基于单片机系统的步进电机驱动设计湖北理工.docx
《基于单片机系统的步进电机驱动设计湖北理工.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机系统的步进电机驱动设计湖北理工.docx（46页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于单片机系统的步进电机驱动设计湖北理工
摘要
为了减小步距角,提高分辨率,增加步进电动机运行的平稳性,提出了细分驱动的解决方案；采用线性与正弦相叠加的电流细分方案，以高速、高性能C8051F020单片机为核心，结合步进电机驱动芯片L297／298，设计出步进电机的驱动控制系统。
此驱动系统的电路结构简单，由于步进电机运行所需的步进脉冲主要由L297产生的，大大降低了MCU与程序设计的负担。
实际运行表明，步进电机运行稳定，具有步距角小、转矩恒定、功耗低等优点，提高了定位准确度，达到精密控制的目的。
关键字：
步进电机；C8051F020；驱动控制
ABSTRACT
Inordertoimproveresolutionofstepmotorcontrolsystemandeliminatethemechanicalresonancecausedbylowfrequentstepmotorcontrolsystembasedonmicro-steptechnologywaspresented.ByapplyinglinearityaddingsinmicrocurrentstepmethodwithhighspeedandperformancemicroprocessorC8051F020asthekernel，combiningwithblendingstepmotordrivingchipL297／298，thedrivingcontrolsystemofstepmotorofswitch-modeandconstantcurrentwasdesigned.Thecircuitdiagramofthecontrolsystemissimply,duetothesteppulseforthestepmotorrundemandwasproducebyL297,reducetheburdenofMCUandprogrammer.Theexperimentshowsthatthecontrolsystemrunsstablywiththemeritoflittlesteppingangleunvariedtorqueandlowpowerconsumptionandhasthehigherprecisionintherunningofstepmotor.
Keywords:
Stepmotor；C8051F020；Drivecontrol
第一章前言
1.1课题背景
在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着至关重要的作用。
无论是在工农业生产还是在日常生活中，都大量使用着各种各样的电动机。
电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁化技术、自动控制技术微机应用技术的最新发展成就。
图1-1步进电动机
步进电机作为数字式执行元件，是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置。
步进电机每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。
因此，步进电机又称作脉冲马达。
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。
步进电机具有结构简单，转子惯量底，定位精度高，无累积误差，计算机接口方便，控制简单等特点。
实际操作时不受电源电压，负载，环境，温度的影响能够实现快速启动、制动和反转。
步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。
步进电机作为控制执行元件，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和精密机械等领域。
随着数字技术和计算机的发展，研究步进电机驱动电路，使步进电机的控制更加简便，灵活和智能化，使其应用更加广泛。
上个世纪就出现了步进电动机，步进电机的发展除了在加工工艺和精度上有变化，主要是在步时电机的控制和驱动上的发展。
针对步机电机的性能优化主要在两个方向，一是使步机电机具有良好的加减速过程，保证其在较高运行频率的加减速过程中不失步不过冲；二是运用步进电机的细分技术，保证步进电机具有良好的精度和运行的平稳度。
随着微处理机技术的发展，在这两个方向的研究和应用越来越广泛。
为此，本文设计了一段步进电机驱动程序，可以实现对步进电机转动速度，转动方向。
1.2步进电机的发展概况
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。
目前，生产步进电机的厂家的确不少，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。
鉴于上述情况，本文决定以四相混合式步进电机为例叙述其基本工作原理及设计简单的驱动程序。
望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
1.3步进电机的驱动技术
步进电机驱动技术的发展十分迅速。
我国步进电机应用起步较早，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。
最早应用的但电压串电阻等驱动方式，驱动电路中分立元件多，可靠性差，各厂家的技术规范和生产工艺等难以达到统一的标准，已逐渐被淘汰。
