基于单片机的超声测距仪毕业设计开题报告.doc

基于单片机的超声测距仪毕业设计开题报告(完整资料）(可以直接使用，可编辑 优秀版资料，欢迎下载） 中 北 大学毕业设计开题报告学 生姓 名：学号:学 院、系:信息与通信工程学院专 业：通信工程设 计 题 目:基于单片机的超声测距仪设计指导教师：丁永红2012年 月10日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1、 课题研究目的意义随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广.在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中,它几乎无所不在.传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此,这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域1。超声波测距与其它非接触式的检测方式方法相比,如电磁的或光学的方法它不受光线，被测对象颜色，电磁干扰等影响。超声波对于被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰,有毒等恶劣的环境有一定的适应能力。因此在液位测量,机械手控制,车辆自动导航，物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距,由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来,具有很高的分辩力，因而其准确度也较其它方法高，而且超声波传感器具有结构简单,体积小，信号处理可靠等特点3。超声波是一种指向性强，能量消耗慢的波。它在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，可解决超长度的测量4. 超声波作为一种特殊的声波,同样具有声波传输的基本物理特性、反射、折射、干涉、衍射、散射与物理紧密联系，应用灵活。并且更适合与高温、高粉尘、高湿度和高强电磁干扰等恶劣环境下工作.超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点,是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害5。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视.2、 国内外发展状况社会在进步，随着经济生活的发展,随着人们生活水平的提高，在当今社会，车辆已经逐渐成为了人们日常生活中至关重要的一部分,我们知道我们越来越离不开汽车了，以车代步已经成为生活的一部分。关于汽车的各种新技术也层出不穷,但是放眼望去，绝大多数的厂家和研究机构的研究方向过多的集中在了设备本来已经相当高级的车上。而在平日的生活当中我经常会遇到这样的问题，如来到一个大型的停车场，要来购物或者有非常着急的事情，但是却往往找不到要停车的位置6。然而现在通常在有的有显示空车位停车场当中又不能智能引导汽车走到空着的车位。在这种特殊的情况下,有通常会发生各种各样棘手问题而束手无策,譬如：有很多车会堵在停车场门口处,又譬如浪费了很长时间找到车位又被其他车辆所占据，会导致打架的事情，直接导致家用车货车的搁浅,引起极大的不便。再如长时间驾驶后在没有需要的停车位置的情况下停车休息，由于极度疲劳导致的贵重钱物丢失现象以及大型长途货车在停车场门口马路很窄的情况下由于很多待于停车的车辆堵车引起的倒车不便等等。针对这些具体而实际的问题提出解决方案，节约资源时间，所以我们做一个智能车辆引导系统更具有现实意义。随着计算机技术、自动化技术发展，测距与识别问题在工业中变得十分重要.例如，传统的如钢卷尺接触式测量仪器在测量一定距离时，这种仪器对高于3m的顶板安设困难，且测量不准确;对于横向变形量的测量，若安设于两侧之间,则妨碍人、车来往,如果不固定安设装，则测量精度很低，难以监测微小变形。在自动化装配、检测、分类、加工与运输等过程中，要对随意放置的工件进行作业，这就必须对工件的位置、形状、姿势、种类自动地进行判别,尤其在在工件运输过程中进行识别，则问题更为复杂与困难,因此人们急切需要各种非接触式的测距仪7。我们目前的非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达,红外线等。但激光和雷达测距仪造价偏高，红外线测量距离又太短，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法具有明显突出的优点:。对于设计停车场来说，超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强,能量消耗缓慢,因此可以直接测量较近目标的距离，很合适；。针对停车场停车当中有的车有天窗，是玻璃或其他透明物质制的。超声波对色彩、光照度不敏感,可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体（如玻璃、抛光体）；3。停车场应该是日夜工作的，超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;4。超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。因此，超声波方法作为非接触检测和识别的手段，已越来越引起人们的重视。在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测、超声定位、汽车倒车、工业测井、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用8。智能车辆引导系统是近年来随着汽车在生活中的普及而发展起来的一个研究热点。有效的车辆探测装置对智能车辆引导系统的后续设计起着至关重要的作用。超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变同频率的其他形式的能的器件9.超声检测的原理主要是利用超声波作为载体,即通过超声在媒质中的传播、散射、吸收、波形转换等，提取反映媒质木身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。我国无损检测技术是从无到有,从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平.超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化0。五十年代,我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的UCT2超声波检测仪，重达24Kg,各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果.五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪,并进行仿制生产.随后,上海同济大学研制出TS一1型非金属超声检测仪，也是电子管式,仪器重约2Kg,该仪器性能稳定，波形清晰.但当时这种仪器只有个别科研单位使用,建工部门使用不多。直至七十年代中期,因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及,所以仪器没有多大发展,仍使用电子管式的UT,CTS一10型仪器。197年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目,组织全国6个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划,有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚N01型超声波测试仪,是由晶体管分立元件组成,具有波形和数码显示，仪器重量0g。