基于单片机的步进电机控制毕业设计论文 (1).doc

1、 2015 届 电子工程 学院 毕业设计选题审批单 年级 12 专业 电子 班级 1 学生姓名 蔡春雨 学 号 1220090122 选题 单片机控制步进电机设 计 选题性质 设计报告其他 选题论证： 指导教师初审意见： 签 名： 年 月 日 毕业设计工作领导小组审批意见： 签 名： 年 月 日 2015 届 电子工程 学院 毕业设计开题报告及进度要求 年级 2012 班级 1 学生姓名 蔡春雨 学 号 1220090122 指导教师 桑红 选题性质 设计报告其他 选题 单片机控制步进电机设计 选题的目的和意义： 选题研究的主要内容和技术方案： 毕业设计工作时间 2015 年 月 日 至 20

2、15 年 月 日 毕业设计工作日程安排 时间段 工作内容 指导教师意见： 成果要求： 签字： 年 月 日 重庆信息技术职业学院毕业设计 I 摘 要 步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位 移的开环控制元件。 本文应用单片机 AT89C51 和脉冲分配器 PMM8713，步进电机驱动器，光电 隔离器 4N25 等，构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。 通过 AT89C51 和脉冲分配器 PMM8713 完成步进电机的各种运行控制方式，实现 步进电机在 3 相 6 拍的工作方式下的正反转控制和加减速控制。并通过步进电机 丝杠连动，带动 XY 工作台的直

3、线运动，实现从起点 A 点到预定点 B 点的位移控 制。 整个系统采用模块化设计，结构简单，可靠，通过人机交互换接口可实现各 功能设置，操作简单，易于掌握。该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等 大多数场合。 实践证明，基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更好的性能， 更加简单、方便、可靠。本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执 行器件步进电机。 关键词： 步进电机、单片机、正反转控制、加减速控制、XY 工作台 重庆信息技术职业学院毕业设计 II 目 录 摘 要 I 第一章 绪论 .1 1.1 步进电机及其发展 .1 1.2 步进电机在我国的发展应用及前景 .1 1.3

4、本文研究内容 .2 2.1 步进电机的概念 .3 2.2 步进电机的特点 .3 2.4 步进电机的结构及工作原理 .4 2.4.1 结构 .4 2.4.3 工作原理 .4 2.4.4 工作方式（三相） .5 2.5 步进电机的常用术语 .5 2.6 步进电机的振荡和失步 .6 2.6.1 振荡 .6 2.6.2 失步 .7 2.7 阻尼方法 .7 第三章 步进电机的驱动 .8 3.1 单电压功率驱动接口 .8 3.2 双电压功率驱动接口 .9 3.3 高低压功率驱动接口 .9 第四章 步进电机的单片机控制 .11 4.1 步进电机控制系统组成 .11 4.2 步进电机控制系统原理 .11 4.

5、2.1 脉冲序列的生成 .11 4.2.2 方向控制 .12 4.3 脉冲分配 .12 4.3.1 通过软件实现脉冲分配 .12 4.3.2 通过硬件实现脉冲分配 .13 4.4 步进电机与微型机的接口电路 .14 第五章 步进电机的运行控制 .16 5.1 步进电机的速度控制 .16 5.2 步进电机的位置控制 .16 5.3 步进电机的加减速控制 .17 6.3 程序框图 .19 6.4 汇编程序 .21 设计总结 .23 参考文献 .24 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 1 页 第一章 绪论 1.1 步进电机及其发展 步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作 用

6、，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进 电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围 设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技术 的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机 的运行性能提出了更高的要求。 步进电机的原始模型起源于 1830 年至 1860 年，1870 年前后开始以控制为 目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。 1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变 得更为容易。到 20 世纪 60 年代后期，在步进电机本体方面随着

7、永磁材料的发 展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，使得今日步 进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控 制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中， 我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作 各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。 1.2 步进电机在我国的发展应用及前景 我国步进电机的研究及制造起始于本世界 50 年代后期，从 50 年代后期到 60 年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产 品。我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北

8、 京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路 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。中等耐压的大功率半导体 器件也完全国产化。70 年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映 在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到 一个较高的水平。70 年代中期至 80 年代中期为成品发展阶段，新品种高性能 电动机不断被开发。至 80 年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究 工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但

9、具有专业技术人员，能够自行开发， 研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 2 页 仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。 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。 1.3 本文研究内容 本设计主要是研究基于单片机的步进电机控制，采用单片机 AT89C51 和脉 冲分配器 PMM8713 控制步进电机在三相六拍工作方式下的

