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　单片机三相单三拍步进电机.doc 35页
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《单片机原理及应用》
课程设计报告书
单片机控制步进电机
机电与控制工程学院
单片机控制步进电机
步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一，它可以在机械结构中把丝杠的角度变成直线位移，也可以用它带动螺旋电位器，调节电压和电流，从而实现对执行机构的控制。在数字控制系统中，由于它可以直接接受计算机输出的数字信号，而不需要进行D/A转换，所以使用起来十分方便。步进电机具有快速的启停能力和精度高的显著特点，在定位场合得到了广泛的应用。
步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。因此，需把并行的二进制转换成串行的脉冲序列，并实现方向控制。每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲，它便沿着特定的方向走一步。
设计要求：
采用单片机来控制一个三相单三拍的步进电机工作。步进电机的旋转方向由正反转控制信号来控制。步进电机的步数由键盘输入，可输入的步数分别为3，6，9，12，15，18，21，24，27步。并且键盘具有键盘锁的功能，当键盘上锁的时候，步进电机是不接受输入步数的，也不会运转。只有当键盘锁打开并输入步数的时候，步进电机才开始工作 。电机运转的时候有正转和反转指示灯指示。当电机在运转的过程当中，如果过热，则电机停止运转，同时红色指示灯亮.，同时警报响。
1、绪论…………………………………………………………4
2、方案论证（规划、选定）…………………………………7
3、方案说明（设计）…………………………………………7
4、硬件方案设计………………………………………………8
5、软件方案设计………………………………………………12
6、调试…………………………………………………………13
7、技术小结（结束语）………………………………………14
8、参考文献……………………………………………………15
9、附录（源程序代码、电路图等）…………………………16
1.1 步进电机是用电脉冲信号控制，以实现对生产过程或设备的数字控制，它是过程控制中一种十分重要和常用的功率执行器件，它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器或角位移发生器等，近年来由于计算机应用技术的迅速发展，步进电机常常和计算机一起组成高精度的数字控制系统。由于它是由数字脉冲控制，因此非常适合于用单片机控制，本设计便是在此基础上，AT89C51型单片机为核心，并结合外围电路以步进电机为控制对象的控制系统。
1.2单片机控制步进电机原理
步进电机的不同驱动方式，都是在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到三相绕组上，从而实现不同的工作状态。由于通电顺序不同，其运行方式有三相单三相拍、三相双三拍和三相单、双六拍三种（注意：上面“三相单三拍”中的“三相”指定子有三相绕组；“拍”是指定子绕组改变一次通电方式；“三拍”表示通电三次完成一个循环。“三相双三拍”中的“双”是指同时有两相绕组通电）。
1.2.1三相单三拍运行方式：下页图所示为反应式步进电动机工作原理图，若通过脉冲分配器输出的第一个脉冲使A相绕组通电，B,C相绕组不通电，在A相绕组通电后产生的磁场将使转子 上产生反应转矩，转子的1、3齿将与定子磁极对齐，如果图（a）所示。第二个脉冲到来，使B相绕组通电，而A、C相绕组不通电；B相绕组产生的磁场将 使转子的2、4齿与B相磁极对齐，如图（b）所示，与图（a）相比，转子逆时针方向转动了一个角度。第三个脉冲到来后，是C相绕组通电，而 A、B相不通电，这时转子的1、3齿会与C组对齐，转子的位置如图（c)所示，与图（b)比较，又逆时针转过了一个角度。
反应式步进电机工作原理图
当脉冲不断到来时，通过分配器使定子的绕组按着A相--B相--C相--A相……的规律不断地接通与断开，这时步进电动机的转子就连续不停地一步步的逆时 针方向转动。如果改变步进电动机的转动方向，只要将定子各绕组通电的顺序改为A相--C相--B相--A相，转子转动方向即改为顺时针方向。
单三拍分配方式时，步进电动机由A相通电转换到B相通电，步进电动机的转子转过一个角度，称为一步。这时转子转过的角度是30度。步进电动机每一步转过的角度称为步距角。
1.2.2三相双三拍运行方式三相双三拍运行方式：每次都有两个绕组通电，通电方式是AB--BC--CA--AB……，如果通电顺序改为AB--CA--BC--AB
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三相双三拍步进电机控制系统设计
