步进电机调速系统的设计与实现.docx

步进电机调速系统的设计与实现.docx

《步进电机调速系统的设计与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《步进电机调速系统的设计与实现.docx（21页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

步进电机调速系统的设计与实现

摘要

步进电机有启动快、步进精确、定位准等特点。

随着现在自动化的需求，步进电机的应用已经非常广泛，在现在的自动化工厂中，起着重要的作用。

利用Proteus软件，进行电路的搭建和仿真。

以单片机为核心通过连接外围电路组成控制步进电机调速的控制系统，通过方向信号，改变步进电机的旋转方向，调节频率，从而改变速度。

本文通过介绍驱动电路，从中选择驱动方式，从而实现步进电机的细分驱动功能，确定步进电机的运行方式，并详细介绍了细分驱动电流的计算方法，细分能使步进电机的运行更稳定可靠，减少运行噪音。

其中驱动电路的核心是以TB6560AHQ芯片搭建的电路，转速能达到五个级别的调速范围，最高转速能达到500多转。

最后进行仿真，然后画出相对应的PCB板进行焊接，完成相应的实物。

整个设计思路还是比较简单，操作容易，成本也比较低。

关键词：

步进电机；单片机；细分驱动

ABSTRACT

Thestepmotorhasthecharacteristicsofstartingfast,steppinginpreciseandpositioning,andtheapplicationofsteppingmotorisveryextensivewiththedemandofautomation.Itplaysanimportantroleintoday'sautomatedfactories.

ThisarticleUSESProteussoftwaretobuildandsimulatecircuits.Withthesinglechipprocessorasthecorebyconnectingtheperipheralcircuit,controlsystem,throughthedirectionofthesignal,adjusttheelectricityorderofsteppermotorwindings,andtransformthedirectionofrotationofthesteppermotor.Thepurposeofcontrollingthespeedofthemotorisachievedbycontrollingthespeedofthefrequency.Bydrivingcircuit,alsocanachievethefunctionofsteppingmotorsubdivisiondriver,thispaperalsointroducesindetailthecalculationmethodofsubdivisiondrivecurrent,segmentationcanmakestepmotorrunningmorestableandreliable,greatlyreducingthenoise.ThecoreofthedrivecircuitisthecircuitoftheTB6560AHQchip,whichcanspeeduptofivelevels,andthemaximumspeedcanreachover500.Finally,thePCBboardisdrawnandthecorrespondingmaterialiscompleted.Incomparison,thewholedesignideaissimple,easytooperateandlowcost.

Keywords:

steppermotor,mcu,subdivideddriving

第1章绪论

步进电机有很多其他电机所没有的功能，现在已经是全球的第三类的电机了，是人类进入自动化过程中重要的东西，而随着现在电子计算机方面的发展，其控制的方式方法也越来越多。

1.1课题研究的目的和意义

研究的目的，现在步进电机已经成为第三类电动机，虽然现在生产步进电机的厂家有很多，但是现在关于用好步进电机的方案，基本还都是处于仿制外国的阶段，控制系统还比较复杂，所需要用到的知识还很多，所以要想用好步进电机还是很不容易的[1]。

研究的意义，步进电机和其它电机性能和功能都有很大的区别。

步进电机有启动快、步进精确、精准定位的特点。

随着现在自动化的发展，步进电机的应用也是越来越多，在很多机器仪器中，都有它的存在，特别是在一些高端精密的仪器中，更是离不开它，所以研究好步进电机还是很有用处的。

1.2国内外研究概况

步进电机已经存在了一百多年，最早出现的步进电机，是由英国人发明的。

当时的电子技术还不是很高，控制太复杂，所以步进电机的发展受到了很大的限制，基本只是出现了原理，实际应用起来确实很麻烦。

而步进电机的发展是从50年代之后，驱动电路得到很大的发展，才开始大规模的发展，我国是从70年之后才开始引入[2]。

而且随着现在工业的发展，在数字电路、电力电子和永磁材料的高速发展下，更是促进了步进电机性能的提高，驱动更是得到快速的发展，步进电机的功能也是得到很大的进步。

80年代后，混合的步进电机已现，使性能和功能更加强大，很快就得到了成长和利用。

也是从这个时候开始，步进电机开始了大规模的应用，在打印机、扫描机、机器人、传真等方面都有它的用处[3]。

步进电机输入一个脉冲，就走一定角度，因此可以通过去控制走多少步，来达到精准定位。

因为电机是通过输入脉冲，来确定是否旋转，所以能快速停止和启动，而旋转速度，还可以通过控制脉冲频率大小去改变。

而且它的体积还比较小，控制相对来说还是比较方便，在现在的数控机床，生产线上都有步进电机的身影，特别是对定位有很高的要求的精密仪器里面，都有它的存在，所以设计高精度的步进电机是很有必要的。

现在微电子学的发展越来越快，相对的步进电机的驱动电路就越来越简单，不仅把驱动部分的硬件部分减少了很多，还大大提高了步进电机的灵活性[4]。

现在更是出现了很多的芯片和驱动板，可以直接把步进电机驱动起来，控制简单了，价格就降下来了，就满足了工业生产的要求，可以大规模的生产了。

1.3本文主要内容

能实现步进电机的调速，使步进电机能够在一定的范围内旋转，当步进电机运行的时候，能够显示步进电机的正反转和速度。

并且以步进电机为对象，研究步进电机驱动的方式，步进电机的驱动方式有很多，本文主要研究的是细分驱动电路，研究步进电机细分控制算法，通过计算电流的各个阶段的大小，实现步进电机的细分驱动的控制。