10、启停控制，正反转 控制和加减速控制，以实现基于步进电机的 XY 工作台两点间的位移控制。 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 3 页 第二章 步进电机的分类、结构、工作原理及特性 2.1 步进电机的概念 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。我们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；同时我们也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。 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

11、，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。 从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。 2.2 步进电机的特点 1. 一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正 比，没有累计误差，具有良好的跟随性。 2. 步进电机外表不允许较高的温度。 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

12、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 减小，从而导致力矩下降。 4. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 5. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非 常的可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 6. 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。 7. 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此

13、， 一般可以不用减速器而直接驱动负载。 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 4 页 8. 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和 直流电源。 2.4 步进电机的结构及工作原理 2.4.1 结构 步进电机分为转子和定子两部分： 1. 定子：由硅钢片叠成的，定子上有 6 大磁极，每 2 个相对的磁极 （，S）组成一对，共有 3 对。定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别 与转子齿轴线错开。 0、1/3、2/3, （相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 表示），即 A 与齿 1 相对齐，B 与齿 2 向右错开 1/3，C 与齿 3 向右错开 2/3， A与齿 5 相对齐，（ A就

14、是 A，齿 5 就是齿 1）。 2. 转子：由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿 相同，并且小齿的大小相同，间距相同。 2.4.3 工作原理 电机的 U1、V1、W1 接电源，分别有三个开关控制，U2 、V2、W2 分别接 地。 如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最 大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成 分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能 正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 。以反应式步 进电机为例： 如

15、A 相通电，B，C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐，（转子 不受任何力以下均同）。 如 B 相通电，A，C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐， 此时转子向右移过 1/3，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3，齿 4 与 A 偏移（-1/3 ） =2/3。 如 C 相通电，A，B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移 过 1/3，此时齿 4 与 A 偏移为 1/3对齐。 如 A 相通电， B，C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3 这样经过 A、B、C、A 分别通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到 A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地

16、按 A，B， C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按 A，C， B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次 数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对 力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 A-AB-B-BCC-CA-A 这 种导电状态，这样将原来每步 1/3改变为 1/6。甚至于通过二相电流不同的组 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 5 页 合，使其 1/3变为 1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难 推出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m,2/m(m-1)/m,1。

17、并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是 旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机， 出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 2.4.4 工作方式（三相） 1. 单三拍：通电顺序为 ABC； 2. 双三拍：通电顺序为 ABBCCA； 3. 三相六拍：通电顺序为 AABBBCCCA。 这三种工作方式的区别，如下表所示： 表 2.1 反应式步进电机三种工作方式的性能比较 工作方式 单三拍 双三拍 六拍 步进周期 T T T 每相通电时间 T 2T 3T 走齿周期 3T 3T 6T 相电流 小 较大 最大 高频性能 差 较好 较好 转矩 小 中 大 电

18、磁阻尼 小 较大 较大 振荡 容易 较容易 不容易 功耗 小 大 中 由表 2.1 可以看出这三种工作方式中，六拍的性能最好，单三拍的性能最 差，因此，在步进电机的控制应用中，选择合适的工作方式非常重要，本文主 要研究的是三相六拍工作方式。 2.5 步进电机的常用术语 1. 齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。 z=2/Z (Z 是转子的齿数) 2. 步距角：指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。 b=z/N = 2/NZ (N 是工作拍数，Z 是转子的齿数) 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 6 页 3. 步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际

19、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。 4. 失调角：指转子偏离零位的角度。转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度， 电机转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 5. 零位或初始稳定平衡位置：指不改变绕组通电状态，转子在理想空载状 态下的平衡位置。 6. 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。 7. 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。 8. 响应频率：在某一频率

20、范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步， 则这一最大频率称为响应频率。 9. 运行频率：指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行 的极限频率。 10. 单步响应：指步进电机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转 子由起动到停止的运动轨迹。 2.6 步进电机的振荡和失步 步进电机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运 行，因此要尽力去避免。 2.6.1 振荡 步进电机的振荡现象主要发生于：步进电机工作在低频区，步进电机工作 在共振区，步进电机突然停车时。 当步进电机工作在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电机表 现为单步运行，当励磁开始时，转子在电磁力的

