1、0长春理工大学成人教育学院毕业论文（设计）题 目：_步进电机控制系统的设计 成 绩：_学历层次：_专 升 本_专 业：电气工程及其自动年 级：_2016 级_姓 名：_ 张三 _指导教师：_完成日期：_1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
2、。并通过步进电机丝杠连动，带动 XY 工作台的直线运动，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，工作台2目 录1 绪论 .11.1 步进 电机及其发展 .21.2 步进 电机国内外的研究与在我 国的应用. .21.3 本文设计 内容. .2
3、2 步进电机简介 .32.1 步进电 机的概念 .32.2 步进电机的结构 分类与工作原理 .32.2.1 步进电机的结构 .32.2.2 步进电机的工作原理 .32.2.3 步进电机的分类 .52.3 步进电 机的特点 .52.4 步进电机的驱动 .62.5 步进电机的基本参数 .82.5.1 步进电机的静态指标术语 .82.5.2 步进电机动态指标及术语 .93 步进电机的单片机控制 .103.1 步进电机控制系统组成 .103.2 步进电机控制系统原理 .113.3 脉冲分配 .113.4 步进电机与微型机的接口电路 .134 步进电机的运行控制 .164.1 步进电机的速度控制 .15
4、4.2 步进电机的位置控制 .154.3 步进电机的加减速控制 .165 步进电机的程序设计 .195.1 程序框图 .195.2 汇编程序 .20设计总结 .21致 谢 .22参考文献 .23步进电机控制系统的设计1 1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，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
5、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
6、动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。图1.1 步进电机的外观图步进电机控制系统的设计2 21.2 步进电机国内外的研究与在我国的应用步进电机是国外发明的。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。 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
7、是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济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。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，而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件、中等耐压的
8、大功率半导体器件也完全国产化。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。1.3 本文设计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。步进电机控制系统的设计 3第二章 步进电机简介2.1 步进电机的概念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步进电机件。在非超载的情
9、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，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；您可 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 目 的 ； 同 时 您可 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 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
10、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。2.2 步进电机的结构、分类与工作原理2.2.1 步进电机的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就是
11、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。2.2.2 步进电机的工作原理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；步进电机控制系统的设计 4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，即给电机加一个脉冲信号，
12、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。 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 2.1 是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图 2.1 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
13、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 2.2 所示：步进电机控制系统的设计5图 2.2 步进电机工作时序波形图2.2.3 步进电机的分类步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB） 永 磁 式 步 进 电 机 ：永 磁 式 步 进 电 机 一 般 为 两 相 ， 转 矩
14、和 体 积 较 小 ， 步 进 角 一 般 为 7.5 度 或15 度 ,永 磁 式 步 进 电 动 机 输 出 力 矩 大 ， 动 态 性 能 好 ， 但 步 距 角 大 。 反 应 式 步 进 电 机 ：反应式步进电机一般为三相，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。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。 混 合 式 步 进 电 机 ：混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它
15、有时也称作永磁感应子式步进电动机。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。2.3 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。步进电机控制系统的设
16、计63. 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，一般可以不用减速器而直接驱动负载。8. 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直
17、接使用交流电源和直流电源。2.4 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。2.4.1 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。在电机绕组回路中串有
18、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 2.3 所示：步进电机控制系统的设计7图2.3 单电压功率驱动接口电路图在图 2.4.1 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，所以这个电路损耗大，效率
19、低，一般只用于小功率步进电机的驱动。2.4.2 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 2.4 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，TH 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2.4 双电压功率驱动接口电路