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3秒自动关闭窗口一文解析三相步进电机与两相步进电机得差距在哪里
　　众所周知，主要是依相数来做分类的，通常我们常见的有四相、二相、三相等几类。所以本文小编主要介绍三相步进电机与两相步进电机得差距在哪里，首先介绍的是它们之间的区别，其次阐述了三相步进电机与两相步进电机步距角之间的差距，具体的跟随小编来详细了解一下。
　　三相步进电机与两相步进电机的区别
　　1、电机的相数
　　是指电机内部的线圈数不同，两相步进电机电机内部是由2个线圈组成，而三相步进电机内部是由3个线圈。
　　2、电机的步距角
　　是指电机每走一步的角度，一般市面上二相电机的步距角为0.9&/1.8&、三相的为0.75&/1.5&。
　　3、电机的尺寸
　　三相的电机一般是大电机，所以尺寸方面一般会比两相的电机大，这也决定了三相步进电机比两相的运行起来平稳性更好。
　　4、力矩
　　二相的电机的力矩相同尺寸会比三相的力矩稍微大些。
　　5、精度
　　两相步进的细分功能越来越强大，两相的同样可以达到三相所能达到的精度。
　　三相步进电机的高速性能好（特性较硬），要比两相步进电机的步距角小，精度更好。由于扭力随速度升高下降得较慢，所以通常用于精度要求高的场合。
　　三相步进电机与两相步进电机步距角详解
　　1、决定步距角的因素
　　步进电机分辨率（一圈的步数，360&除以步距角）越高，位置精度越高。为了得到高分辨率，设计的极数要多。PM型转子为N与S极在转子的铁心外表面上交互等节距放置，转子极数为N极与S极数之和，为简化讲解，假设极对数为1。此处确定转子为永久磁铁的步进电机的步距角&s由下式表示，其中Nr为转子极对数，P为定子相数，（本课后面叙述的HB型步进电机Nr为转子齿数）：
　　上式的物理含义如下：
　　转子旋转一周的机械角度为360。，如用极数2Nr去除，相当于一个极所占的机械角度即180&/Nr。这就是说，一个极的机械角度用定子相数去分割就得到步距角，此概念如下图所示。
　　由式&s=180&/PNr可知，步距角越小，分辨率越高，因此要提高步进电机的分辨率，就要增加转子极对数或采用定子相数P较多的多相式方法。而Nr的增加受到机械加工的限制，所以要制造高分辨率的步进电机需要两种方法并用才行。
　　2、两相步进电机
　　两相步进电机最简单的构成为Nr=1的情况，电机结构如下图所示。一般两相电机定子磁极数为4的倍数，至少是4。转子为N极与S 极各一个的两极转子。
　　定子一般用硅钢片叠压制作，定子磁极数为4极，相当于一相绕组占两个极，A相两个极在空间相差180&，B相两个极在空间也相差180&。电流在一相绕组内正负流动（此种驱动方式称为双极性驱动），A相与B相电流的相位相差90&，两相绕组中矩形波电流交替流过。
　　即两相电机的定子，在Nr=1时，空间相差90&，时间上电流相差90&相位差，电流与普通的同步电机相似，在定子上产生旋转磁场，转子被旋转磁场吸引，随旋转磁场同步旋转。
　　上图表示两相步进电机的结构（PM型）及其运行原理，从图（a）到图（b）顺时针旋转90&，依次图（c）、（d）均旋转90&，依次不断运转成为连续旋转。
　　以上图为例，假如A相有两个线圈，单向电流交替流过两个线圈，也可产生相反的磁通方向，此方式称为单极（uni-plar）型线圈。
　　如下图所示线圈内部只流过单方向电流，此线圈称为单极型线圈；另一种，线圈内流过正、反方向电流的线圈称为双极型线圈，两种线圈的优缺点将在后面的课程中详细介绍。单极型线圈可以取代上图所示双极型线圈，运行时具有相同的步距角。
　　上图中的两相单极型线圈在有些文献中也被称为四相步进电机，此时其转子极对数、齿数Nr，以及步距角&s均与双极型线圈相同。本课程两相电机的定义符合式&s=180&/PNr，即将转子齿数和步距角&s代入式&s=180&/PNr，如P=2，则为两相电机，如Nr相同，P=4，步距角&s只有1/2，则电机为四相电机，在此特别提请注意。
　　两相步进电机现在应用广泛，实际电机的构造比图（PM双极型两相步进电机结构与运行原理）复杂，定子除采用叠片外，还有爪极结构，但基本原理可参考图（PM双极型两相步进电机结构与运行原理），图中所示的转子被称为PM型（永久磁铁或永磁式）转子，磁性圆柱的外表面形成转子磁极。
　　3、三相步进电机
　　转子不采用永久磁铁的步进电机（VR型或反应式或变磁阻式）很早就在三相步进电机上得到应用。1986年日本伺服公司开发了转子为永久磁铁、定子磁极带有齿的步进电机（在后面会详细介绍磁极齿的设计原理），定、转子齿距的配合，可以得到更高的角分辨率和转矩。三相步进电机定子线圈的主极数为三的倍数，故三相步进电机的定子主极数为3、6、9、12 等。
