基于51单片机步进电机的设计与仿真毕业设计文献综述

本科生毕业设计（文献综述）题目：步进电机的设计与仿真姓名：学号：系别：电气工程专业：电气工程及其自动化年级：指导教师：步进电机控制器的设计与仿真——文献综述一选题的背景与意义步进电机作为一种将电脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的机电元件,它能够在不涉及伺服系统复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度,并且具有性价比高、易于控制及无累计误差等优点,在民用、工用的经济型数控开环定位系统中获得了广泛的应用,且具有较高的实用价值。步进电动机与一般电动机不同。它的角位移量或者直线位移量正比于电脉冲数,而其线速度或者转速则正比于脉冲频率。并且,在负载能力变化范围内,不会因电源电压、负载、环境条件的波动而变化[5]。另外,步进电动机还可以在较宽的范围内,通过改变脉冲频率来调速;能够快速起动、制动和正反转;并且步进电动机还有一定的自锁功能。由于步进电动机具有上述特点,因此由它和驱动控制器组成的开环数控系统,既具有较高的控制精度,良好的控制性能,又能稳定可靠的工作。这些优点使得步进电动机在庞大的电机家族中占有不可替代的位置。而混合式步进电动机的设计方法使得它就像是反应式和永磁式步进电动机的结合,可以像反应式一样的小步距,也具有永磁式控制功率小、绕组电感较小的特点。目前广为使用的是两相混合式步进电动机,它的典型结构是定子8个极,转子齿数为50个,步距角为1.8度，它是上世纪60年代的美国专利,70年代初因应用于计算机外设,且专利保护的取消而迅速发展，但是它存在着两个明显的固有缺点,一个是步距角较大,使得低速转动时有较严重的振动和噪声,另一个是当频率突变过大时容易堵转、丢步或者过冲,这两个缺点对定位系统的精度会产生较大的影响。步进电机作为一种机电一体化设备,电机本身固有的问题可通过驱动器或者控制器来弥补。采用细分驱动技术可以大大减少低速转动时的振动和噪音,还可以起到减小步距角、提高分辨率、增大输出力矩的效果；采用升降频控制技术,则可以克服步进电机高速起停时存在的堵转、丢步或者过冲等问题,使步进电机转动得更加平稳、定位更加精确一个好的控制器可以使步进电动机控制更灵活,在很大程度上改善其运行性能。因此,对步进电动机运动控制系统而言,驱动控制器的设计是重中之重。步进电机的细分驱动技术研究和升降频控制技术研究一直是本领域课题的重点和难点。二国内外发展现状和发展趋势2.1国内外发展现状在步进电机的发展过程中,出现了多种控制方案:(1)基于电子电路控制:步进电机受电脉冲信号控制,电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路，此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须重新设计，因此灵活性不高[。(2)基于单片机控制:采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，可设置步进电机正转、反转、档次、停止等功能,也可在windows平台下利用VB6.0提供的串行通信控件MSComm来实现PC机与单片机之间的数据通讯,最终实现由PC机直接控制步进电机的方法；采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制。本方案有以下优点:1.单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制,避免了失步、振荡等对控制精度的影响；2。用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；3单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路、串口通讯电路等外围电路有机组合，大大提高系统的交互性4.基于以上优点，本课题采用基于单片机的控制方案。图1为原理图;P101P112P123P134P145P156P167P178RESET9RXD10TXD11INT0/P3212INT1/P3313T0/P3414T1/P3515WR/P3616RD17X218X119GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30EA/VP31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40U1STC89C51RC12345678910111213141516U2ULN200312MC230PFC330PFC110UFR110KVCCRSTRST12345J1D1D2D3D4R22.2KR32.2KR42.2KR52.2KVCC123456789J210KQ1Q2Q3Q4VCCR62.2kR72.2kR82.2kR92.2kR182.2KD5LEDVCCVCCS0S1S2S3P20P21P22P23P20P21P22P23正转反转减速加速abcd红蓝粉黄橙VCCVCCVCC321P1POWER112233445566S1VCC....abcdefgdp1H2H3H4HSMG7LED1H2H3H4Hafbeddpcgabcdefgdp4H3H2H1HP30P31P30P31S4暂停图1原理图(3)基于PLC的控制步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，采用硬件环形分配器，硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用，但增加成本。