基于单片机的步进电机排故实验模块设计
基于单片机的步进电机排故实验模块设计[20200406105107]
摘 要
步进电动机是一种通过电脉冲信号进行控制且将电脉冲信号转化成线位移或角位移的微电动机，它可以通过在范围很大的频率之间改变脉冲频率来进行调节速度，快速的启动和停止，正转反转控制和制动等，步进电机最大的优点就在于此。由步进电机组成的开环系统很实用，操作简单方便，价格便宜。转子小齿数量、脉冲是控制步进电机转动速度的主要因素，与负载、温度、电压等因素没有关系。步进电动机运作时的转速和步数不受负载变化和电压波动以及环境条件变化的影响，只与控制脉冲同步，但它仍有由铁芯组成的定子和小齿绕组组成的转子构成。所以在转动过程会出现各种故障，故障出现后影响了步进电机的正常工作。因此，设计出一款基于单片机的步进电机排故实验模块对于学生在日常教学中有很大的意义。
本文研究分析了步进电机在国内外的发展趋势，通过软件编程，对AT89S51单片机进行控制，结合典型故障，通过大量实验比对，找出单片机控制的步进电机可能产生的故障，并且进行分析排除，设计出一款基于单片机的步进电机排故实验模块，实现本课题预定目标。
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关键字:步进电机单片机故障分析排除
目 录
1 引 言 1
1.1 步进电机研究的国内外现状和趋势 1
1.2 研究的目的和意义 1
1.2.1 研究的目的 1
1.2.2 研究的意义 1
1.3 课题研究的主要内容 2
2 步进电机的概述 3
2.1 步进电机的分类 3
2.2 步进电机的结构及工作原理 4
2.2.1 步进电机的结构 4
2.3 步进电机的振荡和失步 6
2.3.1 步进电机的振荡 6
2.3.2 步进电机的失步 6
3 步进电机的单片机控制 8
3.1 AT89S51单片机简介 8
3.2 步进电机控制系统组成 9
3.3 步进电机控制系统原理 9
3.3.1 脉冲序列 9
3.3.2 方向控制 10
3.4 脉冲分配 10
3.4.1 通过软件实现脉冲分配 10
3.4.2 通过硬件实现脉冲分配 11
3.5 步进电机与微型机的接口电路 12
4 系统的软件实现 13
4.1 系统软件主流程图 13
4.2 系统初始化流程图 14
5 步进电机在应用中产生的故障及分析排查 15
5.1 常用检修方法 15
5.2 典型故障分析 15
5.2.1 起动和运行速度慢,影响系统同步 15
5.2.2 步进电动机运行中失步 16
5.3 控制绕组一相反绕,影响正常运行 16
5.4 定子控制绕组开路、短路或击穿故障 17
5.4.1 开路故障 17
5.4.2 短路故障 17
5.4.3 击穿故障 17
5.5 电源装置故障使步进电动机不能运行 17
6 结 语 19
参考文献 20
附 录 21
单片机控制步进电机程序 21
致 谢 24
1 引 言
1.1 步进电机研究的国内外现状和趋势
在20世纪初期的时候，国外就发明了步进电动机，并且得到了广泛的使用。中国在六七十年代已经在各行业开始生产和应用，例如江浙，北京等地都有生产，全部用国内自己生产的半导体元器件来驱动电路，当时组成逻辑运算电路的是全分立式元器件，以及计数器，触发器，环形分配器等采用电容耦合输入。在八十年代的时候，出现了步进电机的细分控制，这相比较于交流电动机的矢量控制要简单的多。考虑到驱动电路的成本，工作效率等实际情况，在一些功率比较大的机器上，国外已经不太会考虑使用扭矩很大的一类步进电动机来驱动，而是使用总体技术和经济效益高的直流电动机加上编码器。相对而言，步进电动机在一些小功率的器械上用的比较多。国外有先进的技术，能够运用技术手段把步进电机从驱动应用中剔除出去，除一些小功率的机器，比如说打印机等，控制的时候还是会利用光电或者感应编码带来与直流电动机配合，完成闭环线性位移。我国在七十年代后期就生产了力矩电机和环形力矩电机，用其实现机床数字控制。现如今，一些有能力的公司使用的数控机床是交流电动机驱动的。在交流电动机的控制上国外是比国内要先进的，国外发展较早，有先进的控制理论软件，在应用能力等方面都比较强，这也是我国和国外的主要差距。总体来说，步进电机的操作要求不高，适合运用于一些小功率的场合。