七十年代，英国CN。S公司推出仅有 3.5Kg重的PDIT便携式超声仪。978年10月，中国建筑科学院研制出J2型便携式超声波检测仪。该仪器采用TTL线路,数码显示，仪器重量为5Kg.同期研制出的超声检测仪器还有SC-型，CT-25型，SY2型超声波检测仪。从此,我国有了自己生产的超声波仪器，为推广一应用无损检测技术奠定了良好的基础。随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测、记录、存储、数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象12.其数字和波形都比较清晰稳定,操作简单.，可靠性高,具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发.与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能,实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置,还不如单独的超声仪,计算机可充分发挥各自特点.高智能化检测仪器只能满足检测条件,使用环境,重复性测试内容等基木情况一样，才可充分发挥其特有功能.仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。13综上所述,我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体力型.电声型主要有:压电传感器；磁致伸缩传感器；静电传感器.流体动型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都超声传感器称作探头,而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨或“笛14。电子测距仪要求测量范围在。15.0m，测量精度，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果.由于超声波指向性强,能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远,公式=(t/2）C简单易算,因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控,也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合15。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求.所以就顺其自然的选择用超声波探测仪来进行探测停车位是否有车了.参考文献:陈莹基于单片机的超声测距系统M硕士学位论文。武汉：华中科技大学，2002罗忠辉,黄世庆.提高超声测距精度的方法M。北京:机械设计与制造,20年1月第1期:223史晓华，杜新培。超声波测距系统M北京：科技广场,Science osaic,2008年05期：18194周应华，蔡雪梅，刘燕飞超声测距系统设计M.北京：装备制造技术，quient Manuactunig ehnloy,2008年1期：19-225童峰,许水源,许天增。一种高精度超声波测距处理方法。厦门:厦门大学学报（自然科学版)，Jornalof amnUnivet（Nural Sciene），20年7月，第37卷，第4期:3031张文祥。基于单片机的超声测距系统M。硕士学位论文。安徽：安徽大学.77张力.略论我国非金属超声波检测仪器的发展状况J北京：工程质量，18年0期：810胡永峰,石景波一种应用于超声波检测中的自相关算法J.北京：现代电子技术，2005（）:10-12潘仲明，简盈,王跃科。大作用距离超声波传感技术研究.北京:传感技术学报，200（9）:23110李阳。数字电路设计实用手册J北京:北京电子工业出版社，23范立南，李雪飞，尹授远单片微型计算机控制系统J。北京：人民邮电出版，20412李群芳单片微型计算机与接口技术（第二版）J北京：电子工业出版社，2053童诗白模拟电子技术基础北京：高等教育出版社,00.114宋文绪，杨帆主编.传感器与检测技术M北京：高等教育出版社，20041何希才，薛永毅编著传感器及其应用实例。北京:机械工业出版社，204毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段(途径)：1、 设计任务本文在理论方面对超声测距实际方案做了深入研究，在此基础上,以tm9C51单片机为核心，采用4OKHz压电超声传感器完成超声测距仪的设计。系统框图如图1所示.显 示 电 路单 片 机 处 理 部 分发射电路检测电路接收电路发射探头接收探头障 碍 物图1 系统设计方案图由单片机发出0Kz的方波信号进入超声波发射电路，经功率放大器放大后进入超声波发射头。超声波发射头发射的超声波在空气中传播一段时间后经前方被检测物体反射回来，由超声波接收头接收，超声波电路中的接收芯片对信号放大整形,超声波接收电路接收回波后发出一个下拉电平使单片机进入中断程序，在中断程序中，单片机从检测电路读取数值并换算成当前声速,应用时差法计算所检测的距离，最后所有的数据都在LD显示电路上显示。2、 软件总体设计和原理2.1软件总体设计否是开始初始化设定测距值域程序跳入测距程序5秒后进行跳转继续测量测量距离与保存值比较是否有车显示并输出数据，5秒后跳转图 主程序流程图22 软件设计原理在系统硬件构架了超声测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用.软件需要实现以下功能：1. 信号发射控制 在系统硬件中，已经完成了发射电路、接收放大电路、滤波及门限检测的设计.在系统软件中，要完成脉冲串的输出。2。数据存储处理 为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出此时计数器的计数值，但不能作为距离值直接显示输出，因为计数值与实际的距离值之间转换公式为：S=.5*V*T=5344T=72 （1）其中，为发射信号到接收之间经历的时间。由于单片机是按照16进制进行运算，所以得出的S并不能直接显示,需要进行转换.在这个部分中，信号处理主要包括计数值与距离值换算，以及二进制与十进制转换。显示输出 数据传输与显示经软件处理得到的距离，送到与单片机P口用三位L显示输出。将是否有车的数据传输出去,给上位机。在这个实物电路中，采用一个发光二极管来代替。 毕业 设计 开 题 报 告指导教师意见:同学通过查阅大量相关资料，对课题研究目的意义及国内外发展现状进行了详细的阐述，并在此基础上给出了系统的总体设计方案,方案可行。该同学所写开题报告内容比较丰富、思路基本清晰、格式较规范、符合要求。该设计题目的工作量适中,难度适中。同意该同学开题。 指导教师：年月日所在系审查意见: 系主任： 年 月 日基于单片机的步进电机控制系统设计摘要:步进电动机由于用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用汇编语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2004以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来。本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。关键词：步进电机；脉宽调制;驱动机构；单片机；转动Design of The Control System of Step-motorAbstract:The openloop system which is composed by step-motor is simple， cheap and very practical， so there are very wide range of applications in printers and other office automation equipment and various control devices， and many other fields。 