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步进电机步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲__的控制。步进电机可以直接接受数字__不需要进行数字与模拟量的转换具有高精度快速启停能力。在非超载的情况下步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲__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__ 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。一、步进电机的结构和工作原理步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。步进电机的最大特点是其“数字性”对于微电脑发过来的每一个脉冲__步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度简称一步如下图所示。如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离。同时可通过控制脉冲频率直接对电机转速进行控制。步进电机在构造上有三种主要类型:反应式VariableReluctan__VR、永磁式Per__nent__gnetPM和混合式HybridSteppingHS。•反应式定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小可达
1.2°、但动态性能差、效率低、发热大可靠性难保证。•永磁式永磁式步进电机的转子用永磁材料制成转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大但这种电机精度差步矩角大一般为
7.5°或15°。•混合式混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好步矩角小但结构复杂、成本相对较高。混合型因具有高精度、高转矩、微小步进角和数个优异的特征所以刚开始在OA关系其它的分类上也大幅的被使用特别是在生产量上大半是使用在盘片记忆关系的磁头转送上。按定子上绕组来分共有二相、三相和五相等系列。单定子径向分相反应式步进电机结构原理图最受欢迎的是两相混合式步进电机约占97%以上的市场份额其原因是性价比高配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步矩角为
1.8°/步配上半步驱动器后步矩角减少为
0.9°配上细分驱动器后其步矩角可细分达256倍
0.007°。由于摩擦力和制造精度等原因实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。五相混合式步进电机应用也比较广泛其步进角一般为
0.72度。
1.基本结构
2.工作原理简单的讲步进电机驱动器根据外来的脉冲通过其内部的逻辑电路控制步进电机的绕组按一定的次序正反通电从而实现其运转。以两相
1.8度步进电机为例其主要分为4线双极性6线单极性两种方式:4线双极性电机当其绕组的通电方向顺序按照AC-BD-CA-DB四个状态周而复始进行变化每变化一次电机运转一步即
1.8度。6线单极性电机当其绕组的通电方向顺序按照OA-OB-OC-OD四个状态周而复始进行变化每变化一次电机运转一步即
1.8度。二、步进电机的术语
1.相数:产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对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°。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。目前应用最广泛的是两相和四相四相电机一般用作两相五相的成本较高。
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:当某组绕组通电时每来一个脉冲电压如果这时定子的小齿与转子没有对齐则在磁场的作用下转子将转动一个步距角称为一步使转子齿与定子齿对齐从而使步进电机向前“走”一步。三、步进电机工作过程
1.脉冲__的产生:脉冲__一般由CPU或单片机产生的一般脉冲__的比例为
0.3-
0.4左右电机转速越高比例则越大。微处理器以四相步进电机为例四相电机工作方式有二种四相四步为AB-BC-CD-DA;四相八步为AB-B-BC-C-CD-D-AB。
2.步进电机运转原理如图为四相实际为2相式步进电机的基本构造图。中间转子由永久磁铁所构成左边为N极另一边为S极。定子有四组线圈分别为L1、L2、L3及L4各线圈的C端共接电源正极另一端经由开关接在电源的负极在看图8。当把开关S1按下则线圈A通入电流产生N极磁场因为磁场同性相斥、异性相吸使转子的S极被A极吸引过来。其次放掉开关S1并且立刻按下开关S2则A极的磁场消失B极产生磁场把转子的S极吸引过来转子随着顺时针方向90度。像这样依次让定子的四个极通入电流就可以使转子不停的旋转。HYPERLINKhttp://www.838dz.com/d/file/ad/Loan/2009-05-28/c8f25d645e9871458be91c52f154f
