1、 中北大学信息商务学院 2011 届毕业设计说明书 第 1 页 共 26 页 1 引言 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 1。 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
2、机械、电机、电子及计算机等许多专业 知识 。 步进电动机有如下特点： 1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。 2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠，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。 3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 4）速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。 5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运 行，不能直接使用交流电源和直流电源。 6）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。
3、 国内控制器的研究起步较晚，运动控制技术为一门多学科交叉的技术，是一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领域。如电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等，运动控制技术是这些技术的有机结合体。总体上来说，国内研究取得很大的进步，但无论从控制器还是从控制软件上来看，与国外相比还是具有一定差距 2。 而目前国内已有的步进电机驱动器，一般采用高低压驱 动方式或者调频调压驱动方式，这些驱动电路仅可实现基本步距的运行，电路构成复杂，而且多由分立元件组成，可靠性不高 ,还存在运行速度低、缺乏保护电路、驱动效率低和发热损耗大等缺点。随着微电子技术的发展，
4、出现了集成化的驱动电路，但由于我国在电子材料与元器件、系统集成中北大学信息商务学院 2011 届毕业设计说明书 第 2 页 共 26 页 技术等基础工业水平和相关前沿领域与国际水平差距较大，所以步进电机驱动芯片主要依靠进口。而且，现有的许多步进电机驱动芯片，大多仅提供整步、半步控制选择，步进电机的运行性能并没有太大的提高。而且 价格也比较贵。 本文主要 介绍了步进电机以及其控制驱动电路的研究现 状与发展趋势，研究了一种用单片机制作的步进电机的控制驱动电路，使其能够进行速度和正反转控制，经实验证明效果良好且可以驱动不同功率的步进电机。电路结构简单，成本也非常低，有较好的应用价值 4。 1.1 课
5、题研究的背景和意义 步进电机最早是在 1920 年由英国人所开发。 1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的 机械 系统中 1。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。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。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
6、国民 经济 领域 都有应用 5。 步进 电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。 步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度 3。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态 4。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位
7、等 特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。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 8。 本设计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中北大学信息商务学院 2011 届毕业设计说明书 第 3 页 共 26 页 动。 1.2 本课题的研究现状 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、
8、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。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。在本设计方案 中采用 AT89C51 型单片机内部的定时器改变 CP 脉冲的频率从而实现对步进电机的转速
9、进行控制，实现电机调速与正反转的功能。 目前，布进电机在工业控制生产以及仪器上应用十分广泛。通常都要对一些机械部件平移和转动，对移动的位移和角度控制要求较高，一般的电机很难实现对位置和角度的精确控制，在一些智能化要求较高的场合，用模拟芯片控制器及信号发生器来控制有一定的局限性。而用单片机控制步进电机可以改善性能，步进电机能实现精确的角度和转数，具有良好的步进特性，最适合数字控制。在工控设备中得到了广泛的应用。而单片机具有芯片体 积小，兼容性强，低电压，低功耗等特点，使单片机成为驱动布进电机的最佳单元，所以单片机控制步进电机系统控制精度高，运行稳定，得以广泛应用 10。 中北大学信息商务学院 2
10、011 届毕业设计说明书 第 4 页 共 26 页 2 步进电机简介 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 得 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
11、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 23。 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 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-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
12、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 /（ 50*4） =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。 中北大学信息商务学院 2011 届毕业设计说明书 第 5 页 共 26 页 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
13、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 12。 （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
14、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180-250pps 之间（步距角 1.8 度）或
15、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 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA 时 为 正 转 ， 通 电 时 序 为中北大学信息商务学院 2011 届毕业设计说明书 第 6 页 共 26 页 DA-D-CD-C-BC-B-AB-A 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
16、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
17、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 15。 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
18、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 2.1.1 是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 中北大学信息商务学院 2011 届毕业设计说明书 第 7 页 共 26 页 图 2.1.1 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、
19、 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 2.1.2 所示： 脉冲A 相B 相C 相D 相 图 2.1.2 步进电机工作时序波形图
20、 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，利中北大学信息商务学院 2011 届毕业设计说明书 第 8 页 共 26 页 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
21、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
22、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
23、，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 2-3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/60 P=2nM/60 （ 1） 中北大学信息商务学院 2011 届毕业设计说明书 第 9 页 共 26 页 其 P 为功率单位为瓦， 为每秒角速度，单位
24、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） （ 2） 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
25、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 24。 中北大学信息商务学院 2011 届毕业设计说明
26、书 第 10 页 共 26 页 3 单片机简介 3.1 单片机概述 单片机（ single-chip microcomputer）是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。 3.1.1 AT89C205151 简介 89C2051 是由 ATMEL 公司推出的一种 小型单片机。 95 年出现在中国市场。其主要特点为采用 Flash 存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与 MCS-
27、51 完全兼容，可以很快被中国广大用户接受，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。 1 引脚 89C2051 共有 20 条引脚，详见图 3.1 从图中可见， 2051 继承了 8031 最重要引脚： P1 口共 8 脚，准双向端口。 P3.0 P3.6 共 7脚，准双向端口，并且保留了全部的 P3 的第二功能，如 P3.0、 P3.1的串行通讯功能， P3.2、 P3.3 的中断输入功能， P3.4、 P3.5 的定时器输入 功能。 在引脚的驱动能力上面， 89C2051 具有很强的下拉能力， P1,P3 口的下拉能力均可达到 20mA.相比之下， 89C51/87C51 的端口下拉能力每脚最大为 15mA。但是限定 9 脚电流之和小于 71mA.这样，引脚的平均电流只 9mA。 89C2051 驱动能力的增强，使得它可以直接驱动 LED 数码管。 为了增加对模拟量的输入功能， 2051 在内部构造了一个模拟信号比较器，其输入端连到 P1.0 和 P1.1 口，比较结果存入 P3.6 对应寄存器，（ P3.6 在 2051 外部无引脚）对于一些不大复杂的控制电路我们 就可以增加少量元件来实现，例如，对步进电机的控制，过压的控制等。
