混合步进电机驱动控制系统设计.docx

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混合步进电机驱动控制系统设计

重庆科技学院

毕业设计（论文）

题目混合步进电机驱动控制系统设计

姓名___张伟__学号_2004630899

院（系）电子信息工程学院_专业班级_自动化本科2004级

指导教师_常继彬职称__讲师__

评阅人__李鹏飞_职称___副教授

2008年6月10日

重庆科技学院

毕业设计（论文）

题目混合步进电机驱动控制系统设计

姓名张伟学号2004630899

院（系）电子信息工程学院专业班级自动化本科2004级

指导教师常继彬职称讲师

评阅教师职称

2008年6月10日

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2）附件

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学生毕业设计（论文）原创性声明

本人以信誉声明：

所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，论文（设计）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。

与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业设计（论文）作者（签字）：

签字日期年月日

重庆科技学院本科生毕业设计（论文）

混合步进电机驱动控制系统设计

学生姓名：

张伟

指导老师：

常继彬讲师

专业：

自动化本科2004级

院（系）：

电子信息工程学院

2008年6月10日

摘要

步进电机作为一种数字伺服执行元件，具有结构简单，运行可靠，控制方便，控制性能好等优点，因此在数控机床、机器人、自动化仪表等领域有着日益广泛的应用。

对于那些以低廉的开发成本，快速的开发过程，简单的系统维护为主要设计目的，而对系统的运算速度要求不高的工程项目，独立式运动控制系统是最理想的选择。

为了使步进电机在转速和负载变化的情况下不失步或过冲地运行，并保持最快响应速度，就需要对其进行动态的升降速控制。

本课题是以五相混合式步进电动机运行特性为出发点，开发出以AT89C51为核心的控制器的步进电机驱动控制系统，它可以驱动两相、三相及五相混合式步进电动机。

本系统应具有实时显示的功能，以使用户能过直观的得到电机当下的运行状态，这主要是通过LED来实现的。

一个完备的驱动控制系统应具有较好的保护功能，以提高系统的可靠性。

本系统在实现应有功能的基础之上还应具有过流保护功能；另外为了防止程序跑飞，本系统还设计了看门狗电路。

关键词：

混合步进电机AT89C51单片机驱动控制看门狗

ABSTRACT

Asadigitalservoexecutionelement,steppingmotorisreliable,easytobecontrolledandbeingofsimplestructureandexcellentperformance.IthasbeenwidelyusedinNCmachinetools,robots,automationinstrumentsandotherfields.Independencymotioncontrollermightbethebestchoiceasadigitalservoexecutionelement,steppingmotorisreliable,easytobecontrolledandbeingofsimplestructureandexcellentperformance.IthasbeenwidelyusedinNCmachinetools,robots,automationinstrumentsandotherfieforthoseprojects,whichshouldbeeconomic,quicktobedeveloped,andofeasymaintenancewhiletheydon’thavetobeofhighoperationspeed.

Inordernottoloseastepunderavaryingspeedandavaryingload,adynamicspeedcontrolisneededtogetthefastestresponse.Thisissueisthefive-phasehybridsteppingmotorrunningcharacteristicsasthestartingpoint,todevelopAT89C51controlleratthecoreofthesteppermotor-drivencontrolsystem,itcandrivetwo-phase,three-phaseandfive-phasehybridsteppingmotor.Thesystemshouldhaveareal-timedisplayfeaturestoenableuserstogetavisualoftheelectricalcurrentrunning,throughtheLEDtoachievemainly.Drivingacomprehensivecontrolsystemshouldhaveabetterprotection,toenhancethereliabilityofthesystem.Thissystemshouldfunctionintheachievementandalsoshouldbeonthebasisofovercurrentprotectionfunctions;procedurestopreventanotherruntofly,thesystemdesignedWatchdogcircuitalso.