1.2 研究的目的和意义
1.2.1 研究的目的
步进电机是微电动机的一种，本课题的目标是设计出一款基于AT89S51单片机的步进电机排故实验模块，该模块可直接应用于教学和学生实践技能的培养。
1.2.2 研究的意义
步进电动机的应用很广泛，比如打印机，复印机等办公设备以及各种自动化控制设备。它可以通过在范围很宽阔的频率之间改变脉冲频率来进行调节速度，快速的启动和停止，正转反转控制和制动等，步进电机最大的优点就在于此，由步进电机组成的开环系统很实用，操作简单方便，价格也很便宜。现在，用户可以使用单片机来控制，仅仅通过改变相应的控制程序就能对步进电机实现灵活的运用。在计算机科技和微电子行业不断蓬勃发展的时代，步进电机也随着一起发展，用户的需求量也越来越大，要求越来越高。所以，设计出一款基于单片机的步进电机排故实验模块对使用者的意义是非常重大的。
1.3 课题研究的主要内容
步进电动机是一种特别的电动机，控制其转动速度的主要因素是转子的牙齿数、脉冲的频率和节拍数，而负载变化、电压波动、工作环境条件等因素与其转动速度无关。步进电动机运行时的转动速度和转过的步数只与控制脉冲频率同步，负载变化、电压波动、工作环境条件的变化，比如，温度、振动、和冲击力等对其没有影响。但它仍有转子和定子构成，而转子和定子是由铁心和绕组构成，所以在转动过程会出现各种故障。
步进电机转动一圈有一个固定数量的步骤，在理论上步距误差不积累。步进电机的最大缺陷在于其简单的步骤，尤其是在高负荷、高转速下，容易出现故障，同时功率也不太大。现阶段，步进电机会采用开环系统，或者也有的加入了检测位置的元器件组成反馈式补偿型驱动控制结构来对数控机床进行驱动。但是，应用最广泛，最常用的还是直接利用开环系统控制。在数控系统中，虽然有各种型号和规格，结构是不同的，但在频繁的启动和运行速度缓慢，产生严重的失步现象，运行中出现绕组短路，开路故障或击穿故障，故障出现后影响了数控系统的正常工作。
2 步进电机的概述
2.1 步进电机的分类
各种步进电机，在广义上，分为机械式，电磁式和组合式三种类型。从结构特点来分，电磁式步进电机可分为反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)和混合式步进电动机(HB)三大类[4]；从相数方面则可分为单相、双相和多相这三种。当前，广为应用的是反应式和混合式步进电机。
(1)反应式步进电机(VR)：反应式步进电机的转子是一种软磁材料。作为一种传统的步进电机，组成它的结构很简单，步距角能够做得很小，所用的成本不高，这些都是它的优点，但是缺点是动态性能相对较差；
(2)永磁式步进电机(PM)：顾名思义，永磁式是指其转子是一个由永磁材料制成的磁源。定子和转子的极数相同，所以一般步长比较大。它的输出力矩大，动态性能好，功耗要小于反应型步进电机，但启动时的运行频率相对较低，而且需要提供正、负脉冲电源；
(3)混合式步进电机(HB)：集永磁式以及反应式步进电机的优点于一身。单单相比于传统型反应式步进电动机，在结构上，它上面的转子混合有永磁体，能够提供一种软磁性材料的工作点，定子激磁转子简单地提供一个变化的磁场和磁性体，以提供能量给工作点，使得电动机的效率高，电流小，产生的热量低。
混合式步进电机结构图如下图2.1所示：
图2.1 混合式步进电机结构图
图2.2为以上介绍的三种步进电机的构造：
图2.2 三种步进电机构造图
2.2 步进电机的结构及工作原理
2.2.1 步进电机的结构
图2.3 步进电机定子转子结构图
