基于单片机的步进电机控制器的设计论文-2.doc

1、哈尔滨工程大学本科生毕业论文1第 1 章 绪论1.1 引言步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子

2、绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机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、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点 1。正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一，广泛应用

3、在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用 2。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了哈尔滨工程大学本科生毕业论文2很大的作用。除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，

4、纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用 3。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制

5、方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法。但是在有

6、些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。本论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，哈尔滨工程大学本科生毕业论文3功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求

7、，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值。1.2 步进电机常见的控制方案与驱动技术简介1.2.1 常见的步进电机控制方案1、基于电子电路的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。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。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。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号

8、分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图 1.1 所示。脉冲控制器功率放大驱动电路环形分配器步进电机图 1.1 基于电子电路控制系统此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，哈尔滨工程大学本科生毕业论文4然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步 4。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，必须需重新设计，因此灵活

9、性不高。2、基于 PLC 的控制PLC 也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC 作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。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，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将 PLC 输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC 控制的步进电机可以采用软件环形分配

10、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，特别是步进电机绕组相数大于 4 时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然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。步进电机功率驱动电路将 PLC 输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。 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

11、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。3、基于单片机的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哈尔滨工程大学本科生毕业论文5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，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，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，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系

12、统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。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、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性 5。基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。1.2.2 步进电机驱动技术步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪

13、80 年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低；缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单

14、电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以哈尔滨工程大学本科生毕业论文6改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出

15、力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱

16、动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而避免产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。比如：电流分成 n 个台阶，转子则需要 n 次才转过一个步距角，即 n 细分细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高哈尔滨工程大学本科生毕业论

17、文7了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩：其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步迸电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃 6。1.3 本文研究的内容在一般的步进电机工作中，其电源均采用单极性直流电，通过对步进电机的各相绕组按恰当的时序方式通电，就可使其执行步进转动。当某一相绕组通电时相应的两个磁极就分别形成 N-S 极产生磁场，并与转子形成磁路。在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对其，从而使步进电机向前“走”一步。转子的角位移大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入的脉冲同步。只要能正确控制输入的电脉冲

18、数、频率以及电机各相绕组通电的相序，即可得到所需要的转角、转速及转向，通过单片机很容易实现对步进电机的数字控制。本设计采用 AT89S51 单片机实现对两相步进电机的转速控制。由单片机产生的脉冲信号经过脉冲分配器后分解出对应的四相脉冲，分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。本课题的研究目的之一就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性强，可靠性高的步进电机控制系统。哈尔滨工程大学本科生毕业论文8第 2 章 步进电机概述2.1 步进电机的分类步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进

19、电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM) 和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机 7。(1)反应式步进电机(Variable Reluctance，简称 VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；(2)永磁式步进电机(Permanent Magnet ，简称 PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(

20、相比反应式 )，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；(3)混合式步进电机(Hybrid，简称 HB)混合式步进电机综合了反应式和永 磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领

21、域中得到广泛应用。由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合，所以只采用反应式步进电机 7。哈尔滨工程大学本科生毕业论文92.2 步进电机的工作原理 2.2.1 结构及基本原理步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时

22、，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。通过电磁感应定律我们很容易知道激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图 2.1 所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。图2.1 激励线圈产生电磁场2.2.2 两相电机的步进顺序1、两相电机的单相通电步进顺序在图 2.2 中我们很清晰的展示了在单相通电时一个两相步进电机的典型的步进顺序。在第 1 步中，两相定子的 A 相通电，

23、因异性相吸，其磁场将转哈尔滨工程大学本科生毕业论文10子固定在图示位置。当 A 相关闭、B 相通电时，转子顺时针旋转 90。在第3 步中，B 相关闭、A 相通电，但极性与第 1 步相反，这促使转子再次旋转90。在第 4 步中，A 相关闭、B 相通电，极性与第 2 步相反。重复该顺序促使转子按 90的步距角顺时针旋转 8 9。图2.2 两相电机的单相通电步进顺序2、两相电机的双相通电步进顺序图 2.2 中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。更常用的步进方法是“双相激励”，其中电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性，见图 2.3 所示。在第 1 步中，两相定子的 A 相和 B 相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示 step1 位置。在第 2 步中，两相定子的 A 相关闭，而 B 和 a 相（此时的 a 相通电极性与第 1 步 A 相反）同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定