基于步进电机单片机控制系统的研究摘要:本文阐述三相步进电动机结构与步进过程原理,通过对步进电动机的调速和正反转研究,用单片机进行软件设计,实现控制步进电动机的调速和正反转,达到控制的目的和要求。关键词:步进电机;调速;单片机:TM359.9文献标识码:A:1009-0118(2010)-03-0058-02一、引言步进电机是纯粹的数字控制的电动机。它将电脉冲信号转变成电机转子的角位移,即每给一个脉冲信号步进电机就转动一个角度。步进电机是工业过程控制与仪表中常用的控制元件之一。步进电机可以直接接收数字信号,不必进行数/模转换,用起来非常方便。步进电机还有快速起停、精确步进和定位等特点,因而在数控机床、绘图仪、打印机及仪表中得到广泛的应用。二、步进电机的工作原理按照转子结构及材料的不同,步进电机分为反应式、永磁式和混合式三类。其中,反应式步进电机因其性价比高,应用非常广泛,在单片机系统中应用较多。下面的内容若不特别指出,均以反应式步进电机为例加以说明。1、步进电机的结构与工作原理步进电机实际上是一个数字/角度转换器。步进电机的励磁绕组可以制成各种相数,常见的有单相、三相、四相和五相等多种。三相步进电机的结构原理和步进过程如图1所示。从图中可以看出,电机分为转子和定子两部分。定子由电工硅钢片叠压而成,有6个等分的磁极:U、U'、V、V'、W和W'。相对的两个磁极组成一对,共有三对。每对磁极上都绕有同一绕组,也就形成了一相。这样,三对磁极有三个绕组,形成三相。类似地,四相步进电机有四对磁极、四个绕组,以此类推。每个磁极的内表面分布着大小相同、间距相同的多个(图中为5个)小齿。转子圆周表面也均匀分布着与定子小齿形状相似、齿间距相同的小齿。若转子齿数Z为40个,则齿距角为θZ=360°/Z=360°/40=9°反应式步进电机运动的动力来自于电磁力。当某一相定子绕组通电时,其对应的磁极就产生了磁场,并与转子形成磁路。如果这时该相定子的小齿与转子的小齿没有对齐,即处于错齿状态,则在磁场的作用下转子将转过一定的角度,使转子与该相定子的小齿相互对齐,处于对齿状态。对齿时,定子转子磁阻最小。而错齿时磁阻较大,步进电机就是磁路由较大磁阻向最小磁阻转变中转过一定的角度的。给处于错齿状态的相通电,则转子在电磁力的作用下,将向磁阻最小的位置移动,即趋向于对齿状态转动,向前转过一定角度。转到对齿状态后,若再给另一错齿状态相通电,则转子又向前转过一定角度。这就是步进电机的转动原理。由此可见,某相绕组在通电前必须处于错齿状态,而通电后则处于对齿状态,这样转子才可能向前转动。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提。2、步进电机的控制方式为了控制步进电机的转动,使其实现数字到角度的转换,可以由单片机按顺给电机绕组施加有序的脉冲电流。转过的角度数正比于脉冲个数,转动的速度正比于脉冲频率,转动的方向则与脉冲顺序有关。对三相步进电机施加电流脉冲可有如下三种方式:①单相三拍:按单相绕组顺序施加电流脉冲,一周期加电3次,顺序如下:正转:U→V→W→(U);反转:U→W→V→(U)。②双相三拍:双相即每次对两相绕组同时通电。按双相绕组顺序施加电流脉冲,一周期加电3次,顺序如下:正转:UV→VW→WU→(UV);反转:UW→WV→VU→(UW)。③单双相六拍:按单相绕组与双相绕组交替方式施加电流脉冲,一周期加电6次(单相3次、双相3次),顺序如下:正转:U→UV→V→VW→W→WU→(U);反转:U→UW→W→WV→V→VU→(U)。单相三拍或双相三拍两种方式,每拍步进角均为3°,转子转过一个齿距角(9°)要用三拍;单双相六拍方式每拍步进角均为1.5°,转子转过一个齿距角(9°)要用六拍。六拍方式比三拍方式运行平稳,但六拍驱动脉冲的频率需要提高一倍,要求驱动开关管有更好的开关特性。另外双相与单相相比,每一拍中,双相方式都有两相通电,每一相通电时间都持续两拍。因此,双相三拍比单相三拍消耗的电功率大,当然获得的电磁转矩也大。3、步进电机的驱动方式步进电机常用的驱动方式有两种:全电压驱动和高低压驱动。全电压驱动是电机在移步与锁步时都加载额定电压。在这种发生下,为了防止电机过流并改善驱动特性,需加限流电阻。锁步时限流电阻要消耗大量电能,开关管的负载能力也应较大。高...