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1、邵阳学院毕业设计（论文）种彌寧陥毕业设计（论文）课题名称步进电机细分控制系统设计学生姓名梁伟明学号0841330121系、年级专业信息工程系、08级通信工程专业指导教师刘伟春职称讲师2012年5月20日摘要步进电机作为执行原件在自动化控制、精密器械加工、航空航天技术以及所有要求高精度定位、自动记录、自动瞄准等高科技领域内，步进电机的处于越来越重要的 地位。但是厂家生产的步进电机步矩脚大、低频振动、高频失步等缺点。细分驱动技 术是一种能够改善步进电机低频特性和提高步进精度的技术。广泛应用于高精度、低振动，低噪音系统。本设计以51单片机为核心，通过51单片机控制L297，给L297 提供时钟周期，
2、单片机通过查表通过 DAC0832数模转化给L297提供阶梯状的参考 电压，由于阶梯状参考电压使得L297输出的斩波电流为阶梯状，L297阶梯状的斩波 电流通过驱动驱动L298,给步进电机提供驱动电流，实现步进电机的细分控制。I邵阳学院毕业设计（论文）ABSTRCTii摘要IABSTRCT II第1章绪论11.1课题来源及研究意义11.2步进电机概述11.3 步进电机驱动概述 21.4国内外发展趋势31.5课题研究的内容4第1章方案论证52.1总体方案论证52.2细分方案论证72.3最终方案选择9第3章 系统的硬件结构设计 113.1单片机的功能特点113.2步进电机电机驱动芯片介绍和电路设计
3、 143.2 DA转换芯片介绍和电路设计 193.3电源电路设计 22第4章程序设计234.1主程序设计234.2细分程序设计244.3定时器程序设计 284.4外部中断程序设计30第5章仿真结果与调试325.1系统仿真结果 325.1误差分析33第6章结论34参考文献35致谢36附录37邵阳学院毕业设计（论文）第1章绪论1.1课题来源及研究意义由于步进电机具有快速启停、精确步进、直接接收数字量等特点，所以在数控系 统得到广泛应用。但是由于步进电机存在步距角较大及低速振动等问题，限制了它在高精度场合下的应用。为了解决此问题，有有必要对步进电机的步距角进行细分。本 设计采用单片机控制系统实现步距
4、角细分，主要以恒频脉冲调宽细分驱动技术进行研 究与分析，建立以单片机为核心的微控制系统并且进行程序控制的设计与试验。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同 的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高， 步进电机将会在更多的领域得到 应用。山社电机生产的步进电机采用：采用永磁矽钢片及日本NSK原装轴承制造，與其他品牌步進電機相比具有定位精度高，输出力矩高，响应频率高，运行噪音低， 動態特性好等特点及优势。步进电机作为执行原件，广泛的应用于各种自动化控制系统中。 随着工业技术的 不断进步，微电子和计算机技术的法杖，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经 济领域都有
5、重要的应用。在自动化控制、精密器械加工、航空航天技术以及所有要求 高精度定位、自动记录、自动瞄准等高科技领域内，对步进电机的细分要求也越来越 高，研制出一种高精度自动定位系统无疑具有十分重要的意义。1.2步进电机概述步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。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动一个固定的角度 （即步距角）。脉冲输入越多， 电机转子转过的角度就越多；输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。因此可以通 过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲 频率来
6、控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。步进电机种类，根据自身的结构 不同，可分为常用三大类：反应式（vR，也称磁阻式）、永磁式（PM）、混合式（HB）。其 中混合式步进电机兼有反应式和永磁式的优点，它的应用越来越广泛。步进电机具有自身的特点，归纳起来有 5点：（1）位置及速度控制简便：步进电 机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活的角度控 制（位置控制）。因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可在相当宽范围内平滑 调节。（2）可以直接进行开环控制：因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系
7、统。（3）高可靠性：不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。（4）具定位保持力矩：永磁式、混合式步进电机在停止状态下（无脉冲信号输入时），仍具有励磁保 持力矩，故即使不靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。（5）中低速时具备高转矩：步进电机在中低速时具有较大的转矩，能够较同级伺服电机提供更大的扭力输 出。步进电机也有自己的一些缺点： 步迸电机带惯性负载的能力较差。（2）不能直 接使用普通的交直流电驱动，而必须使用专用设备一步进电机驱动器。（3）输出转矩随转速的升高而下降。（4）从应用的角度来看，严重制约步进电机的两个问题是失步 和振荡。由于步进电机在大多数情况下采用开环运行的方式，它的
8、主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电机本身。有多种情况会产生失步，比如起动或停止频率超过 突跳频率，电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率，所带负载转矩超过了起动转矩，共振等。通过改善驱动器的性能，可以减小运行中失步的可能。步进电机的低 频振荡是另一个需要解决的问题。 步进电机在极低频率下做连续步进运行， 即每改变 一次通电状态，转子转过一个步距角。如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过 程，转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下来。每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这种能量越大，振荡越厉害当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振荡频率时电机会出
