步进电机运动系统方案设计

步进电机运动系统方案设计学院：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步进电机运动系统方案设计一、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严格，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方面。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：优点缺点不需要反馈控制，电路简单效率低容易与微型机算计连接容易引起失步停止时有保持转矩有时发生震荡现象维护方便，价格便宜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。速度可在相当宽的范围内平滑调节，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，转子周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，其基本控制方式如下：1．相序控制方式步进电动机的通电换相顺序严格按照步进电动机的工作方式进行，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方式：四相步进电动机的工作方式有三种：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方向各错丌360。／(k*m*z)的角度，其中k表示通电方式，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，转子顺时针方向旋转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方向旋转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)四相双四拍工作方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方式。其工作原理与四相单四拍相同，此处不进行详细说明。(3)四相单双八拍工作方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方式。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方向旋转。2．转向控制方式如果按给定的工作方式正向顺序通电换相，步进电动机就『F转；如果按相反的顺序通电换相，则电动机就反转。例如，步进电动机先前的工作方式为A—B—C—D—A…此时，步进电动机按顺时针旋转。若改为A—D—C—B—A…时，则步进电动机的转向与原来相反，即，逆时针旋转。步进电动机工作时的通电控制脉冲，必须严格按照步进电动机所要求完成的工作方式进行顺序控制。4、步进电动机的驱动要使步进电动机输出足够的转矩，就必须采用功率驱动器对控制信号进行放大以驱动负载工作。步进电动机的功率驱动电路有多种，可以用晶体管驱动电源，高频晶闸管驱动电源等；驱动电源可以是单电压驱动、高低电压驱动、高频调压驱动、以及细分驱动等。下面介绍几种典型驱动电路：1．单电压驱动电路，它是驱动电路的一种，其工作原理是：当输入的信号为低电平时，一级放大三极管的发射级的电压为负，此时功率管截止。当输入的为高电平时，一级放大三极管的发射级的电压为正，此时功率管饱和导通，步进电动机的响应相的绕组中有电流。只要某相为逻辑高电平，相应的相便导通。在这种驱动电路中为了防止电机过流及改善驱动特性，需要串接限流电阻。由于步进电机锁步时，限流电阻要消耗掉大量的功率，因此限流电阻要有较大的功率容量，并且开关管也要有较高的带载能力。此种驱动电路中的电阻较多，功率消耗大，电源的效率低。2．高低电压驱动电路，为了改善步进电动机的频率响应，改善激磁电流的波形，一种方法是提高电流上升时间段的激磁电压，当电流上升到一定值后，再将激磁电压减为额定值。即在步进电动机移步时，加额定或超过额定值的电压，以便在较大的电流驱动下，使电机快速移步；而在锁步时，则加低于额定值的电压，只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样，既可以减少限流电阻的功率消耗，又可以提高电机的运行速度，但这种驱动方式的电路要复杂一些。驱动脉冲的分配可以使用硬件方法，即用脉冲分配器实现。现在，脉冲分配器已经标准化、芯片化。步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配)也可以使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了电路，也降低了成本。使用单片机以软件方式驱动步进电机，不但可以通过编程方法，在一定范围内自由设定步进电动机的转速、往返转动的角度以及转动次数等，而且还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求。因此，常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。采用高低电压驱动电源，步进电动机绕组不需要串电阻，电源功率损耗较小。3．斩波型驱动电路，这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终在规定值上下，来使步进电动机工作。（二）、单片机选型如今单片机种类的繁多为选用带来很大不方便，根据本毕业设计的实际需求，有两种类型(8031和增强型8051)比较适合。因此，有必要对他们作简要介绍，以选择其一。现对8031作简要介绍。1、803l单片机介绍8031单片机是MCS-5l系列单片机的一种基本产品，现对其进行简单描述，如下：·8031单片机有一个8位的CPU，一个128字节RAM，21个特殊功能寄存器，4个8位并行I／0端口，1个全双工异步串行端口，2个16位定时器／计数器，5个具有优先级别的中断源。·在803l外接一片程序存储器后，就构成了一个具有完整功能的微机应用电路。·在软件方面，当8031的晶振频率为12MHZ时，指令周期为1μs，绝大多数指令执行时间为1～2μs，最长4μs。·大部分指令为1字节或2字节，最长3字节。·此外，8031所具有的乘除法指令，多种形式的位操作类指令和逻辑运算指令也是独具特色的。·8031单片机有4个存储器空间，分别安排4种不同功用的存储器：(1)内部数据存储器，集成于片内，统一编址。(2)特殊功能存储器，集成于片内，统一编址。(3)程序存储器，安排在片外，单独编址。(4)外部数据存储器，安排在片外，单独编址。2、P89C668单片机（1）．描述P89C660／662／664／668单片机内带6KB／32KB／64KB／64KBFlash存储器，该存储器既可并行编程，也可以串行在系统编程(ISP)。在实际的成型产品中，可通过ISP升级用户程序。在BootROM程序中，可通过一个默认的串行下载器(UART)对Flash存储器作ISP编程，而在Flash代码区中并不需要有调用下载器的代码，用户程序可通过调用在BootROM中的标准子程对Flash存储器擦写和再编程即(IAP)。该器件在6个时钟周期内执行一条指令，是传统的80C51的两倍。一个0TP结构位让用户选择传统的12个时钟周期。其指令集和80C51相同。它有四个8位I／0口，三个16位定时器／事件计数器，多中断源，四个优选级，可嵌套中断结构，一个增强型UART和片内振荡器以及时序电路。P89C660／662／664／668新增特性使其成为一个功能强大的单片机，为某些应用提供FWM，高速的I／0和加／减计数，如汽车控制。（2）．特点使用80C51中央处理单元，具有片内可ISP和IAP编程的Flash存储器，BootROM包括底层的Flash编程子程序用于经过UART下载，可IAP编程，可用兼容87C51硬件接口的并行编程器编程。每个机器周期6个时钟周期操作标准，每个机器周期12个时钟周期操作可选,在每个机器周期6个时钟周期下速度高达20MHz相当于40MHz性能在每个机器周期12个时钟周期下速度高达33MHz。完全静态操作，RAM可外部扩展到64K字节，4个中断优先级，8个中断源，4个8位I／O口。全双工增强型UAIH包括桢错误检测和自动地址识别。功耗模式控制，包括时钟可被中止和继续，空闲模式，掉电模式。可编程的