21、作用下加速转动，到达平衡点 时，电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大，由于惯性，转子冲过平衡点，这 时电磁力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转 动。当转子反转过平衡点后，电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动。如 此下去，形成转子围绕平衡点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这 个振荡表现为衰弱振荡，最终稳定在平衡点。 当步进电机工作在共振区时，步进电机的脉冲频率接近步进电机的振荡频 率 fo 或振荡频率的分频或倍频，这会使振荡加剧，严重时造成失步。振荡失步 的过程可描述如下：在第一个脉冲到来后，转子经历了一次振荡。当转子回摆 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 7

22、页 到最大幅值时，恰好第 2 个脉冲到来，转子受到的电磁转矩为负值，使转子继 续回摆，接着第 3 个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点，这样， 转子经过 3 个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了三步。 当步进电机工作在高频率区时，由于换相周期短，转子来不及反冲，同时， 绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个工作 区中不会产生振荡。 减少步距角可以减少振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。 2.6.2 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。 步进电机失步的原因有 2 种： 1. 转子的转速慢于旋转磁场的速度（或者说慢于换相速度）。例如，步进 电机在

23、启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使 其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此，步进电动机有一个 启动频率启动时，肯定会产生失步。注意，启动频率不是一个固定值，提高电 动机的转矩、减少负载转动惯量、减少步距角都可以提高步进电机的启动频率。 2. 转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和突然换向时， 转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。 2.7 阻尼方法 消除振荡是通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼法和电子阻尼 法两大类。其中机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器，电子阻尼 法则有多种。 1. 多相励磁法：采用多相励磁会产生

24、电磁阻尼，会削弱或消除振荡现象。 2. 变频变压法：步进电机在高频和在低频时转子所获得的能量不一样，在 低频时绕组中的电流上升时间长，转子获得的能量大，因此容易产生振荡，在 高频时则相反。所以，可以设计一种电路，使电压随频率的降低而减少，这样 使绕组在低频时的电流减少，可以有效地消除振荡。 3. 细分步法：细分步法是将步进电机绕组中的稳定电流分成若干阶段，每 进一步时，电流升一级。同时，也相对地提高步进频率，使步进过程平稳进行。 4. 反相阻尼法：这种方法用于步进电机制动，在步进电机转子要过平衡点 之前，加一个反向作用力去平衡惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实现 准确制动。 重庆信息技术职

25、业学院毕业设计 第 8 页 第三章 步进电机的驱动 步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的 步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。 驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接 口，这里予以简单介绍。 3.1 单电压功率驱动接口 单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电，它 的特点是电路最简单。 步进电机使用脉冲电源工作，脉冲电源的获得可通过下图说明，开关管 T 是按照控制脉冲的规律“开”和“关”，使直流电源以脉冲方式向绕组 L 供电， 这一过程我们称为步进电机的驱动。 实用电路如下图所示。在

26、电机绕组回路中串有电阻 Rs，使电机回路时间常 数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象， 但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs 是不可缺少的。 Rs 对步进电动机 单步响应的改善如图 3.1 所示： 图3.1 单电压功率驱动接口电路图 在图 3.1 中，电路中只有一个电源 V，电路中的限流电阻 R1 决定了时间常 数，但 R1 太大会使绕组供电电流减小。这一矛盾不能解决时，会使电动机的 高频性能下降，可在 R1 两端并联一个电容，以使电流的上升波形变陡，来改 善高频特性，但这样做又使低频性能变差。 R1 在工作中腰消耗一定的能量，所以这个电路损

27、耗大，效率低，一般只用 于小功率步进电机的驱动。 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 9 页 3.2 双电压功率驱动接口 用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样就产生了双电 压驱动。双电压驱动有两种工作方式：双电压法和高低压法。 双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压 UL 驱动，而在 高速（高频段）时用较高的电压 UH 驱动。这种功率接口需要两个控制信号， Uh 为高压有效控制信号，U 为脉冲调宽驱动控制信号。图 3.2 中，功率管 TH 和二极管 DL 构成电源转换电路。当 Uh 低电平， TH 关断，DL 正偏置，低电 压 UL 对绕组供电。反之 Uh 高电平，T

28、H 导通，DL 反偏，高电压 UH 对绕组 供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。其 电路图如下所示： 图3.2 双电压功率驱动接口电路 虽然这方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好 的高频特性，但仍没有摆脱单电压驱动的弱点，在限流电阻 R 上仍然会产生损 耗和发热。 3.3 高低压功率驱动接口 高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压 UH 供 电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压 UL 来维持绕组的 电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻 Rs，消除 了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两

29、个输入控制信号 Uh 和 Ul，它们应保 持同步，且前沿在同一时刻跳变，高压管 VTH 的导通时间 tl 不能太大，也不能 太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取 13ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。 高低压驱动电路如下图所示： 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 10 页 图3.3 高低压驱动接口电路图 高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法，由于这种驱动在低频时电流有 较大的上冲，电动机低频噪声较大，低频共振现象存在，使用时要注意。 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 11 页 第四章 步进电机的单片机控制 4.1 步进电机控制系统组成 图 4.