近代步进电机的驱动技术的主流是电流型。
常规的控制技术仅对绕组的电流进行通断控制，在转子齿数一定的条件下，增加相数才能提高电机的分辨率。
运用电流波形技术可方便地实现步进电机细分驱动。
步进电机的细分驱动技术，从20世纪70年代开始研究，逐步发展到90年代完全成熟。
我国的细分驱动技术的研究，起步时与国外相差无几。
细分驱动技术的广泛应用，使得电机的相数不受步距角的限制，为产品设计带来方便。
目前步进电机的驱动技术上，采用斩波恒流驱动、细分驱动以及最佳升降频控制，大大提高步进电机运行的快速性和运转精度，使步进电机在中、小功率应用领域向高速且精密化的方向发展。
在驱动电路中，目前较普遍采用的功率场效应管（MOSFET），与现采用的大功率晶体管（GTR）相比有很多优点。
性能更加优越的绝缘栅晶体管（IGBT）也已应用于高速型及较大功率的步进电机驱动电路中。
而把IGBT驱动电路及保护电路都集成在一起的智能IGBT模块具有结构简单、性能稳定及运行可靠等优点，目前已开始应用于中、小功率的步进电机的驱动。
1.4步进电机的细分技术
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。
步进电机细分驱动技术是70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。
1975年美国学者T.R.Fredriksen首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法[2]。
在其后的二十多年里,步进电机细分驱动技术得到了很大的发展,并在实践中得到广泛的应用。
实践证明,步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角,提高电机运行的平稳性,增加控制的灵活性等。
步进电机的步距角公式
（1-1）
式中Zr为齿数N为拍数
由式（1-1）看出，步距角的大小由电机自身参数Zr，N决定，受电机制造工艺限制，靠增加Zr和N来减小步距角收到一定的限制，此时必须通过改变电机驱动方式来获得更小的步距角。
步进电机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，进入稳定区越容易，这样就增加了电机运行的平稳性，还可以减弱甚至消除电机的低频振荡和噪声，提高启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与精度。
1.5课题主要内容
本课题将分析步进电机的工作原理，并简单介绍其各种驱动方式。
最后使用单片机以软件方式配合有关芯片和电路元件驱动步进电机，通过C语言编程方法，对步进电机的转速、转动方向等进行控制使其在一定范围下运行，方便灵活地控制步进电机的运行状态，以简单的对步进电机的工作方式进行个性化制作，以满足不同用户的要求。
中间对可能发生的问题进行论述，并提出解决方法。
最后对所完成的电路图进行分析。
第二章基于单片机的四相步进电机驱动系统
2.1步进电机的分类、选择、结构特点和工作原理
2.1.1步进电机的基本参数
电机固有步距角：
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°整步工作时为1.8°）这个步距角可以称之为“电机固有步距角”它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
步进电机的相数：
是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。
在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。
如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
保持转矩：
是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。
比如，当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
2.1.2步进电机的结构特点
图2-1混合式步进电动机的结构示意图
混合式步进电机既有反应是步进电机的高分辨率，每转步数比较多的特点；又有永磁式步进电机的高效率，绕组电感比较小的特点。
从结构上看，它通常有多相绕组，它的定转子上开有很多齿槽，类似反应式步进电机。
转子上有永磁铁产生的轴向磁场，这与永磁式步进电机相似。
混合式步进电机也称为永磁感应式步进电机，即可作同步电机进行速度控制，也可以做步进电机进行位置开环控制。
混合式步进电机的典型结构如图2-1所示，它主要由定子和转子两部分组成。
定子被分成若干个磁极，每个磁极上饶有励磁线圈，磁极末端有均匀的小齿。
磁极线圈能以两个方向通电，对于四相混合式步进电机就形成A相和A'相，B相与B'相，C相与C'相，D相与D'相。
转子由两段铁心及环形永久磁钢组成，两段铁心装在环形永久磁钢的两端，并且每段铁心的圆周上都均匀分布有一定数量的小齿，两段铁心的小齿相互错开半个齿距，且小齿的齿距与定子的齿距相同。
环形永久磁钢轴向充慈，使得同一段铁心上的小齿都具有相同极性，而两块不同段铁心上的齿的极性相反。
2.1.3步进电机的分类和选择
目前常用的有三种步进电动机：
1．反应式步进电动机（VR）。
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。
2．永磁式步进电动机（PM）。
永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。
3．混合式步进电动机（HB）。
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。
