2022年开题报告基于单片机与步进电机的驱动接口方案设计书 .docx

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1、精品_精品资料_长江高校工程技术学院毕业设计（论文）开题报告信息系自动化 60802 班罗万里徐爱军徐爱军题目名称题目类型系专业班部级学生姓名指导教师辅导教师基于单片机与步进电机的驱动接口设计开题报告时间基于单片机与步进电机的驱动接口设计一、讨论的课题与选题意义1、课题：基于单片机与步进电机的驱动接口设计2、理论意义：步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的掌握微电机 ,其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例 .通过转变电脉冲频率 ,可在大范畴内进行调速.同时,该电可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_机仍能快速起动、制动、反转和自锁 .此外,步进电

2、机易于实现与运算机或其他数字元件接口 ,适用于数字掌握系统 .步进电机只需采纳最简洁的开环掌握就可取得特别高的掌握精度,且这种系统不需要反馈信号,系统硬件实施比较简洁.3、现实意义：随着科学技术的进步、工业自动化的进程,机械手将进一步取 代简洁而笨重的人工操作,逐步把在恶劣环境下工作的人们解放出 来,这对于改善人们的工作条件、提高工作效率,具有肯定的现实 意义.采纳低价的单片机掌握系统 , 它最突出的优点是可以在宽广的频率范畴内通过转变脉冲频率来实现调速,快速起停、正反转掌握 及制动等,并且用其组成的开环系统既简洁、廉价,又特别可行, 因此在打印机等办公自动化设备以及各种掌握装置等众多领域有着

3、 极其广泛的应用.随着微电子和运算机技术的进展,步进电动机的 需求量与日俱增,研制步进电机驱动器及其掌握系统具有特别重要 的意义.二、课题的基本内容：1、利用 8051 单片机、常用数字规律接口器件、 ROM、RAM储备器器件、功率驱动器件,设计一个步进电机的单片机掌握系统,在了 解分析步进电动机工作原理的基础上,设计一种正确有效的步进 电机驱动接口,解决步进电机的速度掌握问题.采纳Keil uVision2 编程,通过 Proteus 环境仿真,显示掌握结果.2、步进电机工作原理：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执 行机构.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

4、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.可以通过掌握脉冲个数来掌握 角位移量,从而达到精确定位的目的.同时可以通过掌握脉冲频 率来掌握电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的.三、设计方案及原理：本设计采纳 51 单片机对步进电机进行掌握.通过I/O 口输出的具有可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_时序的方波作为步进电机的掌握信号.步进电机掌握系统主要由 单片机、键盘 LED 、驱动/放大和 PC 上位机等四个系统.其中PC 机模块是软件掌握部分,该掌握系统可实现的功能：a、通过键盘启动 /暂停步进电机,设置步进电机的转速和转变步进电机的转向.

5、b、通过 LED 管显示步进电机的转速和转向工作状态. c、实现用单片机对步进电机的掌握.为爱护单片机掌握系统硬 件电路,可以在单片机与步进电机之间增加过电流爱护作用.四、单片机的应用系统单片机在进行实时掌握和实时数据处理时,需要与外界交换信息. 人们需要通过人机对话,明白系统的工作情形和进行掌握.单片机芯片与其它 CPU比较,功能虽然要强得多,但由于芯片结构、引脚数目的限制,片内 ROM、RAM、I/O 口等不能很多,在构成实际的应用系统时需要加以扩展,以适应不同的工作情形.单片机 应用系统的构成基本上如图 5-1 所示.图 5-1 单片机的应用系统单片机应用系统依据系统扩展和系统配置的状况

6、,可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统.本设计是设计一款最小应用系统,最小应用系统是指能维护单片机运行的最简洁配置的系统.这种系统成本低廉、结构简洁,常用来构成简洁的掌握系统,如开关量的输入 / 输出掌握、时序掌握等.对于片内有 ROM/EPRO的M芯片来说 , 最小应用系统即为配有晶体可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_振荡器、复位电路和电源的单个芯片.对与片内没有ROM/EPROM芯片来说,其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外,仍应配备 EPROM或 EEPRO作M 为程序储备器使用.五、步进电机1、步进电机介绍步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线

7、位移的开环掌握元 件.在非超载的情形下,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,即给电机加一个脉冲信号,电机就转过一个步距角.这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点.使得在速度、位置等掌握领域用步进电机来掌握变的特别的简洁.虽然步进电机已被广泛的应用,但步进电机并不能象一般的直流电机,沟通电机在常规下使用.它必需由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成掌握系统方可使用.因此用好步进电机也非易事,它涉及到机械、电机、电子及运算机等很多专业学问.2、步进电机分类永磁式（ PM）：永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为 7.