224.jpg\t_blankINCLUDEPICTUREhttp://www.motorzj.com/info/info_a.files/image
011.jpg\*MERGEFORMAT 图8单极激磁等效驱动电路
3.步进马达的激磁方式步进马达依定子线圈的相数不同可分成二相、四相及五相式小型步进马达以二相式较为普遍。单极性型unipolar :定子磁极极性为同一方向如可变磁阻式步进马达磁极线圈只有一组所加的激磁电流为固定方向因此单极性步进马达所需的电源较简单。单极性驱动电路使用四只晶体管来驱动步进电机的两组相位电机结构则如图9所示包含两组带有中间抽头的线圈整个电机共有六条线与外界连接-图9。这类电机有时又称为四相电机但这种称呼容易令人区分不了又不正确因为它其实只有两个相位精确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。HYPERLINKhttp://www.838dz.com/d/file/ad/Loan/2009-05-28/249a54bac5dc705dc137bcf3dda7a
452.jpg\t_blankINCLUDEPICTUREhttp://www.motorzj.com/info/info_a.files/image
012.jpg\*MERGEFORMAT\d单极性二相步进电机驱动电路双极性型bipolar :定子磁极极性为两个方向如永久磁铁式步进马达其转子的极性和定子磁极极性有交互变化的需要。单一激磁线圈时其激磁方向为正负交替变化两组磁极线圈时一组正向激磁另一组负向激磁两组交替变化使定子磁极极性变化。以双极方式运用其电源较为复杂。双极性步进电机的驱动电路则如图2所示它会使用八只晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路它却能大幅降低量产型应用的成本。双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。 双极性步进电机驱动电路HYPERLINKhttp://www.838dz.com/d/file/ad/Loan/2009-05-27/9aea04683b99cb9e09cb332b9a3ea1a
0.jpg\t_blankINCLUDEPICTUREhttp://www.motorzj.com/info/info_a.files/image
017.jpg\*MERGEFORMAT\d 二相5线/6线步进电机内部接线图五、步进电机的结构及控制从结构上看步进电机分为三相、四相、五相等类型。以三相为例。三相反应式步进电动机工作原理图三相步进电机定子上有6个磁极线圈绕过相互正对的两个磁极构成一相共有A—A、B—B和C—C三相。转子是4个均匀分布的齿。1换相顺序的控制步进电机通电换相这一过程称为脉冲分配。以三相步进电机为例电流脉冲的施加共有三种方式:
①单相三拍方式------按单相绕组施加电流脉冲每次通电时仅有一相绕组通电且每经过3次切换控制绕组的通电状态为一循环。
②双相三拍方式-----按双相绕组施加电流脉冲每个状态均为两个控制绕组同时通电且每次切换电时总有一相绕组处于通电状态故避免了失步和振荡现象。
③三相六拍方式------单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲首先A相通电而后再接通B相绕组这时A相不断开即AB两绕组同时通电;此后断开A相绕组B相单独通电依此规律循环往复.这种方式需经过6个切换才能完成一个循环。2步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍即A-AB-B-BC-C-CA-A。如果按反序通电换相即A-AC-C-CB-B-BA-A则电机就反转。其他方式情况类似。3步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲它就转一步再发一个脉冲它会再转一步。2个脉冲的间隔越短步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率就可以对步进电机进行调速即控制脉冲的频率来控制电机的转速和加速度。四、单片机控制步进电机的任务系统软件程序功能的主要任务是控制步进电机的启动、按顺序发出控制命令、判断步进电机是否到达极限位置、控制步进电机的转向和运行速度的变化等。一般数字电路的__能量远远不足以驱动步进电机必须要有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。由L297、L298组成的步进电机驱动应用电路如图5所示该电路适用于二相双极性步进电机或四相单极性步进电机最高电压46V每相电流可达2A。用2片L298和1片L297配合使用可驱动更大功率的二相步进电机。五、单片机控制步进电机的控制字以三相步进电机为例。
