復雜，控制的環節多，電路體積大，并且該控制方式相當復雜。 變頻器或 PLC 控制：在一些要求精確控制的場合，來使用變 頻器或 PLC 來控制步進電機無疑是一個很好的選擇。但是由于變頻器和 PLC 的硬件成本要高出傳統控制許多，并且操作非常負責，對其操作人員有很高的要求等特點，無疑增加了企業的許多預算，從而企業在巨大的經濟壓力下，無法將這種方法大面積是應用起來。 單片機控制：單片機以自身的高速，準確，成本低的特性在工業控制方面贏得了自己的一席之地，近年來，單片機不斷的成為工業控制系統中的控制核心，從而也使得單片機成為了時下非常熱門的研究方向。 本方案由以下優點（ 1）利用軟件編程可以對步進電機實現精確控制，避免震蕩，失步等對控制精度造 成影響；（ 2）利用軟件替代環形分配器，來設定單片機，可實現同一電路來控制與驅動多相步進電機，對接口電路的靈活性和通用性都有很大程度的提升；（ 3）單片機的接口眾多，使得單片機可以接通各種外圍電路，比如鍵盤電路，顯示電路，復位電路等外圍電路，可將外圍電路有機結合，提升與系統的交互性。 步進電機驅動技術的基本類型 步進電機出現在上個世紀。它的組成，工作原理和今天步進電機之間沒有本質的區別，而且還依賴于電磁轉矩。 20 世紀 80 年代后，由于廉價的微型計算機的出現，步進電機控制變得更加靈活。步進電機驅 動技術是指采用步進電機驅動器驅動來實現各相步進電機的繞組，而且為繞組承受的電壓和電流的控制技術。 單電壓驅動方式一般是改變點擊的時間常數，來提高高頻特性的驅動電路。在六十年代初期該技術在世界范圍內廣泛被應用，它有結構簡單，成本低廉等有點；缺點是串聯電阻的方法會產生大量的能量損失，尤其是在高頻率，則更加的嚴重。因此只適合于小功率或步進電機驅動器的性能要求不高的場合。單個電阻串的電壓驅動器上建立一個確定的電壓驅動技術的電樞繞組電路中的串聯電阻，提高了電路的時間常數，以改善電動機的高頻率特性。它提高了步進 電機的頻率響應，降低了電機的共振。然而它也帶來了損耗，其效率很低。該驅動模式主要用于低功率或起動，操作頻率不是關鍵的地方。 高低壓電機驅動器不論電機的工作頻率是多少，以增加電流上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，它采用增加繞組的電流的注入量增加出力，而不是通過改進，使該電路的時間常數扭矩性能可以得到改善。盡管如此，使用這樣的電動機 5 驅動模式，電流波形在凹工作的開始卷繞工作在高壓低端和收斂性，從而導致在該電動機的輸出轉矩的下降。這種驅動方式目前在日常使用中是比較常見的。 由于高低壓電路的波形需要補償，得到輸出轉矩增加，在七十年代發明了斬波電路，該設計則用了斬波電路技術。由于斬波，通過線圈的有效電流增加繞組電流的波動的評估鋸齒狀垂直流時，電動機的輸出轉矩增大，并且無需外部電阻，整個系統小號下降，效率提高，因而恒定電流斬波器電路已經被廣泛使用。 為了改善恒定電流驅動方式的頻率特性，出現了一個低電壓驅動低速，高速，高電壓驅動電路的設計，讓其成為一個有脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關穩壓驅動電源。在低速時，電子控制器開關電源對導通角進行調節，線路輸出的平均電壓將會更 低，如此電機就不會像在低速恒流斬波驅動器發生過沖或下共振現象，從而就不會產生明顯的震蕩。當運行速度逐漸變快時，可以且慢慢的增加平均電壓，來為繞組提供足夠的電流。調頻性能比恒定電壓調節器電路和恒定電流電路更好，但是電機的不同參數需要實際操作中來進行調試，調整其輸出電壓和輸入頻率特性。 細分驅動就是在每次脈沖切換的時候，不將繞組的全部電流導通或斷開。細分驅動時，繞組電流不是方波，而是一個階梯波，額定電流為階梯形投入或切除。例如：當前分成 n 個步驟，轉子 n 次之前，你需要把一個步距角，即 n 細分。細分驅動器的主要優點是更小的步距角，提高了分辨率，提高了電機的定位精度，啟動性能和高輸出扭矩；其次減弱或消除步進電機的低頻振動，步進電機降低了諧振區的概率。細分驅動步進電機的驅動和控制技術對步進電機控制開說，可以說是該類型技術的一個質的飛躍 本課題研究目的與內容