30、1 用微型机控制步进电机原理系统图 与传统步进控制器相比较有以下优点： 1. 用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实 现方向控制。 2. 只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固 定的步距角度。 3. 根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进 电机的最终位置。 4.2 步进电机控制系统原理 4.2.1 脉冲序列的生成 图 4.2 脉冲的生成 脉冲幅值：由数字元件电平决定。 TTL 0 5V CMOS 0 10V 接通和断开时间可用延时的办法控制。要求：确保步进到位。 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 12 页 4.2.2 方向

31、控制 步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。 三相六拍，通电顺序为: 正转：AAB BBCCCA 反转：AAC CCBBBA 改变通电顺序可以改变步进电机的转向 4.3 脉冲分配 实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法。 4.3.1 通过软件实现脉冲分配 软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的 IO 向驱动电路发出控制脉冲，下面以三相六拍为例。 上面提到了三相六拍工作方式通电换相得正序为 A-AB-B-BC-C-CA-A，反 序为 A-AC-C-CB-B-BA-A。 图 4.3 用软件实现脉冲分配的接口示意图 注：P1.0：A 相驱动 P1.

32、1：B 相驱动 P1.2：C 相驱动 三相六拍控制字如下表所示： 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 13 页 表 4.1 三相六拍工作方式的控制字 通电状态 P1.2 P1.1 P1.0 控制字 A 0 0 1 01H AB 0 1 1 03H B 0 1 0 02H BC 1 1 0 06H C 1 0 0 04H CA 1 0 1 05H 注：0 代表使绕组断电，1 代表使绕组通电 在程序中，只要依次将这 10 个控制字送到 P1 口，步进电机就会转动一个 齿距角，每送一个控制字，就完成一拍，步进电机转过一个步距角。 软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的 CPU 时

33、间，可能使单片机无法同时进行其他工作（如监测等），所以，人们更喜欢 用硬件法。 4.3.2 通过硬件实现脉冲分配 所谓硬件法实际上就是使用脉冲分配器 8713，来进行通电换相控制。 8713 是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电机，我们选择的是三 相六拍工作方式。8713 可以选择单时钟输入或双时钟输入，具有正反转控制、 初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监视等功能，所有输入端内部都设有斯 密特整形电路，提高抗干扰能力，使用 418V 直流电源，输出电流为 20mA。 本例选用单时钟输入方式，8713 的 3 脚为步进脉冲输入端，4 脚为转向控制端， 这两个引脚的输入均由单片机提供和控制

34、，选用对三相步进电机进行六拍方式 控制，所以 5、6 脚接高电平，7 脚接地。 如下图所示： 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 14 页 图 4.4 89C51 单片机系列和 8713 脉冲分配器的接口图 由于采用了脉冲分配器，单片机只需提供步进脉冲，进行速度控制和转向 控制，脉冲分配的工作交给 8713 来自动完成，因此，CPU 的负担减轻许多。 4.4 步进电机与微型机的接口电路 由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门 的接口及驱动电路。驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。 总之，只要按一定的顺序改变 8713 脉冲分配器的 13 脚15 脚 三位通电

35、的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。由于步进电机运行时功率较大， 可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器（一是抗干扰，二是电隔离。 ）以 防强功率的干扰信号反串进主控系统。 电路图如下所示： 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 15 页 XTAL218XTAL119 ALE30EA31PSEN29 RST9 P0./AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336 P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD63P0.7/AD732 P1.01P1.2P1.23P1.34 P1.45P1.56P1.67P1.78 P3.0/RXD10P3.1/TXD1P3

36、.2/INT012P3./INT113 P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115 P2.7/A1528 P2.0/A821P2.1/A92P2./A1023P2.3/A124 P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427 U1 80C51 D034D13D232D331 D430D529D628D727 RD5WR36A09A18 RESET35CS6 PA04PA13PA22PA31 PA440PA539PA638PA737 PB018PB119PB220PB321 PB42PB523PB624PB725 PC014PC115PC216PC31