Keywords:

HybridSteppingmotor;AT89C51;DrivingandControl;Watchdog

1绪论

1.1研究背景

早在十九世纪三十年代就出现了步进电动机，那时候的步进电动机实际上是一种可以自由回转的电磁铁，工作原理同今天的反应式步进电动机没有什么区别。

到上世纪初，由于战争的需要，造船工业发展迅猛。

在上世纪二十年代到三十年代间，一些杂志先后刊登了一些步进电动机在航海技术方面应用的文章，介绍了步进电动机的设计和计算方法。

直到上世纪三十年代初这些理论才被真正用于指导步进电动机的设计与生产，但由于其性能不能满足速度不断提高的舰船的要求，使得这项技术徘徊了数十年之久，一度几乎被废弃。

后来由于无触点式电子关元器件的出现，解决了步进电动机励磁绕组快速换向的问题，所以在上世纪中期，步进电动机又重新崛起。

1952年，美国麻省理工学院首先研制成三座标数控铣床。

数控机床的出现提高了生产效率，推动了机械制造业的发展，对于采用哪种类型的电机作为进给机构的驱动元件一直是争论的焦点，经过理论分析和现场试验，发现使用步进电动机作为进给机构的驱动元件是较理想的选择，这一应用使得步进电动机的使用范围更加广泛。

我国对步进电动机的研制及应用起步不算太晚，早在1958年，我国的一些科研院所就研制成功了反应式步进电动机，并开始应用到数控机床中。

进入上世纪六十年代中期，结构新颖的步进电动机相继问世，为了降低电机功耗以及提高效率，人们发明了永磁式和反应式步进电动机。

到上世纪七十年代，步进电动机的生产进入了全盛时期，其产量每年都已11%的指数递增。

到目前为止，步进电动机已被广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外围设备、绘图仪、电子手表等多方面。

由以上叙述可见混合式步进电机是产生在反应式步进电动机之后，是为了降低电机的功耗，它是在永磁感应子式低速同步电动机的基础上发展起来的，它既具有磁阻式步进电动机基于气隙磁导变化的特征，又具有径向恒定磁场的永磁式步进电动机的特征。

到现在为止，混合式步进电机己经成为了办公自动化和工业自动化应用场合的主流之一，迅速发展形成规模生产，同时它的性能指标不断提高，逐渐取代了变磁阻型以及永磁式步进电动机。

1.2选题意义

上面简要叙述了步进电动机的发展过程，下面在叙述其优越性的基础之上引出该项目的选题意义。

步进电动机与一般电动机不同，它的角位移量或直线位移量正比于电脉冲数，而其线速度或转速则正比于脉冲频率。

并且在负载能力范围内不会因电源电压、负载、环境条件的波动而变化。

另外步进电动机还可以在宽广的范围内，通过改变脉冲频率来调速，能够快速起动、反转和制动，并且步进电动机还有一定的自锁功能。

步进电动机的上述特点，使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统，既具较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠的工作。

这些优点使得步进电动机在庞大的电机家族中占有不可替代的位置。

而混合式步进电动机的设计方法使得它就好像是反应式和永磁式步进电动机的结合，可以像反应式一样的小步距，也具有永磁式控制功率小、绕组电感比较小的特点。

目前广为使用的是两相混合式步进电动机，它的典型结构是定子8个极，转子齿数为50个，步距角为1.8度。

它是上世纪60年代的美国专利，70年代初因应用于计算机外设，且专利保护的取消而迅速发展，但因其步距角较大，特别是低频时有较严重的振动和噪声，所以仅适用于简单的，对精度要求不高应用场合。

1973年德国BERGERLAHR公司发明了五相混合式步进电机，比起两相电动机来其运行性能有显著的提高，主要表现为：

（1）分辨率提高；

（2）起动停止频率提高；（3）运行频域增宽；（4）振荡的趋势减弱；（5）定位转矩减小。

可见，五相混合式步进电机性能优越、值得推广、是很有发展前景的混合式步进电动机。

步进电动机的特殊工作原理使得它不能简单的直接接到普通的交流或直流电源上运转，而需要专门的驱动器，也就是说步进电动机与它的驱动器是一个不分割的整体，步进电动机运动控制系统的性能除受到电机本体影响之外，在很大程度上还受到了驱动器性能的限制。

