步进电机运动系统设计方案

步进电机运动系统案设计

学院：职业技术学院

专业：09机电一体化

姓名：乐治后

学号：092103010013

指导老师：余德艳

设计时间：2011.5.27-6.1

步进电机运动系统案设计

一、概述

随着工业水平的提高，市场竞争的激烈，人民需求的巨大变化，各行各业对其自己产品质量的要求也更加格，提高生产效率，扩大产品原材料的来源，降低生产成本也是生产厂家非常重视的面。而生产效率的提高，就必须在改进生产设备上来实现。对于制造行业来说更是如此，于是基于P89C668单片机的步进电动机运动控制系统的研发就成了本次毕业设计的课题。

二、硬件的选型

本设计硬件选型包括步进电动机选型和P89C668单片机的选型，现对它们的特点和功能分别描述如下。

（一）、步进电动机

1、步进电动机简介

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与同俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机又称电脉冲马达，它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其特点是：转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，因此可以通过改变输入电脉冲的频率来实现调速：由于其转轴的输出的角位移量与输入的脉冲数成正比，于是可以通过控制脉冲个数来控制步进电动机的角位移量。步进电动机有利于装置或设备的小型化和低成本，而且很容易用微机实现数字控制。因此，广泛应用于

众多的领域中并得以不断的发展，并实现机电一体化和自动化。

随着混合式步进电机的产生和应用，其输出功率和力矩不断增加，成本与价格却不断降低，为步进电机的推广应用打下了良好的基础。步进电动机的应用领域十分广泛，在机械、冶金、电力、电子、仪表、轻工，以至医疗、印刷等行业都有使用。例如：计算机的外设、办公自动化中的打印机、传真机的送纸机构、数控机床，记数指示装置，阀门控制，纺织机，等均有应用。一般都用在工作难度较高，工作条件较差，或要求速度快、精度高的场合。随着大功率器件品质的提高，步进系统正在稳步进入普通功率甚至大功率的工业领域。

2、步进电动机的特点

步进电动机具有转矩大，惯性小，响应频率高的优点。另外还有以下特点：

1．步进电机的工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压的波动、电流的大小不波形的变化、温度动)的影响，只要在他们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作；

2．步进电机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累计误差，但转子转过一转以后，其累计误差为“零”，不会长期积累，因此输出的转角或位移精度高；

3．控制性能好。在起动、停止、反转时不易“丢步”。步进电动机通常不用反馈就能对位移或速度进行精确控制，因此被广泛应用于开环结构(有时也在闭环机电控制系统中应用)的机电一体化系统中，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。

4．采用直接数字控制性能好。步进电机是根据脉冲个数决定旋转角度的，单片机只需记住脉冲个数就能计算出电机的旋转角度，从而计算出被控对象的行进距离。省去了路程检测模块，从而简化了设计。

出于可以用数字信号直接控制，因此很容易与微型机算计相连接实现机电一体化控制。步进电机的特征：

5．步进电动机具有白锁能力(变磁阻式)和保持转距(永磁式)。

6．步进电动机的动念H向应快，易于起停、证反转及变速。

速度可在相当宽的围平滑调节，低速情况下仍能保证获得很大转矩，因此一般利用不用减速器而直接驱动负载。步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取响应的措施。

3、步进电机的工作原理分析

步进电机主要是有定子和转子构成。定子的主要结构是绕组，三相、四相、五相步进电机分别有3个、4个、5个绕组，其他依此类推。绕组按一定的通电顺序工作，这个通电顺序称为“相序”。转子的主要结构是磁性转轴，当定子中的绕组在相序信号作用下有规律的通电、断电工作时，转子围就会有一个按此规律变化的电磁场，因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上，转子总是力图转动到磁阻最小的位置，正是这样，使得转子按一定的步距角转动，使转子发生转动。

步进电动机的工作状态由控制信号实现，在步进电动机的单片机控制中，控制信号由单片机产生，其基本控制式如下：

1．相序控制式

步进电动机的通电换相顺序格按照步进电动机的工作式进行，通常我们是把通电换相这一过程称为脉冲分配。现以四相步进电动机为例分析四相步进电动机的工作式：四相步进电动机的工作式有三种：四相单四拍，四相双四拍，四相单双八拍。“单”、“双”、“拍”的意思是：“单”指每次切换前后只有一相绕组通电，“双”指的是每次有两相绕组通电：而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫作一“拍”。

(1) 四相单四拍步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理。又环形分配器送来的脉冲信号，对定子绕组轮流通电，设先对A相绕组通电，B、C、D三相都不通电。由于磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点，因此在A极附近的转子就只受到径向力的作用而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。此时B、C、D三相的定子齿则和转子齿在不同的向各错丌360。／(k*m*z)的角度，其中k表示通电式，当为单拍时取k=1，双拍时取k=2；m为定子绕组的相数；z为转子的齿数。随后A相断电，B相控制绕组通电，则转子就和B相定予齿对齐，转子顺时针向旋转360。／(k*m*z)的角度。然后使B相断电，C相通电，同理转子又沿顺时针向旋转360。／(k*m*z)的角度。转子就按照A—B —C—D—A……的旋转顺序运动下去。

(2) 四相双四拍工作式原理

当步进电动机按照AB—BC—CD—DA—AB……的顺序通电，则就成了四相双四

拍工作式。其工作原理与四相单四拍相同，此处不进行详细说明。

(3) 四相单双八拍工作式原理

当步进电动机按照AB—BC—CD—DA—AB…的顺序通电时，则就成了四相单双八拍工作式。其工作原理为：当A和B通电时转子稳定位置将会停留在A、B两定子磁极对称的中心位置上。因为每一拍，转子转过一个步距角。依次顺序通电，则步进电动机沿一定的向旋转。