This article describes one design of stepmotor system based on microcontroller.The program of the preparation of a motor ， reverse, speed up, slow down， stop is written by compile language. The above functions are realized through the microcontroller， motor driver chip ULN2004 and correspond key , and the work state of stepper motor is diaplayed through the light-emitting diode。 This article introduces the principle of stepper motor and singlechip microcomputer， the system hardware circuit， the program components， while software and hardware for the debugging， at the same time introduces the problems which are appeared in the debugging process and the solutions of the problems 。 The design has the advantages of clear , high reliability, strong stability， etc。,and the abovementioned functions are realized through the debugging。Key Words： Stepper motor; Pulsewidth modulated; driving mechanism； singlechip； rotation目录序言1第1章绪论21.1 课题研究的目的和意义21.2 国内外研究概况21.3 论文的主要研究内容3第 2 章步进电机与单片机简介42。1 步进电机介绍42。1。1步进电机概述4步进电机的工作原理62.1.3 步进电机的分类与选择82。2 步进电机驱动系统介绍92。2。1 步进电机驱动系统简介92.2.2 步进电机绕组的电气特性102。3 单片机原理112。3.1单片机原理概述11单片机的应用系统122。3.3 AT89C51简介13第 3 章系统整体硬件结构173.1系统整图173.2电源部分183.3按键部分183.4驱动部分193.5状态指示部分203。6时钟部分20第 4 章系统软件设计214。1 系统开发软硬件环境214。2 系统主程序214.3 查键部分224.4 前进部分224。5 后退部分234.6 加速部分244.7 减速部分25第 5 章系统的调试与检测265。1程序编译时的错误与解决方法265。2 LM7812输出电压错误与解决方法265.3 步进电机转动错误及解决方法265.4 结论与展望27参考文献28致谢29附录29附录1:源程序清单30附录2:英文资料及其中文翻译35基于单片机的步进电机控制系统设计序言步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。它是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等,并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。本次毕业设计选用的步进电机是四相步进电机，通过软件和硬件的结合实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速功能,并且步进电机所处的状态用相应的发光二极管显示。主要通过三大块来设计，包括驱动电路的设计、状态显示部分和按键部分是设计。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而精确地控制转动角度;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的角度和加速度，从而达到调速的目的。本次论文分为六章，序言简要介绍了此次设计中有关步进电机及其驱动器的相关概念.第1章是绪论，主要探讨了步进电机的研究背景和本论文的主要研究内容；第2章步进电机与单片机的原理；第3章系统整体硬件结构；第4章系统的软件设计;第5章系统的调试与检测；最后是参考文献、附录和致谢。通过七章内容的描述，详细介绍了本次毕业设计的内容、方法、以及设计中遇到的问题和解决问题的途径。第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机,它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速,快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用.随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。1。2 国内外研究概况步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用,例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用,驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上,目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合,还使用步进电机，例如一些工业器材,工业生产装备，打印机，复印件，速印机,银行自动柜员机.国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制.国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强,先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。总的来说,步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低,不适合在大功率的场合使用。在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握,这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。1。3 论文的主要研究内容本论文所选的步进电机是四相步进电机,采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构.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。本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速的级别.另外通过单片机实现它的正反转，步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。第2章 步进电机与单片机简介2.1 步进电机介绍2。1.1 步进电机概述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.正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响.由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。本次毕业设计采用的是步距角为1.8度的四相八拍永磁式步进电机.