1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 步进电机细分驱动软件设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构 , 其在数控领域得到了广泛的应用。但是 , 步进电机在低速运行时振动、噪声大 , 在 其自然振荡频率附近运行时易产生共振 , 且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降 , 这些缺点限制了步进电机的应用范围。步进电机的性能在很大程度上取决于所用的驱动器 , 改善驱动器的性能 , 就可以显著地提高步进电机的性能 , 因此研制高性能的步进电机驱动器是一项受到普遍关注的课题。 本文介绍一种基
2、于 89C52 单片机的步进电机细分驱动器，该驱动器主要采用东芝公司生产的 TB6560 作为驱动芯片，并着重介绍其软件设计，主要说明了主控程序中的细分驱动程序、 LED 显示程序与键处理程序、串口程序，通过这些软件程序 单片机通过串口接 收 PC 机命令，发送一定量的方波信号，信号经过驱动器驱动步进电机，实现电机的细分驱动。 关键词： 步进电机，细分驱动，单片机，软件设计 II Software Design of Stepper Motor Division Drive Abstract Stepper motor is a kind of implementing agency whic
3、h converted electrical pulse signal to angular displacement. It has been widely applied in the field of NC. However, the stepper motor is vibration, noise, in its natural oscillation frequency near the resonance and easy operation, and the output torque of the stepper motor speed increases with the
4、decline in low speed, these shortcomings limit the stepper motors applications. Performance of the stepper motor is to a large extent depend on the drive, Drive performances improvements; can significantly improve the performance of the stepper motor. Therefore, development of high-performance stepp
5、er motor drive is a topic of universal concern. This paper describes a segmentation drive stepper motor which is based on 89C52 microcontroller. The drive is mainly used TB6560 which produced by Toshiba as the driver chips, with an emphasis on its software design, it mainly to explain the subdivisio
6、n of the master program drivers, LED display program and the key handler, serial program, PC-MCU through the serial port to receive commands, sending a certain amount of square wave signals, the signal driving through the drive motor, the Division Drive of the motor. Keywords: Stepper motor, subdivi
7、sion driver, microcontroller, software design III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源 . 1 1.2 课题的意义 . 3 1.3 步进电机细分驱动技术国内外发展现状 . 4 1.3.1 国外的研究现状 . 4 1.3.2 国内的研究现状 . 5 1.4 课题研究的主要内容 . 6 2 相关芯片及软件说明 . 8 2.1 单片机 AT89C52 简介 . 8 2.2 TB6560 驱动器介绍 . 11 2.3 ZLG7290 I2C 接口键盘及 LED 驱动器 . 13 2.4 Keil Vis
8、ion2 仿真软件软件的相关介绍 . 15 3 总体设计 . 17 3.1 硬件电路的总体设计 . 17 3.2 细分驱动软件的总体方案设计思路 . 18 3.3 具体程序流程图及代码 . 19 4 结论 . 23 4.1 取得成果 . 23 4.2 不完善之处 . 23 4.3 心得体会 . 23 参考文献 . 24 附录 . 25 附图 1. STC 开发板 7290 芯片原理图 . 25 附图 2. STC 开发板 89c52 芯片原理图 . 26 附录 . 27 致谢 . 错误 !未定义书签。 步进电机细分驱动软件设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 步进电机属于实用的典型的机电一体
