基于单片机的步进电机运动控制系统设计

基于单片机的步进电机运动控制系统设计[20200410135816]
摘 要
步进电机作为一种开环控制元件,它是通过脉冲信号的变化来改变角位移和线位移的。因为用这种步进电机组装的开环系统设计简便、价格便宜,并且实际使用符合工业需求,所以在办公自动化设备的配置、机器人和各类精密仪器等领域有着非常普遍的使用。
现在因为时代的发展,效率在工作生活中被越来越注重,步进电机的需求越来越高,打印机、电动玩具等产品以及工业上的精密机床、工业使用的机器人、精密器械等产品都有使用到步进电机,而且对它的要求也随着技术的提高而提高。所以,研究步进电机的控制系统,对怎样来进一步提高控制精度、响应速度等都具有现实意义。
本文对步进电机的定义以及目前在国内外的研究及其发展状况进行了介绍,并通过采用STC89C51单片机对步进电机的控制,这次设计用来控制步进电机的信号是I/O口输出的时序方波,经过芯片ULN2003来达到驱动步进电机的目的,从而实现步进电机的开关、正反转、加速减速的显示。
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关键字:步进电机单片机正反转加减速?
目 录
1引言 1
1.1 步进电机的发展 1
1.2 步进电机的应用 1
1.3 步进电机的细分驱动技术 1
1.4本章小结 3
2步进电机控制系统设计 3
2.1系统框架 4
2.2主控芯片选择 4
2.3步进电机选择 5
2.4电机驱动选择 5
2.5本章小结 6
3系统硬件电路设计 7
3.1系统硬件总电路构成 7
3.2步进电机系统 7
3.2.1步进电机原理 7
3.2.2步进电机特点 8
3.2.3步进电机的特性 8
3.2.4步进电机的分类 9
3.2.5步进电机指标术语 9
3.2.6步进电机测速方法 10
3.2.7步进电机的优点 10
3.3 单片机系统 11
3.3.1单片机的引脚功能 11
3.3.2主要特性 12
3.4键盘控制电路 15
3.5数码管驱动显示电路 15
3.6步进电机驱动电路 16
3.7本章小结 17
4控制系统软件设计与分析 18
4.1主程序流程图 18
4.2读按键子程序流程图 18
4.3按键处理子程序流程图 19
4.4电机控制中断程序流程图 20
4.5 本章小结 21
5系统调试 22
5.1调试 22
5.2 运行结果 22
6总结 24
参考文献 25
附录 26
致谢 33
1引言
1.1 步进电机的发展
步进电机其实是电磁感应的一种应用,通过把脉冲信号转变成角位移和线位移来实现运动的一种开环控制元器件。单片机控制的步进电机被普遍地应用在工业生产中。因为目前科学技术的日新月异发展,步进电机被应用的领域也变得更加广泛,这也对步进电机的工作能力有了更加严格的要求。
最早的步进电机的理论模型产生在1830年到1860年之间,而真正的使用是为了在氩弧灯的电极输送机构中起到控制的作用。科学技术的进步不仅体现在个体上,更是体现在一个整体上,晶体管的发明就使得步进电机的数字控制变得逐渐简便容易。之后的一段时间内,伴随着永磁材料的发展,各种各样的为了满足生产生活需求的步进电机被生产出来,并且经过长时间的不断改进,不断的满足生产生活中对于步进电机要精度高、速度快捷、性价比高以及便于维修的要求。现代社会是高度的工业化社会,步进电机在日常生活中扮演着重要的作用,特别是在一些高科技领域,先进的步进电机控制起着非常重要的作用。
1.2 步进电机的应用
当前,步进电机的应用领域变得越来越普遍,在一些需要使用到机器的行业中使用普遍,比如以下场合:
(1)对定位有要求的工业生产。比如:切割工作时的点孔定位,自动包装机时的长度定位,这些涉及到定位的场合都有使用步进电机。
(2)普遍用在一些对于运行是否平稳、有无噪音、反应是否迅速、使用时间是否足够长、输出扭矩是否满足要求的特殊场合。比如:银行的取款机、办公使用的喷绘机等喷涂打印设备,一些医疗仪器的精密设备、工业电子设备制作时控制使用的机器臂、机器人等领域。
(3)在纺织工业中,要运行电脑绣花这种设备,需要有能够满足电脑绣花时快速反应、运行是能尽量减少噪音,方便操作维护的低成本机器元件,而专门为它设计的步进电机恰好就能满足所有的要求,且随着技术的发展,采用不同的先进步进电机,还能有效的提高性价比,增加生产效率。
1.3 步进电机的细分驱动技术
不同的电流要满足特定的时序要求时步进电机才能顺利的运行,但是通过绕组的电流大小影响着电磁力的变化,假如绕组中电流变成不是方波,而是变成了多个像是台阶那样的波,那么等到电机次每运行一个台梯就相当于步进电机转动一步。每次步进电机转动一步时,就相当是转过了一个步距角,这样就被我们称作是细分。下面我们用二相步进电机作为例子来说明。
是转矩的常量, 矢量合成公式 、 式可以得到公式
上面公式(1-1)、(1-2)是A、B相的电流公式,公式(1-3)、(1-4)则为分别的力矩。按照公式运算发现,采用细分技术之后,数据上面并没有变化,但是整体的工作性能却有了大幅度的提高。图1.1的是整步运行的两相的电流图。从图中能够看出合成力矩一样,可是连续性不理想,特别是在低频率运行时会有显著的振动。但是可以通过将一个整步分解为四步的方法,来完成原本的任务,这就是细分,如图1.1的下半部分。细分后每一步的电流大小都是相同的,所以每一步过渡变得平稳,有利的减少了振动的影响,并且降低了失步。
图1.1 步进电机细分技术
通过上面的介绍,我们可以看出细分驱动技术对于改善步进电机的性能有着极大的帮助,而随着微处理机技术的快速发展,细分技术也得到了普遍的使用。
1.4本章小结
本章主要介绍了步进电机的发展历史、步进电机目前在各领域的广泛的应用前景,同时也详细的介绍了步进电机的细分驱动技术。
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好棒文