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基于PROTUES的单片机步进电机速度控制系统的设计与仿真--本科学士论文.doc
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基于PROTUES的单片机步进电机速度控制系统的设计与仿真--本科学士论文.doc
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北方民族大学本科学士论文
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前 言
步进电机成为执行元件,是机电一体化的重要产品其一,频繁使用在种种自
动化操控系统中。伴随微型电力电子和计算机技术的扩展,步进电机的需求量不
断增加,在每一个国民经济地方都有使用。最近几年来,伴随数字电子技术与微
操控器的迅速崛起。从而使得步进电机被频繁用于诸多运动操控中使用,这是因
为数字输入性能的步进电机允许它连接到任何数字操控器。
在步进电机的操控的电路中能够根据操控脉冲信号个数来操控角位移量,所
以实现准确定位的最终结果; 因为步进电机每次输入一个脉冲信号就可以转动
一个固定的角位移,简单的说一个脉冲信号与一个固定角位移是一一对应关系。
这样就能够根据操控步进电机的任意两个连续脉冲信号的时间间隔来更改脉冲
信号的频率,通过控制时间延时长短来操控步进角从而间接更改步进电机旋转的
速度,最后达到实现步进电机的调节速度的效果。步进电机能够成为一种操控用
的特种电机,根据其没有积累的误差(精度为 100%)的特性,频繁使用在种种开环
操控。伴随微型电力电子和计算机技术的扩展,步进电机的需求和日俱增,研究
制造步进电机驱动器和操控系统具备非常重要的意义。
基于 PROTEUS 的单片机步进电机调速系统的设计与仿真
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第一章 绪论
第一节 单片机控制步进电机的背景与意义
步进电机是根据操控脉冲信号个数来间接操控角位移量,最后实现准确定位
的最终结果;它是一种电机一体化系统在增量运动转换成发散的数字信号输入的
机械运动。步进电机轴或者主轴旋转发散一步增量时,命令脉冲信号使用在适当
的序列转子旋转固定一步取决于其建设。较直流电机步进电机有诸多优势,即低
摩擦,寿命长,使用的轴承极其稳定,由于没有接触刷和减少转子散热,并且根
据其没有积累误差(精度为 100%)的特性,频繁使用在种种开环操控系统。步进电
机能够成为一种操控用的特种电机。 它被成为最常用的一种电机,频繁使用在
数控机床、机器人、自动化仪表等地方。
步进电机有 3 种:永磁式(PM),反应式(VR)和混合式(HB)。
步进电机是通过用电脉冲信号进行操控的,通俗的说:步进电机的位置和速
度由脉冲信号数和频率决定。频率与脉冲信号数成一一对应关系。步进电机的转
动方向取决于脉冲信号数的顺序。想要对步进电机的速度调节进行准确的定位,
就必须通过恰当对步进脉冲信号的频率进行操控,最后达到调速的目的。想要对
电机进行准确定位,我们可以通过操控步进脉冲信号个数。伴随现代社会的不断
进步,计算机技术运用到的生活的各个方面并且伴随微型电力电子技术迅速发展,
步进电机的作用与日俱增,复杂的则用于高精度严要求的工业控制领域。这是由
于步进电机具有稳定、抗干扰能力强、工作期间受温度的影响极小。
第二节 国内外研究状况
虽然步进电机最早是由国外创造出来的。但国内在几十年前时就已经开始生
产和使用,当时它被广泛的应用在我国工业控制的各个领域。其中步进电机的驱
动电路当时可以说是一个技术上的瓶颈,许多驱动电路虽然能使步进电机正常运
行,但对于精度具有严格要求的部分工业控制来说,许多驱动电路就显得那样的
束手无策,步进电机组成的电路中用到的所有半导体器件,当时就已经实现了国
内化生产。
1.2.1 国外研究状况
外国工业革命期间各种电子器件得到了突飞猛进的发展,工业促进了整个国
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民经济的发展,然而也就是那些看似微不足道的电力电子产品推动了整个工业的
发展,步进电机在其中起着不可小视的作用。在大功率的工农业设备驱动上,由
于从驱动的成本太高,效率也不怎么明显,噪音等诸多对外界的影响,在外国考
虑这些因素大扭矩步进电动机不能达到要求,另一方面对于直流电动机来说,对
于电动机编码器的整体技术和经济指标都是具有较高的要求。还有部分的空心转
杯电动机和交流电动机,这些电机则被运用也一些高端方面的控制。
上面说了大功率的情况,小功率场合方面,国外还是没有抛弃使用步进电机,
比如:部分工业控制(小型简单),部分工业制造中的机械设备,还有其他人们