①单相三拍方式其状态表见表l。其中“1”代表高电平表示驱动的磁极绕组通电;“0”代表低电平表示驱动的磁极绕组不通电。表1三相步进电机环形分配器存储状态表状态字控制字励磁状态0001H0001A0002H0010B0004H0100C将01H送到P1口表示A相通电其余相不通电使步进电机前进一个步距角。可见通过改变状态表中的内容就可以实现不同的工作方式。
②双相三拍方式假定以8051的P1口线接步进电机的绕组输出控制电流脉冲其中P
1.0接AP
1.1接BP
1.2接C。控制字如下表:
③三相六拍方式表1列出了步进电机工作在三相六拍时的控制字。从中可以看出步进电机第一个控制字数据为01H从上到下输出控制字时电机正转自下而上输出控制字数据时电机反转。步进电机运行一拍的时间决定了步进电机的转速。在输出一个控制字后加入一定的延时时间即可控制步进电机的转速。表1三相六拍步进电机控制字
④另一种三相六拍步进电机控制字
⑤四相四拍步进电机控制字
⑥四相步进电机八拍控制字//四相八拍正转控制字ucharcodeforward[]={0x810x850x840x860x820x8A0x880x__0x80};//四相八拍反转控制字ucharcodebackward[]={0x__0x880x8A0x820x860x840x850x810x80};******Q:步进电机驱动程序中的正反转控制字怎么得到的比如:三相步进电机的三相六拍工作方式正转的绕组通电顺序:A、AB、B、BC、C、CA、A反转的通电顺序:A、AC、C、CB、B、BA、A。我用PA0PA1PA2分别作为A\B\C的输入那么这些控制字怎么得到出来的constcharzhzhuan
[7]={0x060x040x050x010x030x020x00};constcharfanzhuan
[7]={0x060x020x030x010x050x040x00};A:zhzhuan:AABBBCCCA停110100101001011010000fanzhuan:AACCCBBBA停110010011001101100000步进电机控制工作原理 沈阳____大学课程设计论文题目:基于单片机和proteus的步进电机控制班级*******学号************学生姓名XXX指导教师XXX目录TOC\o1-3\h\z\u
0.前言
11.电路基本理论
12.方案设计
23.硬件电路的工作原理
23.1步进电机模块
33.2控制模块
33.3LCD显示模块
34.软件编程
44.1程序流程图
44.2MCS-51单片机引脚功能
54.3源程序
65.系统调试和结果分析
95.1电机正转运行
95.2电机反转运行
105.3电机停止转动
106.结论及进一步设想11____12附录1元件清单13课设体会14基于单片机和proteus的步进电机控制***沈阳____大学自动化学院
0.前言步进电机是一种将电脉冲转变为角位移的执行机构通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲__它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可通过控制脉冲数来控制角位移量从而达到准确的定位目的也可通过控制脉冲的频率来控制电机的转速和加速度;从而达到调速的目的。本文通过对步进电机的软件设计和硬件设计包括步进电机的结构、原理及应用根据原理和硬件的设计利用c语言编写程序经过反复运行和调试实现单片机对步进电机的控制。
1.电路基本理论步进电机是机电控制中一种常用的执行机构它的用途是将电脉冲转化为角位移它的的驱动电路根据控制__工作控制__由单片机产生。当步进驱动器接收到一个脉冲__它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度控制换相顺序即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量从而达到准确定位的目的。控制步进电机的转向即给定工作方式正序换相通电步进电机正转若按反序通电换相则电机就反转。控制步进电机的速度即给步进电机发一个控制脉冲它就转一步再发一个脉冲它会再转一步两个脉冲的间隔越短步进电机就转得越快。同时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。
2.方案设计基于单片机和proteus的步进电机控制电路的基本组成如图1所示。图1基于单片机和proteus的步进电机控制电路的原理框图根据设计要求采用的方案如下。硬件部分实现电机转动和速度显示功能包括控制开关模块;电机转动模块和速度显示模块。软件部分实现对步进电机的控制功能主要设计思想通过控制台控制程序的开关来控制电机的转动由电机反馈回来的数据经单片机控制显示器显示数据.。
3.硬件电路的工作原理
3.1步进电机模块如图2所示图2步进电机功能:单片机输出的程序通过转换器和电机驱动器给步进电机一个脉冲__使步进电机实现正转与反转。
