基于51单片机的步进电机控制.doc

课程设计
基于51单片机的步进电机控制
机械电子工程学院
测控技术与仪器
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2012年1年4日
步进电机控制系统
[摘要] 本课程设计的内容是利用51单片机,达到控制步进电机的启动、停止、正转、反转、两档速度和状态显示的目的,使步进电机控制更加灵活。步进电机驱动芯片采用ULN2803,ULN2803具有大电流、高电压,外电路简单等优点。利用四位数码管增设电机状态显示功能,各项数据更直观。实测结果表明,该控制系统达到了设计的要求。
关键字:步进电机、数码管、51单片机、ULN2803
一步进电机与驱动电路
什么是步进电机
    步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲: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(及步进角)。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;同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
步进电机的种类
步进电机分永磁式(PM)、反应式(VR)、和混合式(HB)三种。永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,,但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相: 。这种步进电机的应用最为广泛。
步进电机的特点
-5%,且不累积。可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速,快速起停、正反转控制及制动等,这是步进电动机最突出的优点
,不像普通电机,当负载加大时就会出现速度下降的情况,所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合;
“步”为单位旋转的,数字特征比较明显,这样就给计算机控制带来了很大的方便,反过来,计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场;
,调整困难,使用步进电机后,使得整机的结构变得简单和紧凑。
步进电机的原理
图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿,每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式,是对称齿上的两个线圈进行反相连接,如图中所示。八个齿构成四对,所以称为四相步进电机。
图1
它的工作过程是这样的:当有一相绕组被激励时,磁通从正相齿,经过软铁芯的转子,并以最短的路径流向负相齿,而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短,在磁场力的作用下,转子被强迫移动,使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励,转子上大箭头所指向的那个齿,与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励,如图1中的(b),转子向反时针转过15°。若是D相被激励,如图1中的(c),则转子为顺时针转过15°。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性:A—B—C—D或A—D—C—B。一种为反时针转动;另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一,不同的应用场合,对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数),可以改变步长的大小。它们之间的相互关系,可由下式计算:
Lθ=360 P×N
式中:Lθ为步长;P为相数;N为转子齿数。在图1中,步长为15°,表示电机转一圈需要24步。
步进电机的驱动
混和步进电机的工作原理
在实际应用中,最流行的还是混和型的步进电机。但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般来说,这类电机具有四相绕组,有八个独立的引线终端,如图2a所示。或者接成两个三端形式,如图2b所示。每相用双极性晶体管驱动,并且连接的极性要正确。
图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固定的。表1列出了全部步进开关的逻辑时序。
步数
Q1
Q2
Q3
Q4
1
1
0
1
0
2
1
0
0
1
3
0
1
0
1
4
0
1
1
0
5
1
0
1
0
表1
二方案设计与论证

该系统中只运用到三个控制按钮,即“正反”,“换挡”,“启停”,由于按钮较少,所以采用独立键电路,这种按键电路的按键结构相对行列式按键电路更简单,更使人易懂。

,采用LED数码管动态显示数据与个项参数,方法简单,容易控制,成本低。
设计如下