摘 要
步进电动机是一种通过电脉冲信号进行控制且将电脉冲信号转化成线位移或角位移的微电动机，它可以通过在范围很大的频率之间改变脉冲频率来进行调节速度，快速的启动和停止，正转反转控制和制动等，步进电机最大的优点就在于此。由步进电机组成的开环系统很实用，操作简单方便，价格便宜。转子小齿数量、脉冲是控制步进电机转动速度的主要因素，与负载、温度、电压等因素没有关系。步进电动机运作时的转速和步数不受负载变化和电压波动以及环境条件变化的影响，只与控制脉冲同步，但它仍有由铁芯组成的定子和小齿绕组组成的转子构成。所以在转动过程会出现各种故障，故障出现后影响了步进电机的正常工作。因此，设计出一款基于单片机的步进电机排故实验模块对于学生在日常教学中有很大的意义。
本文研究分析了步进电机在国内外的发展趋势，通过软件编程，对AT89S51单片机进行控制，结合典型故障，通过大量实验比对，找出单片机控制的步进电机可能产生的故障，并且进行分析排除，设计出一款基于单片机的步进电机排故实验模块，实现本课题预定目标。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:步进电机单片机故障分析排除
目 录
1 引 言 1
1.1 步进电机研究的国内外现状和趋势 1
1.2 研究的目的和意义 1
1.2.1 研究的目的 1
1.2.2 研究的意义 1
1.3 课题研究的主要内容 2
2 步进电机的概述 3
2.1 步进电机的分类 3
2.2 步进电机的结构及工作原理 4
2.2.1 步进电机的结构 4
2.3 步进电机的振荡和失步 6
2.3.1 步进电机的振荡 6
2.3.2 步进电机的失步 6
3 步进电机的单片机控制 8
3.1 AT89S51单片机简介 8
3.2 步进电机控制系统组成 9
3.3 步进电机控制系统原理 9
3.3.1 脉冲序列 9
3.3.2 方向控制 10
3.4 脉冲分配 10
3.4.1 通过软件实现脉冲分配 10
3.4.2 通过硬件实现脉冲分配 11
3.5 步进电机与微型机的接口电路 12
4 系统的软件实现 13
4.1 系统软件主流程图 13
4.2 系统初始化流程图 14
5 步进电机在应用中产生的故障及分析排查 15
5.1 常用检修方法 15
5.2 典型故障分析 15
5.2.1 起动和运行速度慢,影响系统同步 15
5.2.2 步进电动机运行中失步 16
5.3 控制绕组一相反绕,影响正常运行 16
5.4 定子控制绕组开路、短路或击穿故障 17
5.4.1 开路故障 17
5.4.2 短路故障 17
5.4.3 击穿故障 17
5.5 电源装置故障使步进电动机不能运行 17
6 结 语 19
参考文献 20
附 录 21
单片机控制步进电机程序 21
致 谢 24
1 引 言
1.1 步进电机研究的国内外现状和趋势
在20世纪初期的时候，国外就发明了步进电动机，并且得到了广泛的使用。中国在六七十年代已经在各行业开始生产和应用，例如江浙，北京等地都有生产，全部用国内自己生产的半导体元器件来驱动电路，当时组成逻辑运算电路的是全分立式元器件，以及计数器，触发器，环形分配器等采用电容耦合输入。在八十年代的时候，出现了步进电机的细分控制，这相比较于交流电动机的矢量控制要简单的多。考虑到驱动电路的成本，工作效率等实际情况，在一些功率比较大的机器上，国外已经不太会考虑使用扭矩很大的一类步进电动机来驱动，而是使用总体技术和经济效益高的直流电动机加上编码器。相对而言，步进电动机在一些小功率的器械上用的比较多。国外有先进的技术，能够运用技术手段把步进电机从驱动应用中剔除出去，除一些小功率的机器，比如说打印机等，控制的时候还是会利用光电或者感应编码带来与直流电动机配合，完成闭环线性位移。我国在七十年代后期就生产了力矩电机和环形力矩电机，用其实现机床数字控制。现如今，一些有能力的公司使用的数控机床是交流电动机驱动的。在交流电动机的控制上国外是比国内要先进的，国外发展较早，有先进的控制理论软件，在应用能力等方面都比较强，这也是我国和国外的主要差距。总体来说，步进电机的操作要求不高，适合运用于一些小功率的场合。