日常生活中的各种办公自动化领域。等等。
1.2.2 国内研究状况
在过去的工业数控机床中我国基本上完全采用的是大力矩的步进电机,随着
社会的不断发展各种驱动器的成熟,而部分有实力的公司为了赢得在市场上的主
导控制权,牺牲部分的成本采用交流电动机驱动数控机床而获得更高的经济效益。
步进电机是一种受外界干扰小的开环控制元件,对使用者要求不高,对于大
功率的场合使用,还是有部分欠缺的地方。
对于一些更高要求的领域,比如:卫星、雷达等,我国在几十年前,就生产
了力矩电机和环形力矩电机,这两种电机在高品质的操控场合,得到了广发的应
用。
第三节 本章主要研究内容
本论文主要是简单的研究步进电机的一些性质,步进电机的加速和减速,正转和
反转等。选用的是最简单的二相步进电机作为主要核心元件,至于控制它的则是
采用我们最为熟悉的 AT89C52 单片机。步进电机是一种机电一体化系统在增量
运动转换成发散的数字信号输入的机械运动器件。但有不能简单只是用 AT89C52
去直接驱动控制二相步进电机,由于驱动电流电压达不到步进电机的运行的基本
要求,所以本设计采用了专门的驱动芯片组,L287 和 L289 组成的电机专用驱动
电路。这使得驱动步进电机正常运行,实现简单的加速和减速,正转和反转等功
能非常简单。
为了清晰的实时动态的观察步进电机的运行情况,同时本设计采用的是
1602LCD 液晶显示器,作为显示实时动态信息。液晶显示器主要分为两行显示信
基于 PROTEUS 的单片机步进电机调速系统的设计与仿真
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息,第一行是显示电机的转速情况;第二行是显示电机的正转还是反转。由于
1602LCD 液晶显示结构简单,操作方便的诸多优点,被广泛的应用在人们日常生
活中的各个方面。
其中电机的直接控制是通过按键外界的输入按键使能信号,由 AT89C52 捕获,
然后再执行相应的控制操作。一个按键控制着步进电机的一个操作,操作简单明
了。
总的来说,本设计中主要用的芯片有 LCD1602 用于显示步进电机的旋转速
度和正反转等具体信息(显示模块),L297 和 L298 组合的步进电机标准驱动电
路(驱动模块)。
第四节 本章总结
本章主要首先概括的说明了步进电机发展历史,国内与国外以前到现在的具
体情况,以及在步进电机的发展历史中所遇到的一些困难等。
紧接着又介绍了本次设计的主要目的和在本次设计中用到的具体芯片和几
个重要的电路模块。包括作为显示的 1602LCD 液晶显示器,作为驱动步进电机
的 L297 和 L298 组成的驱动模块,作为控制的按键模块等。
第二章 系统概述
北方民族大学本科学士论文
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第一节 步进电机简介
2.1.1 步进电机的概述
一、步进电机的定义概述
作为机电一体化的重要产品之一,步进电机凭借着自身的诸多优点,频繁的
出现在人们生活的各个方面。
步进电机是一种机电一体化系统在增量运动转换成发散的数字信号输入的
机械运动器件。步进电机主轴旋转发散一步增量时,命令脉冲信号使用在适当的
序列转子旋转固定一步取决于其建设。较直流电机步进电机有诸多优势,即低摩
擦,寿命长,使用的轴承极其稳定,由于没有接触刷和减少转子散热。
由于,步进电机输入的脉冲信号数和转过的总角位移成正比;连续输入一定
频率的脉冲信号时,可以准确的定位步进电机的旋转速度,也就是旋转速度和传
送脉冲信号的频率是一一对应的关系,不受电压波动和负载变化的影响,所以特
别适合于微机操控。
二、步进电机的分类
步进电机有 3 类:
a. 永磁式步进电机:通常为两相,转矩和体积较小,步进角通常为 7.5 度或
者 15 度。
[5]
b. 反应式步进电机:通常为三相,可实现大转矩输出,步进角通常为 1.5
度,但噪声和振动都很大。
[3]
c. 混合式步进电机:是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五
相:两相步进角通常为 1.8 度而五相步进角通常为 0.72 度。这种步进电机的使
用最为频繁。
[3]
混合式步进电机兼有反应式和永磁式的双重优点,其自身阻尼作用较好,运
转平稳,噪音低、低频震动小,目前混合式步进电机是使用最广发的电机其一。
三、步进电机的静态指标术语
1、固有步距角:
它表示操控系统每发一个步进脉冲信号信号,电机所转动的角位移。电机出
厂时给出了一个步距角的值,如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9°/1.8°(表
示半步工作时为 0.9°、整步工作时为 1.8°),这个步距角能够称之为‘电机
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