采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号,，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响,步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。2.2发展趋势2.2.1步进电机发展趋势步进电动机经过几十年的发展，已成为除直流电动机和交流电动机以外的应用最广泛的第三类电动机。在开环高分辨率的定位系统中，至今还没有发现更合适取代它的产品，特别是在一些功率相当小的系统中，步进电机更具有无可替代的主流地位。预计未来步进电机的研究还会持续深入下去，研究方向之一是电机与驱动的一体化，使步进电机体积更小巧、性能更优越，性价比更高，在大量的民用设备中批量化使用，如家庭机器人、民用智能化设备等；研究方向之二是在功率或机座号相对较大的步进电动机中，与属于BII)CM(稀土刷直流电机)的交流伺服电动机系统会合，具体来说可能会借鉴交流伺服系统的控制技术，但保留了部分步进电动机的特点，形成一种新的“步进伺服电动机”或“伺服步进电动机”，在克服低频振荡、高频过载能力小、快速性不足和效率低等方面取得突破性进展，从而在现代军事、精密机械加工、航空航天等领域的应用越来越深入。2.2.2步进电机软件发展趋势在微型计算机出现以前，步进电机的控制完全由硬件实现。比如环形分配器，就是由多个标准数字集成电路按照逻辑真值表组合而成，不同类型的电机、不同的工作方式就需要有不同的环形分配器，如果更换了电机类型或改变工作模式，则整个硬件电路需要重新设计。随着以ＭＣＳ－５１系列为代表的单片机的迅速普及，基于软件为核心的通用环形分配器获得了广泛的应用冈，此类环形分配器仅需要更换不同的软件即可适应各种电机，而无需变更硬件，具有极大的灵活性。此外，在步进电机的速度控制中，我们寻求的最佳升降速曲线是根据步进电机的动力学特性及矩频特性得到的，在数学上这种曲线是比较复杂的，人们很难找到一种硬件电路来模拟它，只能在一定频段内做一种大的近似来拟合。现在，我们可以通过软件编程来精确的模拟升降速曲线，并且结合当前微型计算机的强大计算功能可实现步进电机的最优化控制。三存在的问题1)步进电动机驱动控制技术的发展,使步进电动机系统存在的失步、震荡、驱动电流过大(效率不高)等问题得到了不同程度的改善或克服,但步进电动机固有的功率密度低的问题依然存在。2)对于混合式步进电机这类高度非线性、强耦合的位置伺服执行元件,智能控制思想是一种合适的选择。模糊控制作为一种智能控制方法,在步进电机领域已有应用,但从已有文献来看,一类是利用模糊控制的思想,根据人的直观思维建立简单的模糊控制器用于反激法消除振动中反激开始和停止时刻来确定,另一类是采用线性模型仿真的方法设计模糊控制器用于混合式步进电机的速度控制,模糊控制在步进电机闭环控制中的应用简化了控制器的结构,组成的系统对电机非线性不敏感,但上述应用只是模糊控制思想在步进电机控制领域的简单推广,未能较为全面地考虑步进电机非线性特性,控制效果并不理想,目前模糊控制器的设计理论还很不完善,通常是对人的控制思想的模拟。要使之达到较高的性能仍需要设计者对电机非线性的正确认识,并在此基础上建立恰当的模糊控制器结构和控制规则。3)矢量控制是实现电动机高性能控制的重要手段,它可以实现对电动机转矩的高效控制,由于混合式步进电机是在电磁转矩和磁阻转矩共同作用下旋转的,其内部磁场复杂,非线性较一般电动机严重得多,所以它的矢量控制也较为复杂,混合式步进电机的矢量控制应对直轴和交轴电流协调控制,充分利用电磁转矩和磁阻转矩的共同作用,提高电机效率。现有文献大多令直轴电流恒等于零,即忽略磁阻转矩的作用,这是不合理的,另一方面,矢量控制是建立在电机磁场可线性叠加的基础之上的线性控制方法,由于实际电机中或多或少的存在磁场非线性因素,使矢量控制的具体实现有偏差,表现在电流给定与期望不同,尤其是存在相角偏差。这是控制上的原理误差,或者说是模型误差。对于位置伺服系统来说这种电流给定的相角偏差是影响系统动态响应性能的一个因素,混合式步进电机磁场高度饱和,更应考虑这一问题。可见,混合式步进电机的矢量控制理论和实现方法仍有待深入研究。4）位置检测是位置伺服系统的重要环节,无位置传感器位置检测方法与反电动势法,静止时无法检测低速时检测精度不高,磁链法计算量大或需外加高频检测脉冲,可能会造成负的转矩,影响电机出力。另外该方法要利用未通电相,采样频率及应用采到限制,这三种方法的共同问题是依赖电机模型参数,存在电动机相绕组间串扰、互感影响、开关管通断造成干扰等问题,精度难以提高,限制了无位置传感器位置检测方法在位置伺服系统中的应用。如何用较低的成本实现混合式步进电机转子位置的精度反馈,仍有待深入研究。5)步进电机仿真已经取得了巨大进步,但存在不足。到目前为止研究得较多的是二相混合式步进电机电流驱动系统。同样是主流产品应用很广的五相混合式,至今还没有较为完善的分析模型,仿真大多仅局限于步进电机本体和开关电路部分,不考虑驱动器对电机运行性能的影响,步进电机与启动器是不可分隔的一个整体,对步进电机的仿真应是对步进电机系统的整体仿真。四总结随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用，并且其驱动系统也将随之发展，尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机下一阶段的发展趋势。参考文献[1]钱志良.步进电机控制系统的设计[J].苏州大学学报.2005,8(3):42-44.[2]李海滨、片春媛、许瑞雪.单片机技术课程设计与项目实例[J].中国电力出版社.2007,22(5):52-54.[3]刘国永、陈杰平.单片机控制步进电机系统设计[J].安徽技术师范学院学报.1993,33(4):62-67.[4]郭宏.步进电动机驱动器的发展概况及趋势[J].厦门大学学报,2004,17(4):35-41.[5]王迎旭.单片机原理及及应用[M].北京：机械工业出版社.2002.152-1