一个好的控制器可以使步进电动机控制更灵活，在很大程度上改善其运行性能。

这样看来，对步进电动机运动控制系统而言，驱动控制器的设计是重中之重。

本选题在充分利用51单片机内部资源和丰富的指令系统，深入研究五相混合式步进电动机运行特性的基础之上，开发出了适用于多种不同相数步进电动机的驱动控制器，这样的工作不但对单片机在步进电动机控制领域中的应用有一定的指导意义，并更进一步挖掘和增强了混合式步进电动机（特别是五相混合式步进电动机）的优势性能，拓宽了其应用领域，有着重要的现实意义。

1.3国内外研究现状

步进电机又称脉冲电动机,是数字控制系统中的一种执行元件。

其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移,且其输出转角、转速与输入脉冲个数、频率有着严格的同步关系。

步进电机由于其本身的特点，在具体的应用中有利于装置或设备的小型化和低成本，因而广泛地应用在众多的领域中并得以不断的发展。

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，必须有一个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。

我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪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。

这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。

70年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。

70年代中期至80年代中期为产品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。

自80年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛利用。

在很多使用步进电动机作为执行元件的系统中，CPU不但要进行数据的采集、处理、监视输入设备（如键盘）、控制输入设备（如显示器），同时还要对步进电动机进行控制。

由于步进电动机的控制会占用大量的CPU工作时间,从而影响了系统的整体性能。

本文介绍了一种基于AT89C51为核心的控制器，带细分功能、恒流功能及升降频功能的步进电机驱动控制系统，它可以驱动两相、三相及五相混合式步进电动机，既不占用CPU大量的时间,又能获得良好的控制和驱动效果,很有实用价值。

1.4研究内容

本课题是以五相混合式步进电动机运行特性为出发点，开发出以AT89C51为核心的控制器，带细分功能、恒流功能及升降频功能的步进电机驱动控制系统，它可以驱动两相、三相及五相混合式步进电动机。

系统必须能够接收用户通过控制面板设定的控制命令，并进一步对其进行处理和执行。

本系统是在五相步进电动机的基础之上设计的，但是在硬件设计上还要兼顾其它相数的步进电动机，以拓宽其通用性。

本系统应具有实时显示的功能，以使用户能过直观的得到电机当下的运行状态，这主要是通过LED来实现的。

一个完备的驱动控制系统应具有较好的保护功能，以提高系统的可靠性。

本系统在实现应有功能的基础之上还应具有过流保护功能；另外为了防止程序跑飞，本系统还设计了看门狗电路。

本课题以“混合式步进电动机驱动控制系统设计”作为实际应用背景，研究单片机在电机运动控制系统中的应用，在有效利用单片机内部资源以及详细了解相应电机运动控制系统运行特性的基础之上，进一步挖掘单片机在电机运动控制领域中的应用潜力，降低系统的成本，提高系统的性能。

这样的工作无论对单片机在电机运动控制领域中的进一步推广还是对电机运动控制系统性能的进一步提高都有很大的研究价值和现实意义。

2步进电动机原理特性

2.1步进电动机结构及工作原理

步进电动机是从电磁铁这样简单的装置演变过来的一种电磁能量转换元件[1]，因此设计者可以根据电磁场理论和机械结构的繁简以及具体的性能要求设计出各种形式的步进电动机。

