旋转a轴步进电机控制器课程设计说明书

目录

一．系统概述-------------------------------------------2 二．步进电机简介---------------------------------------3 三．步进电机驱动---------------------------------------4 四．软件设计-------------------------------------------9 五．步进电机控制器程序---------------------------------11 六．设计感想-------------------------------------------21 七．参考文献-------------------------------------------21

一．系统概述

1.1步进电机控制工作原理

步进电机实际上是一个数字\角度转换器，也是一个串行的数\模转换器。步进电机的基本控制包括启停控制、转向控制、速度控制、换向控制4 个方面。从结构上看 ,步进电机分为三相、四相、五相等类型 ,常用的则以三相为主。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3 种 ,下面具体加以阐述。

1.1.1步进电机的启停控制

步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。

1.1.2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。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。其他方式情况类似。

1.1.3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。

1.1.4步进电机的换向控制

步进电机换向时 ,一定要在电机减速停止或降到突跳频率范围之内再换向 ,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1 个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求要有一定的脉冲宽度(一般不小于5μs)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了减速→换向→加速3 个过程。

二．步进电机简介

步进电机驱动器的工作原理

步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。

本设计首先要了解步进电机的工作原理，然后进行其驱动器的软、硬件设计。

1.步进电机的工作原理

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速,停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为步距角.它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电动机的转速和加速度,从而达到调速的目的。

三．步进电机驱动

步进电机驱动方式:

1、1相励磁法: 每一个瞬间只有一个线圈导通,其它线圈休息。其特点是励磁方法简单,耗电低,精确度良好。但是力矩小、震动大,每次励磁走的都是标称角度.。

2、2相励磁法:每一瞬间有两个线圈同时导通,特点是力矩大、震动较小,每次励磁转动的角度是标称角度。

3’、1-2相励磁法:1相和2相轮流交替导通,精度较高,切运转平稳。每送一个励磁信号转动二分之一标称角度，也称为半步驱动。

1相励磁

2相励磁

1-2相励磁

该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

图1 四相步进电机步进示意图

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C 相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极

产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：

图2.步进电机工作时序波形图

2.基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理

图3 步进电机驱动器系统电路原理图

AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4～P1.7输出，经74LS 14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一相绕组。AT89C2051

选用频率22MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。

图3中的RL1～RL4为绕组内阻，50Ω电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。D1～D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管(D1～D4)而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。

在50Ω外接电阻上并联一个200μF电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200Ω电阻可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。

四．.软件设计

驱动器根据拨码开关KX、KY的不同组合有三种工作方式供选择：

方式1为中断方式：P3.5(INT1)为步进脉冲输入端，P3.7为正反转脉冲输入端。上位机(PC机或单片机)与驱动器仅以2条线相连。

方式2为串行通讯方式：上位机(PC机或单片机)将控制命令发送给驱动器，驱动器根据控制命令自行完成有关控制过程。