基于单片机的步进电机调速电路设计Word格式.docx
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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。
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、北京、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，由于对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[2]。
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。
这就给用户在产品选型和使用中造成许多麻烦。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机那样在常规工作环境下使用。
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。
图1.1步进电机的外观图
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AT89S52控制步进电机在四相四拍工作方式下的启停控制，正反转控制和加减速控制，以实现基于单片机的步进电机的调速电路控制。
主要内容如下：
（1）通过键盘设定步进电机的转速及方向；
（2）LED显示步进电机的转速和方向。
步进电机有着方方面面重要应用，如何对其进行有效控制，使其能够发挥最大的优势是各个行业技术开发人员所共同关注的，本文旨在设计一套较完整的通用控制系统，对步进电机的转速、方向实行智能化控制，并能通过LED显示其转速。
2步进电机的结构、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（即步进角）。
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。
2.2步进电机的结构及工作原理
2.2.1步进电机的结构
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8大磁极，每2个相对的磁极（N，S）组成一对，共有4对。
定子齿有励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开0、1/12π、1/6π、1/4π[3]，即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/12π，C与齿3向右错开1/6π，D与齿4向右错开1/4π，A'
与齿5相对齐。
（2）转子：
由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿，与定子上的小齿相同，并且小齿的大小相同，间距相同。
2.2.2工作原理
该设计采用四相步进电机，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，就能使步进电机转动。
当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。
下面做详细介绍。
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2.1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图2.1四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、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[4]。
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2.2a、b、c所示：
a.单四拍b.双四拍c八拍
图2.2步进电机工作时序波形图
1.单四拍：
通电顺序为ABCD；
2.双四拍：
通电顺序为ABBCCDDA；
3.八拍：
通电顺序为AABBBCCCDDDA。
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
单四拍
双四拍
八拍
步进周期
T
每相通电时间
2T
3T
走齿周期
6T
相电流
小
较大
最大
高频性能
差
较好
转矩
中
大
电磁阻尼
振荡
容易
较容易
不容易
功耗
由表2.1可以看出这三种工作方式中，八拍的性能最好，单四拍的性能最差，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[5]。
2.3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[6]。
2.4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。
θz=2π/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。
θb=θz/N=2π/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，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。
2.5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。
2.5.1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[7]。
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。
2.5.2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，肯定会产生失步[8]。
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。
2.6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。
（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[9]。
（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。
3总体硬件设计
3.1控制系统框图
用单片机控制步进电机与传统步进控制器相比较有以下优点：
（1）用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。
（2）只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。
（3）根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。
图3.1总体设计方框图
3.2单片机最小系统
AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦鞋的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89S52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
应用AT89S52单片机设计并制作一个单片机最小系统，达到如下基本要求：
1、具有上电复位和手动复位功能。
2、使用单片机片内程序存储器。
3、具有基本的人机交互接口。
按键输入、LED显示功能。
4、具有一定的可扩展性，单片机I/O口可方便地与其他电路板连接。
以工作的系统，对AT89S52系列单片机来说，最小系统一般应该包括：
单片机、复位电路、晶振电路。
图3.2单片机主机系统图
3.2.1时钟电路
晶体振荡器，简称晶振。
在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振[10]。
由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。
这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。
本设计的晶振电路用30PF的电容和一个11.0592M晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。
如图3.3示。
图3.3晶振电路
3.2.2复位电路
为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。
单片机在可靠的复位之后，才会从0000H地址开始有序的执行应用程序。
同时，复位电路也是容易受到外部噪声干扰的敏感部分之一。
因此，复位电路应该具有两个主要的功能：
1必须保证系统可靠的进行复位；
2必须具有一定的抗干扰的能力；
本设计的复位电路使用独立式键盘。
复位电路采用自动复位与手动复位结合的方式。
所谓自动复位，即整个系统上电瞬间单片机复位；
所谓手动复位，是指通过接通按钮开关，使单片机进入复位状态。
如图3.4示。
图3.4复位电路
单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。
复位后系统将输入/输出（1/0）端口寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H,SBUF内置为不定值，其余的寄存器全部清0，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的。
3.3显示电路
由于系统显示的内容比较简单，显示量不多，所以显示选用数码管既方便又经济。
LED有共阴极和共阳极两种[11]。
如图2-4所示。
符号和引脚共阴极共阳极
图2-4LED数码管结构原理图
二极管的阴极连接在一起，通常此共阴极接地，而共阳极则将二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。
一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管组成数字。
当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔画即亮；
不加电压即暗。
为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。
数码管显示器有两种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。
为节省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方式。
本电路的“段控”和“位控”分别由P0口和P2口控制，P2选中哪个数码管，哪个数码管就亮，P0口控制显示数字。
在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。
电路如3.5图所示。
在显示电路中，主要是利用了单片机的P0口和P2口。
采用两个共阳极数码管作动态显示。
两个数码管的a、b、c、d、e、f、g、dp接P0口，用于显示电机正反转状态，正转时不显示，反转时显示“-”。
由于正转时第一个数码管没有显示任务，故在正转时第二个数码管采用静态显示。
第二个数码管用于显示电机的转速级别，共七级，即从1~7转速依次递增，“0”表示转速为零[12]。
显示时，数码管的位选信号采用P2口输出，第一个数码管的位选信号连接P2.0，第二个数码管的位选信号连接P2.1。
图3.5显示电路
3.4按键控制电路
根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制，加速控制和减速控制按钮，分别是K1、K2、S2、S3，控制电路如图3.6所示。
通过K1、K2状态变化来实现电机的启动和换向功能。
当K1、K2的状态变化时，内部程序检测P1.0和P1.1的状态来调用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。
根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。
对于单片机而言，主要的方法有：
软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过S2、S3的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据，这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。
图3.6按键控制电路
3.5步进电机驱动电路
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。
目前，驱动电路集成化成为一种趋势，已有多种步进电机驱动集成电路芯片，它们大多集驱动和保护于一体，作为小功率步进电机的专用驱动芯片，广泛用于小型仪表、计算机外设等领域，使用起来非常方便。
本设计采用ULN2003芯片。
ULN2003芯片适用于四相步进电机的单极性驱动。
它最大能输出1.5A电流、3.5V电压。
内部集成有驱动电路，上
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