3.2控制模块如图3所示图3控制模块功能:通过控制台实现对单片机程序的开与关。
3.3LED显示模块如图4所示图4LED显示器功能:通过单片机输出的电机反馈__使LED显示器显示出步进电机的转动状态。
4.软件编程
4.1程序流程图:如图5所示图5:程序流程图
4.2MCS-51单片机引脚功能:如图6所示图6:单片机引脚图1电源线:VCC:+5V电源。VSS:地线。2RST:复位__线。当输入的复位__延续两个机器周期以上的高电平时即为有效用以完成单片机的复位初始化操作。3__引脚介绍P
0.0~P
0.7:P0口8位双向口线。P
1.0~P
1.7:P1口8位双向口线。P
2.0~P
2.7:P2口8位双向口线。P
3.0~P
3.7:P3口8位双向口线。4XTAL1和XTAL2:外接晶振引脚。当使用外部振荡器时外部振荡__应直接加到XTAL1而XTAL2悬空。5控制引脚:ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。1-EA/Vpp31脚:外部程序存储器地址允许输入端。第二功能:固化编程电压输入端。2ALE/-PROG30脚:地址锁存允许__端。第二功能:编程脉冲输入端。3-PSEN29脚:程序存储允许输出__端。
4.3源程序:#includereg
52.h#defineucunsignedchar#defineuiunsignedint__itKEY=P3^3;__itP1_0=P1^0;__itP3_0=P3^0;__itP3_1=P3^1;__itP3_5=P3^5;__itP3_6=P3^6;__itP3_7=P3^7;ucFlag;uccodefan[]={0x010x030x020x060x040x0c0x080x09};uccodezheng[]={0x090x080x0c0x040x060x020x030x01};uispeed=1000time;voiddelayuit{whilet--;}voidxianshiucf//显示转向{P1_0=0;P0=f;delay5;}voidSpeedup//加速{time=speed;time=time-100;iftime100time=100;}voidSpeeddown//减速{time=speed;time=time+100;iftime2000time=2000;}void__in{uci;EX1=1;//外部中断1开IT1=1;//边沿触发EA=1;//全局中断开P0=0xff;while1{whileFlag==0{fori=0;i7;i++{xianshi0x5b;//显示Z标示正转P2=zheng[i];delayspeed;}}whileFlag==1{fori=0;i7;i++{xianshi0x71;//显示F标示反转P2=fan[i];delayspeed;}}whileFlag==2//停止{P2=0;xianshi0x6D;//显示S}}}voidISR_Keyinterrupt2{delay500;if!KEY{ifP3_5==0Flag=0;ifP3_6==0Flag=1;ifP3_7==0Flag=2;ifP3_0==0Speedup;ifP3_1==0Speeddown;}}
5.系统调试和结果分析
5.1电机正转运行如图7所示图7:电机正转结果图电机正转显示Z
5.2电机反转运行如图8所示图8:电机反转结果图电机反转显示F
5.3电机停止转动如图9所示图9:电机停止转动图电机停止转动显示S
6.结论及进一步设想本设计采用51单片机AT__C51晶振频率为12MHZ对四相六线制步进电机内阻33欧步进
1.8度额定电压12V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____经过芯片ULN2003驱动步进电机。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列由七个硅NPN达林顿管组成。ULN2003的每一对达林顿都串联一个
2.7K的基极电阻在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高工作电流大灌电流可达500__并且能够在关态时承受50V的电压输出还可以在高负载电流并行运行。通过ULN2003构成步进电机的驱动电路电路图如图1所示。51的25-28口接ULN2003的1-4输入端。另外用键盘来对电机的状态进行控制并用数码管显示电机的转速采用74LS164作为2位单个数码管的显示驱动。74LS164带锁存使用串行接法可以节约I/O口资源。其电路图如图2所示。通过51的TXD和RXD口对CLK和DATA发送数据____设计的步进电机基本能实现预期目标经过调试和修改但还是存在问题比如按开关的时候会出现不稳定情况转速有时比较乱显示有时也有些不理想后面的工作就是在软件和硬件等方面进行修改以完全达到预期目标。步进电机控制台单片机LED显示器开始按键判断按键IfP3_5==0IfP3_6==0IfP3_7==0IfP3_0==0IfP3_1==0正转加速反转停止减速显示转动方式。