自电动机问世至今，出现过的种类可谓繁多，但常用的有反应式、永磁式以及混合式（永磁感应子式）三种。

反应式步进电动机也称为磁阻式（VR）步进电动机。

它的定子磁路均由软磁材料组成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

反应式步进电动机的相数一般为三、四、五、六相。

按绕组的排列形式，可分为单段式径向磁路、多段式径向磁路以及多段式轴向磁路等三种。

永磁式步进电动机是转子或定子（一般为转子）的某一方具有永久磁钢的步进电动机。

另一方由软磁材料制成，绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。

励磁绕组可以做成两相或多相，但一般做成两相或四相控制绕组。

图2.1所示为两相永磁式步进电动机的径向截面图，定子上有8个极，相间的四个同属于一相，转子有四个极，分别具有固定的极性，相邻极的极性相反。

（a）A段铁心截面图（b）轴向剖视图（c）B段铁心截面图

图2.1两相永磁式步进电动机径向截面图

2.1.1混合式步进电动机结构及工作原理简析

混合式步进电动机的的定子结构与反应式步进电动机基本相同，也分成若干极，极上有小齿及控制线圈。

转子由环形磁钢及两段铁心组成，环形磁钢在转子的中部，轴向充磁，两段铁心分别装在磁钢的两端，转子铁心上也有如反应式步进电动机那样的小齿，但两段铁心上的小齿相互错开半个齿距，定转子小齿的齿距通常相同。

三相混合式步进电动机的定子为三相六极，三相绕组分别绕在相对的两个磁极上，且这两个磁极的极性是相同的，在这一点上，它与三相反应式步进电动机是不同的（三相反应式步进电动机中相对的两个磁极的极性是相反的），它的每段转子铁心上有八个小齿。

从电动机的某一端看，当定子的一个磁极与转子齿的轴线重合时，相邻磁极与转子齿的轴线就错开1/3齿距。

如图2.2（a）中所示a段转子铁心的情况，A相磁极下定转子齿的轴线重合时，B、C相磁极分别与转子齿错开1/3齿距。

A`、B`、C`极下的情况分别与A、B、C极下的情况相同。

假如转子上没有磁钢，只是在定子的控制绕组里通电，这个电动机不产生转矩。

由于转子磁钢的作用，使a段转子铁心呈N极性，b段转子铁心呈S极性。

当A相通电时，转子处于下图中所示的位置，此时与a段转子铁心相对的定子A相极下气隙磁导为最大，与b段转子铁心相对的定子A相极下气隙磁导为最小。

当转子转动时，a段转子铁心对应的A相极下气隙磁导减小，b段转子铁心对应的A相极下气隙磁导增大，使得A相主磁路上的总磁导基本不变，其他相通电时也一样，所以没有转矩，可见它与三相反应式步进电动机不一样。

三相反应式步进电动机不存在转子错齿现象，通电相主磁路的磁导随着转子的转动而增大或减小。

（a）a段铁芯截面图（b）b段铁芯截面图

图2.2三相混合式步进电动机的横截面图

三相混合式步进电动机的转子磁钢充磁以后，一端为N极，并使得与之相邻的转子铁心的整个圆周都呈N极性；另一端为S极，并使得与之相邻的转子铁心的整个圆周都呈S极性。

如果定子绕组不通电，仅仅有转子磁钢的作用，电动机也基本上不产生转矩。

永磁磁路是轴向的，从转子a端到定子的a端，轴向到定子的b端、转子的b端，经磁钢闭合。

在这个磁路上每个极的范围内，由于两段转子的齿错开了1/2齿距，当一端磁导增大时，另一端磁导必然减小，在忽略高次谐波时，使每极总磁导在转子位置不同时基本保持不变，因而整个磁路的总磁导与转子位置无关。

只有在转子磁钢与定子磁势共同作用下，才会产生电磁转矩。

例如转子磁钢充磁，且定子A相通电的情况下，转子就有一定的稳定平衡位置，即A相a段极下定转子齿对齿的位置。

当外加力矩使转子偏离稳定平衡位置时，例如转子向逆时针方向转了一个小的角度△

，则两段定转子齿的相对位置及作用转矩的方向，如图2.3（a）、（b）所示，由于沿圆周方向电动机结构的对称性，图中只画出了通电相一个极下的情况。

可以看到，两段转子铁心所受到的电磁转矩是同方向的，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。

这是由于在电动机两端，定子极性相同，转子极性相反，但互相错开了半个齿距，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，混合式步进电动机的稳定平衡位置是：

