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1、 XY平面绘图机传动控制系统设计作者姓名： 专业名称：机械工程及自动化指导教师：摘要步进电动机控制特性好、误差不长期积累、控制精度高，广泛应用于速度，位置等控制领域。开环控制系统组成简单，应用广泛。XY平面绘图机是将机械系统与微电子系统相结合而形成的一个有机整体，通过步进电动机控制完成图形的绘制。 本设计利用单片机8031提供脉冲，经环形分配器和放大电路，通过双压驱动电路控制步进电动机，以实现绘图机的传动控制。论文主要介绍了步进电动机的基本工作原理、控制方式、驱动方式、双压驱动电路的设计，以及环形分配器CH250和双单稳态多谐振荡器74221连线。利用目前我们所学的步进电动机的相关知识来控制驱
2、动电路，利用电子电路的知识来设计硬件直接的连接。关键词 ：步进电动机 硬件分配器 单稳电路 8031AbstractStepper motor control characteristic is good, the error is not a long-term accumulation, high control precision, widely used in the speed, position and other control areas. Open-loop control system composed of simple, widely used. XY plane dr
3、awing machine is the mechanical systems and microelectronics systems combined to form an organic whole, by stepper motor control to complete graphics rendering. The design used to provide pulse 8031, by circular distributor and amplifier circuit, through the dual pressure control stepper motor drive
4、 circuit to achieve the drawing machine drive control. Thesis describes the basic working principle of stepper motor, control mode, drive mode, dual-voltage drive circuit, and the ring distributor CH250 and dual monostable multivibrator 74221 connections. Advantage of the present study we have knowl
5、edge of stepping motor drive circuit to control the use of knowledge to the design of electronic circuits to connect the hardware directly.Keywords: Stepper motor，hardware distributor，monostable circuit，8031目录摘要IAbstractII目录III前言11概述31.1步进电动机的产生和发展31.2步进电动机的结构和主要性能指标41.3步进电机的工作原理61.4步进电动机的分类71.4.1按工
6、作原理分类71.4.2按输出转矩的大小分类92步进电动机控制系统102.1步进电动机的开环控制102.2 8031单片机系统概述122.3步进电动机的环形分配器142.3.1步进电动机的驱动方式142.3.2步进电动机的环形分配器142.4步进电动机的驱动电路193电路设计253.1选择步进电动机253.2驱动方案的选择273.3驱动电路的设计283.3.1驱动电路的时间常数和电压283.3.3器件的确定303.3.3驱动电源产品的选用33总结34致谢35参考文献36附件 步进电动机传动控制原理总图37前言传统的机械式X-Y绘图机虽然价格较低，但由于采用手动，除精度和效率较低外，其潜在的功能未
7、能充分的利用。为了适应现代化生产的需要，利用单片机和步进电动机对X-Y绘图仪系统进行了机电一体化设计，将机械系统与微机控制系统有机的结合在一起，使其系统的传动控制精度高，速度快，性能稳定和电路简单，工作可靠等特点，具有很好的使用价值。步进电动机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进动电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。特别是随着数字技术和计算机的发展，研究步进电动机的驱动电路，使步进动电机的控制更加简便，灵活和智能化，使其应用更加广泛。上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反
8、应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制
9、。步进电动机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电动机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。步进电机具有转子惯量底，定位精度高，无累积误差，控制简单等特点。实际操作时不受电源电压，负载，环境，温度的影响能够实现快速启动、制动和反转。步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制步进电机作为控制执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。本设计利用单片
10、机8031提供脉冲，经环形分配器和放大电路，通过双压驱动电路控制步进电动机，以实现绘图机的传动控制。对X-Y绘图仪的机械系统、控制系统及电路的硬件和软件进行了设计，该系统具有使用广泛，操作方便，速度快，精度高等特点。1概述步进电动机又称脉冲电动机，我国步进电动机20世纪70年代初开始起步，70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种和高性能电动机不断开发，80年代中期以后，各种混合式步进电动机被广泛利用。目前，随着科学技术的发展，特别是永磁材料、半导体技术、计算机技术的发展，使步进电动机在众多领域得到了广泛应用。由于步进电动机具有易于控制、响应性好、精度高等特点，被广泛应用在自动控制的各个
11、领域，尤其在计算机外围设备、办公设备、加工机械、包装机械、食品机械中的应用更为广泛。从发展趋势来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机以及同步电动机并列，成为电动机的一种基本类型。随着计算机技术进一步的发展，步进电动机必将成为机电一体化不可缺少的元件之一。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。1.1步进电动机的产生和发展步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。1870午前后开始以控制为目的的尝试，应用于氮弧灯的电极输送
12、机构中。这被认为是最初的步进电动机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。20世纪60年代后期，在步进电动机本体方面随着水磁材料的发展，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。在近30年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机，以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相
13、反应式步进电动机为主。70年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛利用。步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机
14、械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。任何一种产品大概都有一个从复杂到简单的发展过程，步进电机约30年来的发展，也已经逐步形成了自己的主流产品，在西方国家，可明显看出最大量应用的是定子8极转子50齿的二相混合式步进电机，其次是定子10极转子50齿的五相混合式步进电机被认为有较高运行性能指标而广泛用于工业自动化的场合。步进电动机的发展方向主要有如下三点:(1)进一步完善和扩展驱动和控制功能。如采用SVPWM技术，采用电子齿轮比技术，扩展通讯网络功能等。(2)高功率密度的步进电动机系统。(3)闭环控制步进电动机系统。为了彻底克服步进电动机系统一些根本性的弱点，如振荡的倾向及失步等，可
15、改为闭环系统，但这种改变的步进电动机系统已起了质的变化，不再是本来意义上的步进电动机，而成为无刷直流电动机(BLDCM)，或交流伺服电机(AC servo）。1.2步进电动机的结构和主要性能指标步进电机又称电脉冲马达。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。输入一个电脉冲就转动一步，即每当电机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种。步进电动机由定子和转子两大部分组成。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构；转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电动机”，用永久磁铁做转子的叫做“永磁式步进电动机”。三相反应式步进电动机的结构简图如图1.1所示，定子有六个磁极，每两个相对磁极构成一相控制绕组，转子上有均布的四个齿。图1.1三相反应式步进电动机的结构简图步进电动机的主要性能指标：最大静转矩Mjmax(Nm) 它表示了步进电机承受负载的能力。Mjmax越大，其带负载能力越强，运行的快速性及稳定性也越好。空载起动频率fq(步/秒) 它是衡量步进电机快速性能的重要技术数据。起动矩频特性 起动频率fq随负载力矩M下降的关系曲线称为起