它有时也称作永磁感应子式步进电动机。
综合步进电机的以上参数特点以及各种步进电机的优缺点，本课题将选用四相混合式（感应子式）步进电机
2.1.4混合式步进电机的基本工作原理
混合式混合适步进电机的气隙磁动势由两部分组成：
一是由永久磁铁产生的磁动势；二是由定子绕组产生的磁动势。
在每一个具体的磁极下，这种磁动势有时相加，有时相减，随交流绕组中通电的的电流方向变化。
图2-2四相步进电机工作示意图
如图2-2是四相步进电机工作示意图。
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。
图2-2A相通电时的转子稳定平衡位置
图2-3转子偏右位置作用转矩方向
四相混合式步进电机可以在不同的通电方式下运行。
当一相通电，例如当A相绕组通电时，转子的稳定平衡位置如图2-3所示。
定子的半数磁极上有作用磁势，即“1”-“3”-“5”-“7”极，它们的极性为N-S-N-S。
如图2-2所示的电机，每相邻两个定子磁极之间的齿距数为50/8=6+1/4若使转子偏离这一位置，如转子向右偏离了一个角度，则定转子齿的相对位置及作用转矩的力矩方向如图2-4所示。
可以看出，在不同端不同磁极的作用转矩都是同方向的都是使转子回到稳定平衡位置的方向，这是由于在电机两端，定子极性相同，转子极性相反，但相互错卡了1/4齿距，所以当转子偏离稳定平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。
同时可以清楚地看到，混合式步进电机的稳定平衡位置是：
定转子的极性的极下磁导最大，而同极性的极下磁导最小。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍（A-B-C-D-A-……）、双四拍（AB-BC-CD-DA-AB-……）、八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-……）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2-4a、b、c所示：
a.单四拍b.双四拍c八拍
图2-4步进电机工作时序波形图
2.1.5步进电机的型号选择
考虑到实验室材料和驱动功率大小等实际条件，以及连线的方便与否。
最终选择型号为28YBJ-48的四相五线减速步进电机，如右图所示，步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V—DC12V。
图2-5步进电动机实物图
28BYJ48的主要技术参数如下表：
电机
型号
电压V
相数
相电阻Ω
±10%
步距角度
减速比
起动转矩100P.P.S
g.cm
起动频率P.P.S
定位转矩g.cm
噪声
dB
28BYJ48
5
4
300
5.625/64
1：
64
≥300
≥550
≥300
≤35
2.2C8051F020单片机
2.2.1C8051F020功能特点
C8051F020完全集成的混合式信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚。
C8051F020使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核，它与MCS一51指令系统完全兼容，可以使用用标准的ASM一51、C高级语言等开发编译程序，且CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间8/4个字节宽的I/O端口。
CIP-51内核采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。
图2-6C8051F020原理框图
C8051F020功耗低，供电电压为2.7～3.6V，典型工作电流10mA，并具有多种节电休眠和停机模式，全部I／0、RST、JTAG引脚均允许5V电压输人，该芯片在程序运行时可实现内／外部时钟的切换，这在低功耗应用系统中非常实用。
C8051F020MCU对CIP-51内核和外设进行了关键性改进，提高了整体性能。
扩展中断系统向CIP-51提供22个中断源,允许大量的模拟和数字外设中断控制器。
如图2-6所示：
C8051F005中单片机内含真正8路12位、10位或8位多通道输人ADC，带PGA和模拟多路开关；2路12位DAC（输出0～2.5V的电压信号），具有可编程数据更新方式；2路电压比较器、电压基准和可编程增益放大器，它内置温度传感器（±30℃），并具有5个捕捉／比较模块的可编程计数器／定时器阵列（PCA）、5个通用16位定时器和64个数字端口I／O。
该单片机带有IC／SMBIxs、SPI、UART串行总线接口以及364kFlash存储器和2304字节数据RAM，同时还具有片内电源监测、片内看门狗定时器及片内时钟源，C8051F020还在内部增加了复位源，从而大大提高了系统的可靠性。
2.2.2单片机最小系统介绍
12位电压输出DAC
每片C8051F020中都有两个片内12为dac。
输出电压为0V到（VREF-1LSB），对应输入码为０Ｘ０００到０ＸＦＦＦ。
可以通过编写对应的寄存器来控制ＤＡ转换的进行。
每个ＤＡＣ都具有灵活的输出更新机制，允许无缝的满度变化并支持无抖动输出更新，适合用于波形发生器应用，原理图如图2-7所示。
图2-7DAC功能框图
C8051F020的DAC的输出更新可以用定时器溢出事件触发。
这一特点在用DAC产生一个固定采样频率的波形时尤其有用，可以消除中断响应时间不同和指令执行时间不同对DAC输出时序的影响。
在使用ＤＡＣ转换时要先进行基准电压设置电压基准电路为控制ADC和DAC模块工作提供了灵活性。
有三个电压基准输入引脚，允许每个ADC和两个DAC使用外部电压基准或片内电压基准输出。
