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1、中文摘要和关键字摘要：我这次毕业设计的题目是:步进电机准确定位的实现。众所周知，软件的设计离不硬件这个平台，所有的设计都要围绕已有的硬件条件进行。我们的控制系统的核心是步进电机。步进电机作为一种数字伺服执行元件.具有结构简单，运行可靠，控制方便，控制性能好等优点，因此在数控机床，机器人，自动化仪表等领域有着日益广泛的应用。对于那些以低廉的开发本钱，快速的开发过程，简单的系统维护为主目的，而对系统的运算速度要求不高的工程工程，独立式运动控制系统是最理想的选择。为了使步进电机在转速和负载变化的情况下不失步地运行，并保持最快响应速度，需要对其进行动态升降速控制。 在我的设计中，采用8051单片机作为
2、上位机，发出一系列的脉冲来控制步进电机的升降速。至于发出什么样的脉冲信号以实现特定的功能，取决于上位机的软件设计。作为上位机的设计者，上位机的软件实现是我最重要的工作。关键字：步进电机 自动升降速 单片机 控制系统 英文摘要和和关键字Abstract: The topic of this course design of me is : Achievement of accurate fixed position by stepper motor driving. As we known ,none of software design can deviate from the roof ga
3、rden of hardware. As a digital servo execution element, stepping motor is reliable,easy to be controlled and being of simple structure and excellentperformance. It has been widely used in NC machine tools, robots，automation instruments and other fields. Independency motion controllermight be the bes
4、t choice for those projects, which should be economic,quick to be developed, and of easy maintenance while they dont haveto be of high operation speed .In order not to lose a step under a varying speed and a varying load，adynamic speed control is needed to get the fastest response. As the designer ,
5、to accomplish the sorfeware is my most important mission .I adapt Microconcroller as the controller to control the electric pusle sigals,realized the stepper-motor speed controlling .Keyword: stepper-motor Microconcroller Control system第一章 绪论1.1 问题的提出 前言步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，具有精度高、惯性小、工作可靠、能实现高精度快速开环
6、和闭环控制，是一种性能良好的数字化执行元件。随着数字技术和计算机的迅速开展，步进电机广泛应用于伺服控制，在经济型数控系统中步进电机应用广泛，使用步进电机在开环控制数控系统在高速运行前必须有一逐步升速的过程，否那么步进电机将会失步:临到终点前必须有一个减速过程，否那么会造成过冲，使定位不准。然而 ，在实际应用过程中，它的运行性能受电机本身结构参数、驱动电路、所带负载以及控制脉冲等影响，特别是控制脉冲的质量影响步进电机的效率、精度及误差，假设在升速过程中，脉冲频率(即步进电机的换相频率)的变化不合理，轻那么使步进电机失步且升速时间延长，重那么输出力矩达不到设计指标，并且远远达不到电机设计的高频性能
7、，特别是在一些要求快速响应的场合要求步进电机在最短的时间内作出最快的反响这就要求步进电机够快速启停，在短时间内速度到达最大;而后又要使步进电机的速度在短时间内降为零;同时又要满足不失步而能够精确定位。因此使步进电机在应用过程中能够到达快速定位，运行步数准确。对于那些以低廉的开发本钱、快速的开发过程、简单的系统维护为主要设计目的，而对系统的人机界面和运算速度要求不高的工程工程，独立式运动控制系统是最理想的选择之一。另外 一些应用范围包括那些需要自主运动控制子系统的分布式系统。通过把独立式控制器集成于一个分布式应用系统中可以简化点到点之间的配线，避免在每一个控制点都需要一台单独的主机。在有些场合如
8、艰苦环境下的野外作业，模块化设计等，都需要一个有牢固机箱的控制器，独立式运动控制器也是理想的选择。独立式控制器的应用十分广泛在使用步进电机和数字伺服电机的运动控制系统中，都可以使用它作为核心控制单元，典型的应用领域包括:数控机床、X-Y-Z(或X-Y)控制台、机器人、绘图仪、打印机、雕刻机、印刷机、包装机械、纺织机械、打标机、绕线机、医疗设备等.步进电机失步原因在步进电机运行过程中，电机失步有两种原因:1. 转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，也就是低于换相速度而产生的。这是因为输入电机的电能缺乏，在步进电机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转从而引起失步，并且但凡比这时频率高的工