9、化组件。它是一种将电脉冲信号转化为角位移或直线位移的执行机构。又可称脉冲电机或阶跃电机，国外常称为 Step motor、 Stepping motor、 Stepper motor 等等。步进电机问世 以后，很快确定了自己的应用领域，应用发展己有约 30 年的历史 1。 步进电机最早在 1920 年由英国人开发， 50 年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上。步进电动机的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关，产品按结构划分有磁阻式、永磁式和混合型等多种形式 2。 步进电动机多用于数控车床和机器人系统中。在现代工业，特别是航空、航天、电子等领域中，要求完成的工作量大，任务复杂，精度高，利
10、用人工操作不仅劳动强度大，生产效率低，且难以达到所要求的精度，还有一些工作环境是对人体健康有害的或人类无法到达的，这就需要 数控机床和机器人来完成这些工作。另外，在计算机外设和办公室自动化设备中也大量运用步进电机，如磁盘驱动、打印机、绘图仪和复印机等 3。 该步进电机 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 1-1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 步进电机细分驱动软件设计 2 图 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
11、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。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距
12、角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可 以提高控制精度。 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 1-2a、 b、c 所示 4： 步进电机细分驱动软件设计 3 图 1-2 步进电机工作时序波形图 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
13、，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。 虽然步进电机是一种数控元件，易于同数字电路接口。但是，一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机必须有与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。步进电机本体和步进电机驱动电路两者密不可分地组成步进电机系统。多年来随着电力电子技术、自动化控制技术以及计算机同通信技术的发展，步进电机系统尤其是其中的驱动电路部分也不 断地发展，国内外围绕步进电机驱动电路做大量的研究与开发 。 1.2 课题
14、的意义 步进电机作为数字式执行元件，具有成本低、易控制、定位方便和步距误差不长、期累计等优点，被广泛应用在数控装置、绘图机、机械手、印刷和包装设备等工业、军事和医疗自动化领域中。在多种步进电机中，混合式步进电机集反应式和永磁式步进电机的优点于一身，应用更加普遍。但是步进电机在应用中存在一些制约性的因素，步进电机及其系统表现出诸如低速平稳性差、高速快速响应能力差、效率低和能耗大等。步进电机多应用于开环控制的场合，对转子位置和角速度不做检测，较 容易在运行过程中产生失步和振荡。另外，步进电机细分驱动软件设计 4 步进电机不能简单地直接接到普通的交直流电源上运转，它需要专门的驱动控制器，步进电机和与
15、之配套的驱动控制器密不可分，在电机本体选定的情况下，驱动控制器的好坏很大程度上影响着整个系统的运行性能。 随着步进电机在数控机械、自动化领域中的应用越来越广泛，对小步距、低振动和低噪声的步进电机要求愈来愈迫切 5-7。 在步进电机中，定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子就转过一个步距角。每一个脉冲信号对应于绕组的通电状态改变一次，也就对应于转子转过一个步距角 7。对步进 电机加一系列连续不断的脉冲时，它可以连续不断的转动。当转子齿数一定时，转子的平均转速正比于脉冲的频率，转子转过的角度等于步距角与脉冲数量的乘积 9。 步距角是指每给一个电脉冲信号步进电机转子所转过的机械角度。步距角
16、公式 r)1(b Zm/360 (1-1) 式中 Zr为转子齿数； m1为运行拍数，通常等于定子相数或相数的整数倍，即 m1=km； m 为定子相数； k 为电机驱动方式。 由式 (1-1)看出，步距角的大小由电机自身参数 m、 Z，和电机驱动方式 k 决定， 受电机制造工艺的限制，靠增加 m 和 z，来减小步距角受到一定限制，此时必须通过增大 k 来获得更小的步距角。当步进电机工作于整步工作方式时， k=l；当步进电机工作于半步工作方式时， k=2；为了获得更大的 k，就必须采用细分控制方法。细分驱动技术可以大幅度减小步进电机的步距角，并且步距角越小，进入稳定区域越容易，这样就增加了电机运行