定转子异极性的极下磁导最大、而同极性的极下磁导最小。

（a）a段的情况

（b）b段的情况

图2.3转子向逆时针方向转过△

时，两段定转子齿的相对位置及作用转矩图

上述电动机任意两个相邻定子磁极轴线间的夹角为

，每一个转子齿距所对应的间角度为

。

可见，在连续不断地按

的顺序分别给各相绕组通电时，每改变通电状态一次时，转子沿CB`A方向，即步进角为7.5°。

2.1.2几种步进电机的特性比较

反应式、永磁式和混合步进电动机的特点从以下两方面进行比较[2]。

①结构特点

1）反应式步进电动机

定子上有多相绕组，定子磁极和转子上均开有小齿，定、转子铁心可做成单段式或多段式。

2）永磁式步进电动机

定子上有多相绕组，但定子磁极上不开齿。

转子用永久磁钢制成，转子极数与定子每相的极数相同。

3）混合步进电动机

结构复杂，为永磁式和反应式的组合，定子结构与反应式相同，转子由位于中部的环形永久磁钢和位于两端的无磁性铁心组成。

环形磁钢轴向充磁，两端的铁心上开有小槽。

②性能特点

1）反应式步进电动机

齿距角可以做得很小，起动和运行频率较高。

断电时无定位力矩，需用带电定位，消耗功率较大。

2）永磁式步进电动机

步距角较大，起动和运行频率较低，断电时有定位力矩，消耗功率较小。

3）混合步进电动机

步距角较小，有较高的起动和运行频率，消耗功率小，有定位力矩，兼有以上两种步进电动机的优点，结构复杂。

2.2步进电动机控制方法概述

在叙述步进电动机驱动控制方法之前先给出步进电动机在控制上的特点[3]：

（1）步进电动机的输出角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量。

（2）步进电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速。

（3）步进电动机有保持力矩，当停止输人脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置。

（4）改变通电相序即可改变电动机转向。

（5）步进电动机相邻齿间存在误差，但是不会产生累积误差。

（6）步进电动机转动惯量较小，使得它能够较快速的启动和停止。

（7）步进电动机的缺点是效率较低，带负载能力较差，调速范围较小。

步进电动机是较早使用的典型的机电一体化元件，由于它特殊的结构以及工作原理，使得步进电动机本体、步进电动机驱动器和控制器成为了不可分割的整体。

也可以说，步进电动机系统的性能除了与电动机本身的性能有关外，在很大程度上取决于使用的驱动器的驱动方式。

步进电动机驱动控制系统框图如图2.4所示。

图2.4步进电机控制系统框图

由以上叙述知步进电动机在实际运行过程中还有很多的缺点，鉴于此在实际应用过程中，产生了很多的步进电动机的控制方法，比如：

恒流斩波控制、升频升压控制、细分控制、升降频控制等。

由于本驱动控制器是在五相步进电动机的基础之上设计实现的，所以下面将主要以五相混合式步进电动机为基础介绍。

2.2.1多步距角控制

在介绍多步距角控制之前先介绍一下在步进电动机控制中普遍用到的细分控制，步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是提高电机的运转精度，实现步进电机步距角的高精度细分。

引入细分控制的必要性在于以下几点[4]：

①控制精度难以满足某些场合的要求。

总所周知步进电动机是一种离散运动的装置，转子的转动不是连续的，这制约了它在某些要求精度很高的场合的使用。

②低频特性不佳。

步进电动机在低速时易出现低频抖振的现象，振动频率与负载情况和驱动器性能有关。

这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。

目前，细分方法大致可以分为以下两种：

①利用单片机或专用细分芯片对绕组电