9、作频率都必将失步。2. 转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度。这时定子通电鼓励的时间较长，大于转子步进一步所需要的时间，那么转子在步进的过程中获得过多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡，当振荡足够严重时就会导致失步。所以要使步进电机快速地到达所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的转矩，但又不能超过这个转矩.1.2 论文目的与任务步进电机的升降速控制已经不在是一个新的课题。但是目前其实际应用还远非完善。通常步进电机的升降速控制是为了防止步进电机转速突然变化时发生失步和过冲。要做到这一点，只要不使步进电机的加速度超过其临
10、界失步点即可。然而步进电机的临界失步加速度是随着运行频率和负载而变化的。如何根据具体的应用环境(步进电机的类型、运行状态、负载的特性等)确定最正确的升降速曲线;如何在负载变化的情况下及时调整升降速的控制，就成为步进电机动态控制的研究内容。步进电机是开环控制，易过冲或失步，采用S型加减速曲线，可实现步进电机准确定位。而我设计的主要目的和任务是：掌握步进电机工作原理，了解步进电机失步和过冲的产生；失步和过冲对位置控制系统定位的影响；了解加减速曲线在位置控制系统中的作用，掌握在数字离散系统中加减速曲线的实现；采用S加减速曲线，保证步进电机平滑运动，实现准确定位。第二章 步进电机及微机控制2. 1 概
11、述步进电机是一种用电脉冲控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机，它可以看作是一种特殊运行方式的同步电动机，是由专用的电源供应电脉冲，每输入一个脉冲，步进电机就移近一步，所以称为步进电机。又因其绕组上所加电压是脉冲电压，也称为脉冲电机。步进电机是脉冲信号控制的，因此它适合于作为数字控制系统的伺服元件。它的直线位移量或角位移量与脉冲数成正比，所以步进电机的线速度或转速也于脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的上下就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速起动，制动和反转.步进电机中有些形式在停止供电状态下还有定位转矩，有些在停机后某些相绕组仍保持通电状态，也具有自锁能力，不需要机械
12、的制动装置。近年来 ， 步进电机己广泛地应用于数字控制系统中，例如数控机床，绘图机，计算机外围设备等。相应地，其研制工作进展迅速，电机性能也有较大提高。步进电机具有无累积定位误差，适于数字计算机控制，机械结构简单，很少或无需维护，可重复地堵转而不会损坏等优越性，但步进电机也具有效率较低的缺点，并且需要配上适当的驱动电源。一般说来，它带负载惯量的能力不强，在使用时既要注意负载转矩大小，又要注意负载转动惯量的大小，只有两者选择在适宜的范围内时，电机才能获得满意的运行性能。此外，共振和振荡也常常是运行中出现的问题。2.2步进电机的结构和工作原理步进电机的分类步进电机可分为三类：1.反响式步进电动机反
13、响式步进电动机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，本钱低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。2.永磁式步进电动机永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个线圈。它的输出转矩大，动态性能好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。3.混合式步进电动机混合式步进电动机综合了反响式和永磁式两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好，步距角小，但结构复杂，本钱较高。由于反响式步进电机的性能价格比比拟高，因此这种步进电机应用的非常广泛，在单片机系统中尤其是运动控制系统中大量使用。这里以这种步进电机为例，介绍步进电机的原理和控制方法。 反响式步进电机的结构下列图是
14、一个三相反响式步进电机结构图。从图中可以看出它分成转子和定子两个局部。定子是由硅钢片叠成的。定子上有6个磁极(大极)，每两个相对的磁极组成一对，共有三对。每对磁极都缠有同一绕组，也即形成一相，这样3对磁极有三个绕组，形成三相。可以得出，四相步进电机有四对磁极、4相绕组:五相步进电动机有5对磁极、5相绕组;依此类推。每个磁极的内外表都分布着多个小齿，它们的大小相同，间距相同。转子由软磁材料制成的，其外外表都分布着多个小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同，形状相似。由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，它们的齿距角都可以由下式来计算:=2/Z 其中Z转子的齿数。反响式步进电动机运动的动
15、力来自于电磁力。在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率(或者最小磁阻)的位置，并处于平衡状态。对三相步进电动机来说，当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置。我们把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿;把定子小齿与转子不对齐的状态称为错齿。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提条件，所以，在步进电机的结构中必须保证有错齿的存在，也就是说，当某一相处于对齿状态时，其他相必须处于错齿状态. 步进电机的工作原理如果给处于错齿状态的相通电，那么转子在电磁力的作用下，将向磁导最大的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电动机就是基于一原理转动的。三相反响式步进电机的工作原理如下：当A相控制绕组通电时，故将使转子齿1, 3和定子极A-A对齐，当A相断电，B相绕组通电时.那么转子将在空间转过 30，即步距角=30，当A相此时转2, 4和定子极B-B对齐。如再有B相断电，C相通电时，转子又在空间转过30，此时
