1、毕业论文 - 1 - 闽西 职业技术学院 毕业设计（论文） 基于单片机的步进电机的控制 范仲发 系 别： 电气工程系 年 级： 2011级 专 业： 电气自动化技术 指导老师： 李吉祥 答辩日期： 2014.01.11 毕业论文 - 2 - 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
2、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 毕业论文 - 3 - 目 录 第一章 绪
3、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 本文研 究内容 . 2 第二章 步进电机的分类、结构、工作原理及特性 . 2 2.1 步进电机的概念 . 2 2.2 步进电机的特点 . 3 2.3 步进电机的结构及工作原理 . 3 2.4 步进电机的常用术语 . 5 2.5 步进电机的振荡和失步 . 5 2.6 阻尼方法 . 6 第三章 步进电机的驱动 . 7 3.1 单电压功率驱动接口 . 7 3.2 双电压功率驱动接口 . 8 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 . 10 4.1 步进电机控制系统组成 .
4、10 4.2 步进电机控制系统原理 . 10 4.3 脉冲分配 . 11 4.4 步进电机与微型机的接口电路 . 13 第五章 步进电机的运行控制 . 14 5.1 步进电机的速度控制 . 14 5.2 步进电机的位置控制 . 14 5.3 步进电机的加减速控制 . 15 第六章 步进电机的 程序设计 . 错误 !未定义书签。 6.1 程序框图 . 16 6.2 汇编程序 . 18 设计总结 . 20 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 22 毕业论文 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
5、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永磁材料的发展，
6、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。 图 1.1 步进电机的外观图 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
7、、北毕业论文 2 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
8、确不少，但具有专业技术人员，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。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 的启停 控制 ，正反转控制和 加减
9、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 。 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，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
10、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。 毕业论文 3 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， 有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏
11、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，一般可以不用减速器而直接驱动负载。 8. 步进电机只
12、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
13、,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 毕业论文 4 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 A 相通电， B， C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐
14、，（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，如果不断地按 A，B， C， A 通电，电机就每步（每脉冲） 1/3,
15、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-BC C-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。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
16、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 毕业论文 5 相电流 小 较大 最大 高频性能 差 较好 较好 转矩 小 中 大 电磁阻尼 小 较大 较大 振荡 容易 较 容易 不容易 功耗 小 大 中 由
17、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 ) 3. 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
18、，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
19、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。 毕业论文 6 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
20、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
21、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
22、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。 毕业论文 7 1. 多相励磁法： 采用多相励磁会产生电磁阻尼，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
23、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。 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
24、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：
