步进电机控制实验 单片机课程设计.docx

1、目录1 步进电机简介 32 实验目的 33 实验设备及器件 44 实验内容 45 实验原理 46 步进电机的结构 77 步进电机控制方法 118 步进电机原理图 129 步进电机程序流程图 1310 步进电机程序 1411 感言 1512 参考文献 16一、 步进电机简介步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量

2、，从而达到准确定位的目的；同时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。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 二、 实验目的1、了解步进电机控制的基本原理。2、掌握它的转动控制方式和调速方式。3、设计并实现给定步进电机的控制。4、进一步掌握步进电机的控制方法。5、进一步掌握单片机硬件和软件的综合设计方法。三、 实验设备及器件IBMPC机 一台DP-51PRO.NET单片机仿真器、编程器、

3、试验仪三合一综合开发平台 一台四、 实验内容1.编写程序，通过单片机的P1口控制步进电机的控制端，使其按一走的控制方式进行转动。2.分别采用双四拍（AB-BC-CD-DA-AB）方式、单四拍（A-B-C-D-A）方式和单双八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）方式编程，控制步进电机的转动方向和转速。3.观察不同控制方式，步进电机转动时的震动情况和步进角的大小，比较这几种控制方式的优缺点。五、 实验原理通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该

4、磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。图1(a)中，当A相绕组通以直流电流时，根据电磁学原理，便会在AA方向上产生一磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐。若A相断电，B相通电，这时新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与BB磁极齿对齐，转子沿顺时针转过60。通常，步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度称为步距角。因此，图1(a)所示步进电机的步距角等于60。如果控

5、制线路不停地按ABCA的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为ACBA，同理，步进电机的转子将逆时针不停地转动。上面所述的这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：顺时针为A AB B BC C CA A ；逆时针为A AC C CB B BA A。若以三相六拍通电方式工作，当A相通电转为A和B同时通电时，转子的磁极将同时受到A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在A和B两相磁极之间，这时它的步距角等于30。当由A和B两相同时通电转为B相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转30，与B相磁极对齐。其余依此类

6、推。采用三相六拍通电方式，可使步距角缩小一半。图1 步进电机工作原理图图1(b)中的步进电机，定子仍是A ，B ，C三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是四个。当A相通电时，是1和3极与A相的两极对齐，很明显，当A相断电、B相通电时，2和4极将与B相两极对齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角等于30，在三相六拍通电方式中，步距角则为15。综上所述，可以得到如下结论：(1) 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角；(2) 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；(3) 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快

7、，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；(4) 步进电机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示： (5-1)式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依此类推。对于图5-2所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为若按三相六拍通电方式工作，则步距角为六、 步进电机的结构目前，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图2是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而

8、成，其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图2所示的步进电机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽也是等宽的，齿间夹角也是9，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，如图3所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿1/3齿距角，C相磁

9、极齿超前(或滞后)转子齿2/3齿距角。图2单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图图3 步进电机的齿距 图4是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。从图中可以看出，步进电机的定子和转子在轴向分为五段，每一段都形成独立的一相定子铁心、定子绕组和转子，图5-5所示的是其中的一段。各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿轮，也由硅钢片制成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开1/5齿距，其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。图4 五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图图5一段定子、转子及磁回路除

10、上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电机还有永磁式步进电机和永磁反应式步进电机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。七、 步进电机控制方法启动步骤，向步进电机输出一个启动信号，启动步进电机；工作步骤，按照步进电机的脉冲逻辑向其输出电脉冲信号，使步进电机转动；停止步骤，在步进电机转动的步角与设定值相同或出现停机信号时，向步进电机输出一个停止延时信号后，停止输出电脉冲信号，使步进电机停转。八、 步进电机原理图九、 步进电机程序流程图十、 步进电机程序十一、 感言 蓦然回首，为期一周的单片机课程设计就要结束了，在这漫长而又短暂之中，通过自己不断学子、不断努力拼搏、不断发现自我，感到自己

11、的知识结构水平提高了不少，对知识的掌握程度也加深许多，对知识之间的相互联系也有了更深的了解：通过不断的提高自己的认识水平与能力、不断的学习新方法、新思想、新的思维方式、不断的改变自己的人生观与方法论、感到自己成熟了许多；通过不断的把课本知识用于实际，不断的把查阅资料与文献中有用的东西应用于实践，不断的把所学的理论与方法应用于设计之中，从而提高了自己理论联系实际的能力。十二、 参考文献（1）秦曾煌 电工学 高等教育出版社（2）常斗南等 可编程序控制器原理、应用、实验 机械工业出版社（3）百度百科（4）陈理壁 步进电机及其应用 上海科学技术出版社（5）刘保延 步进电机及其驱动控制系统 哈尔滨工业大学出版社14