步进电机的基本参数： （一）步进电机的静态指标术语1、相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。2、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即ABBCCD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BCC-CD-DDA-A。3、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示.=360度（转子齿数*运行拍数)，以常规二、四相,转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（504）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/(50*8）=0.9度（俗称半步）。4、定位转矩:电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）5、静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。（二)步进电机动态指标及术语：1、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%.不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。2、失步：电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。称之为失步3、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式,电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率.6、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据.电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大,电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。7、电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180250pps之间（步距角1。8度)或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大,负载越轻，电机体积越小,则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。8、电机正反转控制：当电机绕组通电时序为AABBBCC-CD-DDA时为正转，通电时序为DA-DCD-C-BCBABA时为反转。步进电机的特征如下:1、一般步进电机的精度为步进角的3%-5%,且不积累。 2、步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率（或速度)的增大而相电流减少，从而导致力矩下降.4、步进电机低速时可以正常转动，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转.在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。2。1.2 步进电机的工作原理步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移,就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步.步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(f）成正比，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,即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。如下所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图.图21四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图22所示：图2-2 步进电机工作时序波形图2。1。3 步进电机的分类与选择现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR)、永磁式步进电机(PM）、混合式步进电机（HB)和单相式步进电机等。反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩,但动态性能相对较差。永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大,动态性能好，但步距角一般比较大。一般为两相,转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1。8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，它是PM和VR的复合产品,其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构.此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小,出力大,动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率(当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度(包括减速）.电机的步距角应等于或小于此角度.目前市场上步进电机的步距角一般有0。36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1。8度（二、四相电机)、1。5度/3度（三相电机）等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的23倍内好，静力矩一旦选定,电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图,判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下: P=M=2n/60P=2nM/60其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速,M为力矩单位为牛顿米P=2fM/400（半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS）2。2 步进电机驱动系统介绍2.2。1 步进电机驱动系统简介步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备-步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能,除与电机本身的性能有关外,也在很大程度上取决于驱动器的优劣.典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转.通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成.步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号.控制电路输出的信号功率很低,不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。 步进电机绕组的电气特性步进电机各相绕组都是在铁心上的铜线圈，电阻和电感是电机相绕组的两个固