　　转子不采用永久磁铁的步进电机（VR型或反应式或变磁阻式）很早就在三相步进电机上得到应用。1986年日本伺服公司开发了转子为永久磁铁、定子磁极带有齿的步进电机（在后面会详细介绍磁极齿的设计原理），定、转子齿距的配合，可以得到更高的角分辨率和转矩。三相步进电机定子线圈的主极数为三的倍数，故三相步进电机的定子主极数为3、6、9、12 等。
　　下图为不同相数的步进电机典型定子结构和驱动电路的比较，其中忽略了转子结构图。假设转子均为PM型或HB型，并且依据定子为两相、三相、五相等配备相应的转子。定子采用不产生不平衡电磁力（在后面会详细介绍，转子径向吸引力的和不能完全互相抵消，产生剩余径向力）的最小主极数结构，即两相为4个主极、三相为3个主极、五相为5个主极时，结构上会产生不平衡电磁力，除特殊用途外不会使用上述结构。图中，定子的结构为两相为8个主极、三相为6个主极、五相为10个主极，为最简单的结构。
　　另一方面，如双极型（Bi-polar）线圈所使用的步进电机驱动电路，其功率管数，两相为8个、五相为10个，三相则由于绕组采用Y或△接法的关系，3个出线口的驱动只用6个功率管就够了，所以从电机和驱动器一体考虑，三相步进电机结构最简单，其两者的制造成本最低。
　　从定子相数的奇偶数来看，奇数情况下驱动电路中切换功率管的数量要比偶数情况下少，例如三相步进电机要比两相步进电机的驱动功率管数少。三相的驱动IC现在三权电气公司、三洋电机公司、新电元工业公司等生产企业已经有售。三相步进电机与两相步进电机比较，在相同的转子齿数时，具有提高1.5倍分辨率、振动低等优点，所以使用数量会增加，价格会降低，希望其能成为一款系列化步进电机，其性能将在后面详细介绍。
　　有关三相永磁式步进电机，除本课程外，以前还没有系统介绍的文献， 本课程将详细介绍三相HB型步进电机（42mm及60mm），其驱动器的外形如下图所示。
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工作原理：1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A’与齿5相对齐，（A’就是A，齿5就是齿1） 2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=N·I/R N·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。 力矩=力*半径 力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。
gzik550204知道合伙人
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gzik550204
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步进电机三相三拍电机供电顺序是A-B-C-A……。是整拍运行。三相六拍是在每二个整拍之间加半拍，供电顺序是A-AB-B-BC-C-CA-A……。从上面所述可以看出三相六拍运行的步距角是三相三拍步距角的1/2。可以起到细分步距角的作用。
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xiaoyunbin666知道合伙人
xiaoyunbin666
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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，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。
QQ知道合伙人
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　　步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机。这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。步进电动机的转子由软磁材料或永磁材料制成多极的形式，定子上装有多相不同连接的控制绕组。它的激励信号有直流脉冲、方波、多相方波和逻辑序列多种。步进电动机的步距和速度不受电压波动、环境温度和负载变化的影响，而仅与脉冲频率有关。改变脉冲频率就能在很大范围内准确调节电动机的速度。因此步进电动机用于开环数字控制，可大大简化控制系统。步进电动机配以位置检测元件时也可用于闭环数字控制，常用于打印机、带读出器、计数器、绘图机、数控机床、阀门执行机构、定位平台和数模转换器等。步进电动机种类繁多，按运动形式分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机。
hellofjjdxy知道合伙人
hellofjjdxy
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