1.2 研究的目的和意义
1.2.1 研究的目的
步进电机是微电动机的一种，本课题的目标是设计出一款基于AT89S51单片机的步进电机排故实验模块，该模块可直接应用于教学和学生实践技能的培养。
1.2.2 研究的意义
步进电动机的应用很广泛，比如打印机，复印机等办公设备以及各种自动化控制设备。它可以通过在范围很宽阔的频率之间改变脉冲频率来进行调节速度，快速的启动和停止，正转反转控制和制动等，步进电机最大的优点就在于此，由步进电机组成的开环系统很实用，操作简单方便，价格也很便宜。现在，用户可以使用单片机来控制，仅仅通过改变相应的控制程序就能对步进电机实现灵活的运用。在计算机科技和微电子行业不断蓬勃发展的时代，步进电机也随着一起发展，用户的需求量也越来越大，要求越来越高。所以，设计出一款基于单片机的步进电机排故实验模块对使用者的意义是非常重大的。
1.3 课题研究的主要内容
步进电动机是一种特别的电动机，控制其转动速度的主要因素是转子的牙齿数、脉冲的频率和节拍数，而负载变化、电压波动、工作环境条件等因素与其转动速度无关。步进电动机运行时的转动速度和转过的步数只与控制脉冲频率同步，负载变化、电压波动、工作环境条件的变化，比如，温度、振动、和冲击力等对其没有影响。但它仍有转子和定子构成，而转子和定子是由铁心和绕组构成，所以在转动过程会出现各种故障。
步进电机转动一圈有一个固定数量的步骤，在理论上步距误差不积累。步进电机的最大缺陷在于其简单的步骤，尤其是在高负荷、高转速下，容易出现故障，同时功率也不太大。现阶段，步进电机会采用开环系统，或者也有的加入了检测位置的元器件组成反馈式补偿型驱动控制结构来对数控机床进行驱动。但是，应用最广泛，最常用的还是直接利用开环系统控制。在数控系统中，虽然有各种型号和规格，结构是不同的，但在频繁的启动和运行速度缓慢，产生严重的失步现象，运行中出现绕组短路，开路故障或击穿故障，故障出现后影响了数控系统的正常工作。
2 步进电机的概述
2.1 步进电机的分类
各种步进电机，在广义上，分为机械式，电磁式和组合式三种类型。从结构特点来分，电磁式步进电机可分为反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)和混合式步进电动机(HB)三大类[4]；从相数方面则可分为单相、双相和多相这三种。当前，广为应用的是反应式和混合式步进电机。
(1)反应式步进电机(VR)：反应式步进电机的转子是一种软磁材料。作为一种传统的步进电机，组成它的结构很简单，步距角能够做得很小，所用的成本不高，这些都是它的优点，但是缺点是动态性能相对较差；
(2)永磁式步进电机(PM)：顾名思义，永磁式是指其转子是一个由永磁材料制成的磁源。定子和转子的极数相同，所以一般步长比较大。它的输出力矩大，动态性能好，功耗要小于反应型步进电机，但启动时的运行频率相对较低，而且需要提供正、负脉冲电源；
(3)混合式步进电机(HB)：集永磁式以及反应式步进电机的优点于一身。单单相比于传统型反应式步进电动机，在结构上，它上面的转子混合有永磁体，能够提供一种软磁性材料的工作点，定子激磁转子简单地提供一个变化的磁场和磁性体，以提供能量给工作点，使得电动机的效率高，电流小，产生的热量低。
混合式步进电机结构图如下图2.1所示：
图2.1 混合式步进电机结构图
图2.2为以上介绍的三种步进电机的构造：
图2.2 三种步进电机构造图
2.2 步进电机的结构及工作原理
2.2.1 步进电机的结构
图2.3 步进电机定子转子结构图
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