9、现严重的低频共振， 甚至失步导致无法工作。一般不允许在共振频率下运行，从驱动器的方面来看，使用 细分驱动技术可以有效的克服低频共振的危害。1.3步进电机驱动概述步进电机的工作必须使用专用设备一一步进电机驱动器。驱动器针对每一个步进 脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电（励磁），以产生必要的转矩，驱动转子运动。 步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的 3大部分。步进电机驱动系统的性能除 与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器性能的优劣。 当电机和负载己 经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法“。步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压
10、驱动和细分驱动 等。（1）单电压驱动：主要特点是结构简单、成本低，通常在绕组回路中串接电阻， 以改善电路的时间常数来提高电机的高频特性。缺点是串接电阻将产生大量的热，对 驱动器的正常工作极其不利，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率 #邵阳学院毕业设计（论文）或对性能指标要求不高的步进电机驱动。(2) 高低压驱动：电机每相绕组导通时，首先施加高电压，使电流快速上升，当电流上升到额定值时，将高电压切断，回路电流以低电压电源维持。 这种方式由于电 流波形得到了很大改善，电机的矩频特性较好，起动和运行频率得到了较大提高。 但 由于电机旋转反电势、相问互感等因素的影响易使电流波形的顶部呈凹
11、形， 致使电机 的输出转矩有所下降且需要双电源供电。(3) 斩波恒流驱动：为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，人们研制出斩波电路，采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动， 流过绕 组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功 耗下降，效率较高，因而斩波恒流驱动应用相当广泛。调频调压驱动：特点是施加在电机绕组的电压随工作频率的变化作相应的改 变，步迸电机在低频时工作在低压状态，减少能量的注入，从而抑制振荡；在高频时 工作在高压状态，使电机有足够的驱动力矩。因而系统效率、运行特性等都有了明显细分驱动：它是将电机绕组中的电流细分，由常规的矩形波
12、供电改为阶梯波 供电。这样，绕组中的电流经过若干个阶梯上升到额定值，或以同样的方式从额定值 下降.虽然细分驱动电路的结构比较复杂， 但在不改变电机内部参数的情况下，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一， 使步距角不再受电机结构和制造工艺的限 制。由于绕组的电流变化幅度也大大减小，从而极大的改善步进电机运行的平稳性， 提高匀速性，减轻甚至消除振荡。近几年来，由于微处理机技术的发展，细分驱动技 术在驱动器中获得了广泛应用。1.4国内外发展趋势目前在数控生产和经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域，有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服控制系统的。因此，如何改善电机的控制方法以提高定位系
13、统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。目前，电机控制方法已经 由传统的PID控制方法发展到性能更优良、结构更简单的数字式PID控制方法，并取得了较好的效果，在一定程度上提高了系统的定位精度。 工业发达的国家都在大力 发展精密定位技术，利用它进行产品革新、扩大生产和提高良品率和国际经济竞争力。 为了满足定位精度的要求，各国都在研究影响系统精度的因素，以及如何实现固有的 精度指标。在精度定位研究方面水平最高的是美国，其LINL国家试验室、Lloore、YnionCarbide、PneumoPrecision等公司均在精度定位系统研究与开发方面做出了卓越成效的工作。美国国防部高等研究计划局（DA
14、RPA）投资1300万美元，由LINL试验 室与1983年7月研制成功的LODATA!大型超精密机床利用激光干涉测量系统， 采用 压电晶体误差补偿技术，使定位精度可以达到0. 025um,是世界公认最高水平的机床。但是该机床不但重达1360kg，体积庞大，造价更是昂贵。日本近些年来花费巨 大人力、物力，开发、研制精密机床，1987年日本通产省开始的“超尖端加工系统 的研究开发”是大型研究规划提出的设想。但是，由于精密和超精密加工的尖端部分 代表着最新科学技术的发展，同时与航空、军事、核能等方面联系密切，各国对这部 分技术是严格保密的。有关精密加工的高新技术和产品还对中国实行禁运。而发展精密加工
15、技术又是我国的当务之急，因此我们必须依靠自己力量，加速发展自己的精密 定位技术。随着微电子技术、大功率电力电子器件及驱动技术的进步，目前发达国家的驱动器已进入恒相电流与细分技术相结合的技术阶段，使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩维持不变。在步进电机驱动技术上，一方面由于采用了斩波恒流 控制、sP删（正弦脉宽调制）和细分技术以及最佳升降频控制， 大大提高了步进电机运 行快速性和运动精度，使步进电机在中、小功率范围内向高速精密化领域渗透； 另一 方面在电路设计方面，驱动器电路普遍采用单片机加上外围电路，或专用SPWM芯片甚至DSP来产生SPWM波来控制功放电路上开关管的通断， 从而控制各相绕组细 分电流的大小。功率开关管目前采用的功率场效应管（MOSFET），与早先采用的大功率晶体管（GTR）相比有很多优点；性能更加优越的绝缘栅极晶体管 （IGBT）也己应用于 高速型及较大功率的步进电机驱动电路中。1.5课题研究的内容步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。 步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体 化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机