37、7 PC413PC512PC61PC710 U2 825APACKAGE=DIL40PORTDHL=20n X1 CRYSTALC1 10uFR110k C230pF C330pF 1B1 1C162B2 2C153B3 3C144B4 4C13 5B5 5C126B6 6C17B7 7C10 COM9U3 ULN203A +8.8 断 开 -正 转闭 合 -反 转R210kSW 图 4.5 单片机与步进电机的接口电路图 1. 图中 K1、K2、K3、 K4 按钮分别控制步进电机正转、反转、加速、减 速。 2. 因为我们讨论的是三相六拍的工作方式，所以 P0.4 和 P0.6 接高电平， P0

38、.7 接低电平。 3. P0.0 输出步进脉冲。 4. P0.1 控制步进电机 的转向。 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 16 页 第五章 步进电机的运行控制 5.1 步进电机的速度控制 步进电机的速度控制是通过单片机发出的步进脉冲频率来实现，对于软脉 冲分配方式，可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速，对于硬脉 冲分配方式，可以控制步进脉冲的频率来实现调速。控制步进电机的速度的方 法可有两种： 1. 软件延时法：改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率，但这种 方法 CPU 长时间等待，占用大量的机时，因此没有实践价值。 2. 定时器中断法：在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调

39、整定时器的 定时常数就可以实现调速，这种方法占有的 CPU 时间较少，在各种单片机中都 能实现，是一种比较实用理想的调速方法。 定时器法利用定时器进行工作，为了产生步进脉冲，要根据给定的脉冲频 率和单片机的机器周期来计算定时常数，这个定时器决定了定时时间，当定时 时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变 P1.0 的电平 状态的操作，这样就可以得到一个给定频率的方波输出，改变定时常数，就可 以改变方波的频率，从而实现调速。 5.2 步进电机的位置控制 步进电机的位置控制，指的是控制步进电机带动执行机构从一个位置精确 地运行到另一个位置，步进电机的位置控制是步进电机的一大优点，

40、它可以不 用借助位置传感器而只需要简单的开环控制就能达到足够的位置精度，因此应 用很广。步进电机的位置控制需要两个参数： 1. 第一个参数：步进电机控制执行机构当前的位置参数（我们称为绝对位 置） ，绝对位置时有极限的，其极限时执行机构运动的范围，超越了这个极限就 应报警。 2. 第二个参数：从当前位置移动到目标位置的距离 我们可以用折算的方 式将这个距离折算成步进电机的步数，这个参数是外界通过键盘或可调电位器 旋钮输入的，所以折算的工作应该在键盘程序或 A/D 转换程序中完成。 对步进电机位置控制的一般作法是：步进电机每走一步，步数减 1，如果 没有失步存在，当执行机构到达目标位置时，步数正

41、好减到 0，因此，用步数 等于 0 来判断是否移动到目标位，作为步进电机停止运行的信号。 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 17 页 5.3 步进电机的加减速控制 步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受各种环境条件 诸如温度、压力、振动、冲击等影响，而仅仅与脉冲频率成正比，通过改变脉 冲频率的高低可以大范围地调节电机的转速，并能实现快速起动、制动、正反 转、加减速，而且有自锁的能力，不需要机械制动装置，不经减速器也可获得 低速运行。它每转过一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长 期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检 测和速度反馈，亦可实

42、现闭环控制。 步进电机驱动执行机构从 A 点到 B 点移动的时，要经历升速，恒速，减速 过程，如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率， 步进电机就有失步现象，因此会造成不能正常启动，如果到终点时突然停下来， 由于惯性作用 ，步进电机会发生过冲现象，会造成位置精度降低。如果升速非 常缓慢的升降速，步进电机虽然不会发生失步和过冲现象，但影响执行机构的 工作效率，所以，对步进电机的加减速要有严格的要求，那就是保证在不失步 和过冲的前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到有可能指定位置。为 满足加减速要求，步进电动机运行通常按照加减速曲线进行。图 5.1 是加减速 运行曲线。

43、加减速运行曲线没有 一个固定的模式，一般根据经验和实验得到的。 最简单的是匀加速和匀减速曲线，如下图所示： 图5.1 加减速曲线图 其加减速曲线都是直线，因此容易编程实现。按直线加速时，加速度是不 变的，因此要求转矩也应该是不变的。但是，由于步进电动机的电磁转矩玉转 速时非曲线关系，因而加速度玉频率也应该是非曲线关系。因此，实际上当转 速增加时，转矩下降，所以，按直线加速时，有可能造成因转矩不足而产生失 步的现象。 采用指数加、减速曲线或 S 形（分段指数曲线）加、减速曲线是最好的选 择。步进电机的运行可以根据距离的长短分如下 3 种情况处理： 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 18 页 1.