通过配置VREF模拟开关，ADC0还可以使用DAC0的输出作为内部基准，ADC1可以使用模拟电源电压作为基准。
定时器２与定时器４
020内部的定时器２是一个16位的计数器/定时器，由两个8位的SFR组成：
TL2（低字节）和TH2（高字节）。
与定时器0和定时器1一样，它既可以使用系统时钟也可以使用一个外部输入引脚（T2）上的状态变化作为时钟源。
计数器/定时器选择位C/T2（T2CON.1）选择定时器2的时钟源。
清除C/T2将选择系统时钟作为定时器的输入（由CKCON中的定时器时钟选择位T2M指定不分频或12分频）。
当C/T2被置‘1’时，T2输入引脚上的负跳变使计数器/定时器寄存器加1。
定时器2还可用于启动ADC数据转换。
定时器2提供了定时器0和定时器1所不具备的功能。
它有三种工作方式：
带捕捉的16位计数器/定时器、自动重装载的16位计数器/定时器和波特率发生器方式。
通过设置定时器2控制（T2CON）寄存器中的配置位来选择定时器2的工作方式。
下面是定时器2工作方式和用于配置计数器/定时器的配置位的一览表：
定时器４时020新扩展的定时器／计数器，其功能原理与定时器２完全相同。
端口输入／输出
MCU是高集成度的混合信号片上系统，有按8位端口组织的64个数字I/O引脚（C8051F020/2）或32个数字I/O引脚（C8051F021/3）。
低端口（P0、P1、P2和P3）既可以按位寻址也可以按字节寻址。
高端口（P4、P5、P6和P7）只
图2-8端口I/O单元原理框图
能按字节寻址。
所有引脚都耐5V电压，都可以被配置为漏极开路或推挽输出方式和弱上拉。
端口I/O单元的原理框图示于图2-8。
串口通信
本系统的人机接口是基于串口通信的。
利用C8051F020单片机的两个串口模块，本文应用的是串口UART0。
从而实现PC机对驱动系统的控制。
UART0是一个具有帧错误检测和地址识别硬件的增强型串行口。
UART0可以工作在全双工异步方式或半双工同步方式，并且支持多处理器通信。
接收数据被暂存于一个保持寄存器中，这就允许UART0在软件尚未读取前一个数据字节的情况下开始接收第二个输入数据字节。
一个接收覆盖位用于指示新的接收数据已被锁存到接收缓冲器而前一个接收数据尚未被读取。
对UART0的控制和访问是通过相关的特殊功能寄存器即串行控制寄存器（SCON0）和串行数据缓冲器（SBUF0）来实现的。
一个SBUF0地址可以访问发送寄存器和接收寄存器。
读操作将自动访问接收寄存器，而写操作自动访问发送寄存器。
UART0可以工作在查询或中断方式。
UART0有两个中断源：
一个发送中断标志TI0（SCON0.1）（数据字节发送结束时置位）和一个接收中断标志RI0（SCON0.0）（接收完一个数据字节后置位）。
当CPU转向中断服务程序时硬件不清除UART0中断标志，中断标志必须用软件清除。
这就允许软件查询UART0中断的原因（发送完成或接收完成）
表2-1定时器的工作方式
。
图2-9UART0原理框图
表2-2UARTO四种工作方式
UART0提供四种工作方式（一种同步方式和三种异步方式），通过设置SCON0寄存器中的配置位选择。
这四种方式提供不同的波特率和通信协议。
下面的表2-2概述了这四种方式。
方式
同步性
波特率时钟
数据位
起始/停止位
0
同步
SYSCLK/12
8
无
1
异步
定时器1或定时器2溢出
8
一个起始位，一个停止位
2
异步
SYSCLK/32或SYSCLK/64
9
一个起始位，一个停止位
3
异步
定时器1或定时器2溢出
9
一个起始位，一个停止位
2.3Ｌ２９７／Ｌ２９８功能介绍
Ｌ２９７
图2-10L297内部斩波电路图
L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器，适用于双极性两相步进电机或单极性四相步进电机的控制，它由两个PWM斩波器来控制相绕组电流，实现恒流斩波控制以获得良好的转矩一频率特性，每个斩波器由一个比较器、一个RS触发器和外接采样电阻组成，并设有一个公用振荡器，向两个斩波器提供触发脉冲信号，如图2-10所示，频率，是由外接16脚OSC的RC网络决定的，当时钟振荡器脉冲使触发器置电机绕组相电流上升，采样电阻的RS电压上升到基准电压时，比较器翻转，使触发器复位，功率晶体管关断，电流下降，等待下一个振荡脉冲的到来。
这样触发器输出的是恒频PWM信号，调制L297的输出信号，绕组相电流峰值由Vref确定。
Ｌ２９８
L298是内含两个H桥的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动电压46V、每相2．5A及以下的步进电机。
每个桥都具有一个使能输人端，在不受输人信号影响的情况下允许或禁止器件工作，每个桥的两个桥臂低端三极管的发射极接在一起并引出，用以外接检测电阻。
它设置了一附加电源输人端，使逻辑部分在低电压下工作。
用L297输出信号可控制L298双H桥驱动集成电路，用来驱动电压为46V、每相电流为2．5A以下的步进电动机。
L297也可用来控制由达林顿晶体管组成的分立电路，驱动更高电压、更大电流的步进电动机，此器件的特性是只需要时钟、方向和模式输人信号，相位是由内部产生的，因此可减轻微处理机和程序设计的负担。
2.4 步进电机的细分及其电流最佳设计
2.4.1 细分原理
步进电机的运行需要各相电流满足一定的时序要求，而电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关，如果绕组中电流不再是方波，而是一个分成n个台阶的近似阶梯波，电机每运行一个阶梯即转动一步。
当转动n小步时，实际上相当于转过一个步距角，这就是所谓的细分。
以二相步进电机为例：
式（2-1）、式（2-2）为A、B相电流公式，式（2-3）、式（2-
升级会员 