8、5 度或 15 度.反应式（ VR ） ：反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出, 步进角一般为 1.5 度,但噪声和振动都很大.在欧美等发达国家 80 岁月已被剔除.混合式（ HB ）：混合式步进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一般为1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度.这种步进电机的应用最为广泛.3、步进电动机的特点：1） 步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比.因此,当它转一可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_圈后,没有累计误差,具有良好的跟随性.2） 由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统,既简洁、廉价, 又特别牢靠,同时,它也可以

9、与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统.3） 步进电动机的动态响应快,易于启停、正反转及变速.4） 速度可在相当宽的范畴内平稳调整,低速下仍能获得较大转距, 因此一般可以不用减速器而直接驱动负载.5） 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行,不能直接使用沟通电源和直流电源.6） 步进电机存在振荡和失步现象,必需对掌握系统和机械负载实行相应措施.4、四相混合式步进电机的工作原理及工作方式如图 2-1 .开头时,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.

10、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 四相绕组轮番供电, 就转子会沿着 A、B、C、D方向转动.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_图 2-1 四相步进电机步工作进示意图四相步进电机依据通电次序的不同,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

11、作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高掌握精 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 2-2a 、b、c 所示：a. 单四拍 b.双四拍 c 八拍图 2-2 步进电机工作时序波形图5、指标（1） ）步进电机的静态指标相数：相数是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机.电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_机 的 步 距 角 为 0.9 /1.8 、 三 相 的 为 0.75 /1.5 、 五 相 的 为0.36 /0.72 .在没有细分驱动器时,用户主要靠挑选不同相数的步进电机来满意自己步距角的

12、要求.假如使用细分驱动器,就“相数 ” 将变得没有意义,用户只需在驱动器上转变细分数,就可以转变步距角.步距角：步距角它表示掌握系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度.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 ）,这个步距角可以称之为 “电机固有步距角 ”,它不肯定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关.拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态,或指电机转过一个步距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_即 AB-BC

13、-CD-DA-A,BA.四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_定位转矩：电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）.保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩.它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩.由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一.比如,当人们说 2N m 的步进电机,在没有特别说明的情形下是指保持转矩为 2Nm 的步进电机.可编辑资料 - - - 欢

14、迎下载精品_精品资料_（2） ）步进电机的动态指标步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差.用百分比表示：误差 /步距角 *100% .不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在 5%之内,八拍运行时应在 15%以内.失步：电机运转时运转的步数不等于理论上的步数.称之为失步.失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采纳细分驱动是不能解决的.最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情形下,能够直接起动的最大频率.最大空载运行频率：电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率.运行矩频特性：电机在

15、某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机挑选的根本依据.如图6 所示.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_图6 力矩与频率关系曲线电机一旦选定,电机的静力矩确定,而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流）,平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬.如图7 所示.其中,曲线 3 电流最大、或电压最高.曲线1 电流最小、或电压最低,曲线与负载的交点为负载的最大速度点.要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,或采纳小电感大电流的电机.电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域,步进电机

16、的共振区一般在50 转/ 分至 80 转/ 分之间或在 180 转/分左右,电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,就共振区向上偏移,反之亦 然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工 作点均应偏移共振区较多.因此,在使用步进电机时应躲开此共振 区.六、步进电机驱动系统步进电动机不能直接接到工频沟通或直流电源上工作,而必需 使用专用的步进电动机驱动器,如图6-1所示,它由脉冲发生掌握单元、功率驱动单元、爱护单元等组成.图中点划线所包围的二个 单元可以用微机掌握来实现.驱动单元与步进电动机直接耦合,也 可懂得成步进电动机微机掌握器的功率接口.步进电机驱动系统的 性

17、能,除与电机本身的性能有关外,也在很大程度上取决于驱动器 的优劣.典型的步进电机驱动系统是由步进电机掌握器、步进电机 驱动器和步进电机本体三部分组成.步进电机掌握器发出步进脉冲可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_控 制命 令脉冲掌握发生单元功率驱动单元步进电机反馈与爱护单元步进电机微机掌握单元和方向信号,每发一个脉冲,步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角,即步进一步.步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低.掌握器的方向信号打算步进电机的顺时针或逆时针旋转.通常,步进电机驱动器由规律掌握电路、功率驱动电路、爱护电路和电源组成.步进电机驱动

18、器一旦接收到来自掌握器的方向信号和步进脉冲,掌握电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号.掌握电路输出的信号功率很低,不能供应步进电机所需的输出功率,必需进行功率放大,这就是步进电机驱动器的功率驱动部分.功率驱动电路向步进电机掌握绕组输入电流,使其励磁形成空间旋转磁场,驱动转子运动.爱护电路在显现短路、过载、过热等故障时快速停止驱动器和电机的运行.图 6-1 步进电动机驱动掌握系统驱动系统总体结构图：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_实时掌握速度设定运算机录入程序按钮方向设定供电单片机电源驱动电路及有关芯片供电驱动供电M通过运算机把程序稍入单片机内,单片机将掌握脉冲通过 IO口输出给驱动电路,产生驱动信号,驱动步进电机的各项绕组, 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,并显示相应的运行状态.可编辑资料 - - - 欢迎下载