17、的平稳性，还可以减弱甚至消除电机的低频振荡和噪声，提高起动频率和高速下的转矩，同时也可以提高电机的定位分辨率和精度 10。 通过研制高性能的步进电机驱动控制器可以大大改善步进电机的运行性能 ，这对提高我国在这方面的科学技术水平起到了一定的促进作用，拓宽了步进电机的应用领域。因此，步进电机细分驱动的软件开发不仅有着重大的现实意义，而且具有极大的经济价值。 1.3 步进电机细分驱动技术国内外发展现状 1.3.1 国外的研究现状 近年来，伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步，发达国家已普遍使用性能优越的混合式步进电机。驱动技术采用恒相电流与细分驱动相结合，使步进电机在中、小功率控制系统
18、内的精度提高，并逐步向高速大功率应用领域渗透步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI 和 MINEBEA 及 NPM 公司等 11。 步进电机细分驱动软件设计 5 1.3.2 国内的研究现状 我国对步进电动机的研究从 1958 年开始， 70 年代以前受苏联的影响，以三相磁阻式步进电动机为主。 70 年代受到国内研制生产数控机床和其他数控设备的推动，并受到当时日本数控机床系统的影响，开始发展磁阻式步进电动机的系列产品，以定子 6 个极、转子 40 齿的三相磁阻式电动机为主，还有定子 10 个极、转子 100 齿的五相磁阻式电动机和四相电动机等。 1980
19、年代开始发展混合式步进电动机，以定子 8 极、转子 50 齿的二相 (四相 )混合式步进电动机为 主。 1987年开始自行设计定子 10 极、转子 50 齿的五相混合式步进电动机，同时还发展了一些不同于国外的非典型产品，如定子 8 极、转子 60 齿的二相 (四相 )混合式步进电动机。这是为了与磁阻式步进电动机的步距角相一致。经过多年的发展，我国步进电机形成一种品种规格繁多的局面，一是 70 年代形成的磁阻式步进电动机系列产品在低端应用仍有较多的市场，继续生产；二是混合式步进电机的系列产品，包括引进技术和生产设备，按照国外的设计生产的二相和五相混合式步进电机，以及国内自行开发生产的混合式步进电
20、动机，仍然拥有各自不同的应用领域 12。 步进电机驱动技术的发展十分迅速。我国步进电机的应用起步较早，但驱动技术的发展相对滞后，成为制约步进电机应用与发展的主要因素。 细分驱动的典型应用有数控机床的四轴联动改造。由于现有的机床只能进行三轴联动，而在生产中需要在圆锥面上加工凸轮运动曲线槽，通过工艺分析需要四轴联动的加工中心才能实现。而现有立式加工中心只能实现 x、 y、 z 三轴联动，配置高精度四轴联动系统机床的价格超出现有机床数倍，为此通过对现有机床的改造，利用回转工作台实现第四轴，采用步进电机的细分技术实现高精度控制，可满足用户精度的要求。近年来 ，对于不同类型和相数的步进电机采取不同的细分
21、电流控制策略是研究的一大热点。如有关资料指出，对于两相双极型混合式步进电机，采用正余弦形的驱动电流较为理想，而对于反应式步进电机一般采用谐波较少的阶梯型驱动电流较为理想 13。 细分驱动在喷膜机中也有应用，采用 8052 微处理机 , 具有 8 K字节的 ROM , 256 字节的 RAM。 8 位 DA 转换器 AD7524 通过锁存器与单片机的数据线相连 ,构成步进电机的脉冲信号发生器，用来驱动步进电机。我们采用软件的方法实现脉冲分配器。将电机四细分驱动脉冲数据存储在内存 中。当电机逆时针方向运转时 , 自上而下走表索取控制量 ; 当电机顺时针方向运转时 , 自下而上走表索取控制量 , 这
22、样就可以控制电机上的电流的大小。其中控制量的最高位是方向控制信号 , 低 7 位存储电机脉冲信号的大小 14。 步进电机细分驱动软件设计 6 1.4 课题研究的主要内容 步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场成为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此， 要实现对步进电机的恒转矩均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，而且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀。 以两相步
23、进电机的整步驱动方式为例，介绍一下驱动过程。该电机有 A、B 两相绕组，其中用 C 表示 A 通反向电流时的磁场 A，用 D 表示 B 通反向电流时的磁场 B。当分别给各相绕组通电时，各相绕组产生的旋转磁场如下：仅有 A 相导通时，旋转磁场指向 A；仅有 B 相导通时，旋转磁场指向 B；仅有 C相导通时，旋转磁场指向 C；仅有 D 相导通时，旋转磁场指向 D。依次为各相绕组通电，每切换一次， 旋转磁场矢量转过 90。，电机转过一个步距角。当旋转磁场矢量转过 360 度时，电机转过一个齿距，这种工作方式称为整步工作。如果改变上述加电过程，采用四相八拍工作，即通电顺序依次如图 1-3 所示。 图 1-3 换向顺序图 此工作方式称半步工作，电流状态如图 1-4 所示。每改变一次通电状态，旋转磁场的矢量转过 45。 。 同理， 当 旋转磁场转过 3600。 ，电机转过一个齿距。由半步原理给予启发，如果 让旋转磁场矢量每次转过 12.25。 ，这样就实现了八细分驱动。其电流状态如图 1-5 所示。 A AB C B BC CD D DA
