基于PROTUES的步进电机控制研究

本科毕业设计（论文）樊战亭作者姓名席建臣指导教师学科门类工学二零一三年四月所学专业电气工程及其自动化题目（中、英文）基于PROTEUS的步进电机控制研究代号分类号学号密级0907044121提交论文日期成绩评定BasedonPROTEUSControlSystemforSteppingMotor摘要步进电动机是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机，其作用是将脉冲电信号转换为相应的角位移。它能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用单片机控制。本论文以反应式步进电机为研究对象，应用单片机控制技术，设计出一种以单片机为核心的步进电机控制系统。在论文中较详细地分析了步进电机的工作原理，研究了步进电机控制系统的原理和构成。设计出基于单片机的步进电机控制系统的硬件电路，其中包括单片机、驱动电路、复位电路、键盘电路、状态指示电路和时钟电路等。应用Keil软件编程环境进行单片机软件编程，并在PROTEUS里画出电路图进行仿真。此控制系统可实现步进电机四相单三拍、四相双三拍、四相八拍运行方式和正、反转的控制。关键词:步进电机；单片机；PROTEUSAbstractStepmotorisakindofspecialsynchronizationmotorcontrolledbypulse.Oneofitsfunctionsistotransformpulseintoangle.Itcandirectlychangedigitalimpulsesignalintoangle,soitadaptstobecontrolledbyMCU(MicrocomputerUnit).AkindofcontrolsystemforsteepingmotorusingMCUisdesignedinthepaper.Theprincipleofstepmotorisanalyzed.Theconstructionandprincipleofcontrolsystemisstudied.Includingthesingle-chipmicrocomputer,drivingcircuit,powercircuit,keyboardcircuit,statusindicationcircuit,clockcircuitandsoonThesoftwareofProgrammingisKeil.Theflowchartofprogrammingandtheresultofsoftwaresimulationaregiven.Thecontrolsystemcanachievethreekindoffunctionmodesandpositiveandreversalrotationofstepmotor.Keywords:StepMotor;MicrocomputerUnit;PROTEUS目录1引言......................................................................12步进电机..................................................................12.1步进电机简介.......................................................12.2步进电机的分类.....................................................22.3三相步进电机工作原理...............................................22.4四相步进电机工作原理...............................................23四相步进电机的控制原理和组成..............................................33.1步进电机的控制原理..................................................53.2步进电机的控制系统结构.............................................73.3步进电机的控制的设计原理...........................................84硬件设计..................................................................84.1系统总电路图........................................................84.280C51单片机.......................................................94.3驱动电路...........................................................114.4复位电路...........................................................134.5震荡电路..........................................................134.6按键模块.........................................................144.7状态指示模块......................................................145软件设计.................................................................156电路仿真.................................................................166.1程序编译..........................................................176.2调试...............................................................176.3仿真结果..........................................................177总结.....................................................................19参考文献...................................................................20谢辞.......................................................................21基于PROTEUS步进电机的控制研究11．引言步进电动机是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就可以转动一个角度或前进一步。步进电动机也可以实现信号变换，在数字控制系统和自动控制系统有着非常广泛地应用，如在绘图机、打印机、绘图仪、机器人控制等场合都有应用。步进电动机的线位量或角位移量与脉冲数成正比，它的线速度与脉冲成正比。在负载能力范围内这些关系不因负载电压、电源电压、环境条件的变化而变化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速完成启动，反转和正转。它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制，即很适合单片机控制。本文的较详细地讲述了四相步进电动机的原理和多种工作方式，通过对单片机进行I/O扩展及编程来实现对单片机多种工作方式的编程驱动实现，并在PROTEUS中进行仿真和验证。通过本课题能够训练自己应用单片机对步进电动机进行控制，熟悉并理解应用单片机进行控制系统设计的多个环节与步骤，提高单片机的应用能力，为今后从事单片机应用或电机控制等相关工作打下较好基础。2步进电机工作原理2.1步进电机简介步进电动机又称为脉冲电动机，它是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。在同一相脉冲持续输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于自锁状态。因此步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于单片机控制。2.2步进电机的分类1）可以按励磁方式可以分类反应式步进电动机，永磁式步进电动机，永磁感应式电动机。（1）反应式步进电动机：采用高导磁材料构成定子和转子，其结构非常简单，生产成本低，起动和运行频率高，步距角可以做的很小，但动态性能比较差，消耗功率比较大，咸阳师范学院2013届本科毕业论文2断电后无定位力矩。反应式步进电动机是在实际中应用最多的一种步进电动机。（2）永磁式步进电动机：转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧是齿状定子。应用定子和转子之间的排斥和吸引力产生转动，转动步的角度一般是7.5度。它的步距角大，内阻力矩强，但启动频率低，控制功率小断电时有定位力矩并需要正负电源供电。（3）永磁感应式电动机：也称混合式步进电动机，这种电动机可以像反应式步进电动机那样做成小步距角，并有较高的启动频率，同时它又具有控制功率小的优点。当然由于采用磁钢，转子铁心必须分成俩段，结构和工艺都比反应式复杂一些。在计算机相关的设备中多用此类电机。2）按励磁相数可以把步进式电动机分为：三相、四相、五相、六相等。2.3三相步进电机工作原理永磁式步进电动机和感应式永磁步进电动机的基本原理与反应式步进电动机基本相似，现以最基本三相反应式步进电动机为例来分析其工作原理与运行方式。1）三相单三拍运行方式图2.1是一台三相六极反应式步进电动机[2]，其定子上有六个极，每极上都绕有线圈，并将相对的极上的绕组连在一起组成电机的一个相。转子圆周上均匀的分布4个齿且齿上无绕组。当A相绕组通电时，因磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，故使转子齿l、3和定子极A相对齐，如图2.1（a）所示。A相断电，B相绕组通电时，转子将在空间转过α角，α＝30°，使转子齿2、4和定子极B相对齐，如图2.1（b）所示。如果再使B断电，C相绕组通电时，转子又将在空间转过30°角，使转子齿l、3和定子极C相对齐，图2.1（c）所示。如果按A-B-C-A………顺序不断地通电和断电控制绕组，电动机便按照一定的方向一步一步的转动，若按A-C-B-A………顺序通电，则电动机机就反向一步一步的转动。在步进电动机中，控制绕组每改变一次通电方式，则称为一拍，每一拍转子就转过一个步进角，上述的运行方式每次只有一个绕组单独通电，控制绕组每换三次构成一个循环，故这种方式称为三相单三拍。采用单三拍运行方式时，在绕组断、通电的间隙，转子有可能失去自锁能力，出现失步现象。另外，在转子频繁起动、加速、减速的步进过程中，由于受惯性的影响，转子在平衡位置附近有可能出现振荡现象。所以，三相步进电动机单三拍运行方式容易出现失基于PROTEUS步进电机的控制研究3步和振荡，常采用三相双三拍运行方式.2）三相双三拍运行方式如果按AB-BC-CA-AB………顺序通电,每次均有两个控制绕组通电,故称为三相双三拍正转。反之,按AB-CA-BC-AB-CA………顺序通电,就称三相双三拍反转方式运行时,其步矩角与三相单三拍一样,都是30度。3）三相单、双六拍运行方式若按A-AB-B-BC-C-CA-A………顺序通电，每次循环需换接6次，故称为三相六拍，因单相通电和两相通电轮流进行，故又称为三相单、双六拍。图2-1咸阳