44、 短距离 由于距离较短，来不及升到最高速，因此，在这种情况下，步进电机以洁 净启动频率运行，运行过程没有加、减速。 2. 中、短距离 在这样的距离里，步进电机只有加、减速过程，而没有恒速过程。 3. 中、长距离 在这样的距离里，步进电机不经有加、减速过程，而且还有恒速过程。 由于距离较长，要尽量缩短用时，保证快速反应性。因此，在加速时，尽 量用接近启动频率启动，在恒速时，尽量工作在最高速。单片机在用定时器法 调速时，用改变定时常数的方法来改变输入步进脉冲频率，达到改变转速的目 的，对于 MCS-51 系列单片机，其定时器属于加 1 定时器。因此，在步进电机 加速时，定时常数应增加；减速时，定时

45、常数应减小。如果采用非线性加、减 速曲线，要用离散法将加减速曲线离散化，将离散所得的转速序列所对应的定 时常数序列，做成表格存储在程序存储器重。在程序运行中，使用查表得方式 重装定时常数，这样做比用计算机节省时间，提高系统的响应速 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 19 页 第六章 步进电机的程序设计 6.3 程序框图 根 据 设 计 任 务 ， 可 画 出 控 制 步 进 电 机 正 反 转 ， 加 减 速 控 制 ， 工 作 方 式 为 双 时 钟 ， 程 序 框 图 如 下 ： 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 20 页 图6.4 基于单片机的步进电机控制程序框图 是 否 是 否 否 反

46、转 改变 P0.0 状态 P0.0=0？ 正转 加速步数减 1 极步数减 1 级步数=0？ 加速 1 级计算级步数 加速步数=0？ 指针指向恒速 减速步数减 1 级步数减 1 复位 级步数=0？ 减速一级计算级步数 减速步数=0？ 是 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 21 页 6.4 汇编程序 本程序的资源分配如下： R0中间寄存器； R1储存速度级数； R2储存级数步数； R3加减速状态指针，加速时指向 35H，恒速时指向 37H，减速时指向 3AH； 32H34H存放绝对参数（假设用 3 个字节） ，低位在前； 35H、36H存放加速总步数（假设 2 个字节） ，低位在前； 37H39H

47、存放恒速总步数（假设 3 个字节） ，低位在前； 3AH、3BH存放减速总步数（假设 2 个字节） ，低位在前； P0.0正转脉冲输入； P0.1反转脉冲输入； P1.3正转按钮 K1； P1.4反转按钮 K2； P1.5加速按钮 K3； P1.6减速按钮 K4； 定时常数序列放在以 ABC 为起始地址的 ROM 中。初始 R3=35H,R1、R2 都有初始值。 程序如下： ORG 0000H JNB P0.0 ZZ； JNB P0.1 FZ； ZZ：INC R0 CJNE R0， #06H ZZ1； MOV R0，00H； ZZ1：MOV A，R0； MOV DPTR， #ABC； MOVC

48、 A，A+DPTR； MOV P0 A； FZ：DEC R0； CJNE R0 #0FFH，FZ1； MOV R0，#05H； FZ1： MOV A，R0 ； MOV DPTR， #ABC； 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 22 页 MOVC A，A+DPTR； MOV P0，A ； ABC:DB 01H 03H 02H 06H 04H RET JS:MOV R0，#35； CJNER0 #0FFH，JS1； INC R0； DEC R0； JS1:DJNC R2 JS2； INC R1; MOV A R1; MOV B,#N; MUL AB; MOV R2 A; JS2:MOV A,35H

49、; ORL A,36H; JNB R3 #37H; MOV R0 #3AH; DEC R0; CJNE R0,#0FFH,JS4; INC R0; DEC R0; JS4:DJNC R2 JS5; DEC R1; MOV A,R1; MOV B,#N; MUL AB; MOV R2,A; JS5:MOV A,3AH; ORL A,3B; JNB R3; RET; 重庆信息技术职业学院毕业设计 第 23 页 设计总结 本设计通过单片机 AT89C51 和脉冲分配 PMM8713 来控制步进电机的正反 转，加减速，以实现基于 XY 轴坐标的步进电机的运动控制。利用步进电机的 转子的旋转带动所联接的丝杆的旋转，丝杆又带动了 XY 工作台进行直线位移。 本设计实现了占用 CPU 时间少，效率高；易于控制步进电机的转向转速； 提高了步进电机的步进精度等。再有，本设计过程