进给步进电机控制系统设计

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1、目录摘要2弓I言3第一章步进电机的基本认识4一、步进电机的概念4二、步进电机的组成及工作原理5第二章进给步进电机控制系统10一、单片机概述10二、芯片的选择与简介111、单片机的选择112、AT89C51的简介11三、两坐标步进点机控制系统161系统工作原理162单片机硬件控制电路173、与CNC的接口185、步进电机196控制软件197、程序清单24进给步进电机控制系统设计设计目的：通过对机床进给步进电动机的驱动与控制，了解机床数控系统中的运动要素和动力要素的关系。达到综合运用所学知识和技能分析和解决一般机电设备工

2、程技术问题的初步能力。设计要求：1•要求对特种立式钻床工架进行控制2.步进电机输出扭矩4.9N.m；转速65-850r/min3.纵向、横向最大移动距离为1500mm4.主耍进行定位加工5.个人总结。设计任务：1•设计硬件屯路，i田i出屯路原理图；2.设计软件，编制程序，画出程序流程图，写出源程序代码；3.写出详细毕业设计说明书，要求字迹工整，原理叙述正确，会计算主要元器件的一些参数，并选择元器件。2.个人总结。引言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件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取

3、决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。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。目前，生产步进屯机的厂家的确不少，但具冇专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非

4、常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基木的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用屮造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时冇所帮助。第一章步进电机的基本认识一、步进电机的概念步进屯动机(steppingmotor)是将屯脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊电机，每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机。乂由于它输入的是脉冲电流，所以也叫脉冲电动机。步进电动

5、机在不需要变换的情况下，能直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位移，因此它很适合作为数字控制系统的伺服元件。此外，它还具有一系列的优点，一是输出角位移量或线位移量与其输入的脉冲数成止比，而转速或线速度与脉冲的频率成止比，在负载能力范围内，这些关系不受电压的大小负载的大小、环境条件等外界各种因索的干扰。二是它每转一周都有固定的步数，所以步进电动机在不失步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。三是控制性能好，它可以在开坏系统中在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节屯机的转速，并冃能够快速启动、制动和反转。四是有些型式的步进

6、电动机在停止供电的状态下还有定位转矩，有些型式在停机后某些相绕组仍保持通电状态，具有自锁能力，不需要机械制动装置等。当采用速度和位置检测装置后，它可构成闭环控制系统。计算机技术、电力电子技术和微电子技术的发展，给步进电动机的应用开辟了广阔的前景，应用非常广泛。如数控机床、绘图机自动记录仪表、遥控装置和航空系统等等，都大量使用步进电动机。步进电动机的主要缺点是效率较低，并且需要专用电源供给电脉冲信号，带负载惯量的能力不强，在运行中会出现共振和振荡问题。步进屯动机的种类很多，主要有反应式、永磁式和混合式。近年来又发展有直

7、线步进电动机和平面步进电动机等。其屮反应式步进电动机结构较简单应用比较普遍，而且其他类型步进电动机的基本原理与它基本相似，所以本章着重分析反应式步进电动机。二、步进电机的组成及工作原理步进屯机种类很多，按运动方式分为旋转运动式、直线运动式和平面运动式三种，按结构与工作原理分为反应式、混合式、励磁式和特种电动四中种，励磁式乂可分为供电励磁式和永磁两种；按定子数目可分为单定子式和多定子式步进电动机；按相数可分为单相、两相、三相及多相步进电动机。冃丽反应式步进电动机使用较多，具有一定的代表性,下面就对这种屯动机做简要介绍。

8、图4-1三相反应式步进电动机的结构2.1反应式步进电动机的结构形式反应式步进电动机的结构形式很多按定转子铁芯的段数分为单段式和多段式两种1单段式单段式是定转子为一段铁芯。由丁各相绕组沿圆周方向均匀排列，所以又称为径向分相式。它是步进电动机中使用最多的一种结构形式。如图4・1为三相反应式步进屯动机的径向截面图。定转子铁芯出硅钢片叠压而成，定子磁极