完成系统的总体框图，设计硬件电路，画出原理图，分析电路的原理，确定各个元器件值的大小，进行编程完成相对应的程序然后仿真。

最后绘制PCB图，进行实物的焊接和调试。

第2章步进电机系统设计方案

2.1步进电机的概述

步进电机精度误差小，一般在步距角的3%到5%。

而因为上次脉冲所产生的误差，还不会累加在下一次中[5]。

其驱动需要的信号必须是脉冲形式的，否则就会静止。

而本身用的磁性材料，有很高的耐温作用，温度要达到130以上才会退磁，这样电机外表的温度就可以达到很高。

由于步进电机的响应，只是与输入的脉冲数有关，所以可以作成开环系统，结构大大简化降低成本。

步进电机还是有缺点的，很容易就会产生共振。

而且转速都达不到很高，很难有大的转矩，而且能量利用率也比较低。

反应式步进电机是比较传统的电机。

其工作原理简单，内部的励磁绕组比较多，则输出转矩比较大，这样的结构也就决定了它的动态性能比较差，而且噪音震动都很大，其内部绕组基本为三相的，步距角基本在1.5度左右。

永磁式步进电机大部分是两相，在其内部转定子的极数基本相同[6]。

这样的结构，也就决定了其步距角比较大，一般为7.5或者15度，主要应用在计算机的外部、医疗设备、光电组合等装置里面。

混合式步进电机，根据名字就很容易知道它是由上面两种电机的优点结合起来组成的。

相数有好几种，两相的步距角基本在1.8度左右，五相的在0.72度左右，步距角的减少，也就使精度得到很大的提高了[7]。

而且因为有永磁体的存在，所以就导致了反电动势的存在，在运行的过程中平稳、噪声低、震动小。

综合比较来说，还是混合式的步进电机功能比较好，所以本文采用的就是混合式的步进电机。

2.2步进电机的驱动方式论证

步进电机的驱动方式有很多，而驱动方式的选择，却可以直接决定步进电机运行的性能，下面介绍一下常用到的驱动方式。

2.2.1高低压驱动

高低压驱动，都是先用高电压去驱动要导通的绕组，再用低电压去续流，保证了电流的连续性，也利用了高电压提高出力的作用，而不是通过改变时间常数来提高矩频性能。

2.2.2单电压驱动

在电机的绕组回路上给串联上一个电阻，电机的时间常数就会变小，这样在高频率运行时，相应的产生的转矩也就更大一些，而且还可以缓解共振。

这样的电路，线路布局简单成本低。

不过因为串联了一个电阻，这样就引起了附加的一些损耗，如果频率比较高损耗更是严重，所以基本都是用在功率比较小，频率要求不高的地方。

2.2.3双电压驱动

由名字很容易就可以知道，这是有两个电压信号，根据不同频率选择不同的电压驱动。

在低频率是用低电压，在高频率时用高电压。

这样的电路，就可以使步进电机在高频的时候，还有很大的力矩，而在静止锁定的状态下，相应的功耗也减小。

2.2.4斩波恒流驱动

使导通绕组的电流，不论是工作在什么状态下，都能保证其在一定的数值下，这样就可以使电机有比较恒定的输出转矩[8]。

这种驱动的方法，能极大的提高高频响应，因为电流比较恒定，所以输出转矩也就比较稳定共振减少，不过这样的线路比较复杂，但是现在已经有相对应的集成模块出来了，可以直接采用，图1为斩波恒流电路图。

图1斩波恒流电路

用R来采集绕组电流的变化，然后和控制信号做比较，当控制信号比较大的时候，而且脉冲也是高电平。

则两个三极管都会导通，这样直流电源会给绕组直接供电。

因为电感是感性负载，电流慢慢变大的时候，则R两端的电压会增大，这样采取的电压就会比较大，在通过比较器比较输出，则输出的电平就是低电平[9]。

由于比较器输出的电流是低电平，则无论脉冲是高或者低电平，通过与门电路后，都将输出低电平，相应导管被截止，电源无法对绕组供电，但这个时候，如果输入的脉冲还是高电平，那VT2继续导通，沿着VD2继续给绕组供电，当电流下降到比给定电压低的时候，就又重复上述过程，这样电流就比较稳定了[10]。

相对来说这种驱动电路用的还是比较多的。

2.2.5细分驱动

步进电机的驱动，通过改变各个绕组之间通电顺序，从而改变绕组中电流进而改变磁场，则相应的改变合力的方向，从而使电机旋转起来[11]。

在一般的时候，步进电机的步距角一定，而改变绕组通电方式，能达到的细分数量非常有限，要增大细分情况还是要靠驱动电路，通过改变绕组中的电流，使其电流变化为阶梯形式的变化，电流阶梯形式的变化如图2所示。

这就为步进电机的运行，提供了很多中间状态，同时绕组产生的磁场合成方向也变的多了，这样就可以使转子旋转，因为合成力的方向经过了好几个过程变化，这样就使步距角进一步细分了。

由此可以看出，想要步进电机的细分系数更高，还是要通过改变各个绕组之间电流的细分去实现。

图2电流细分变化情况

通过控制各个绕组之间的电流变化，从而能达到电机的细分驱动，在早期的时候绕组之间的电流，其都是通过硬件电路去控制的，绕组中的每一相都分别连接了很多并联的晶体管，想要达到多少细分，就要去并联多少个晶体管，这样就可以控制导通多少晶体管的数量，从而去控制相电流[12]。

不过这种方法，电路太过复杂，需要的元器件太多了，很不容易控制体积还会很大，元器件多相应的成本也就上去了，而且一旦造出来了，就很难改变细分数了，所以现在很少采用这种方法。

现在单片机的发展是越来越快了，步进电机细分的方法也相对改变了，现在步进电机的驱动，都是靠微机控制。

现在步进电机的细分驱动是靠微机控制的。

其按照功放管的工作状况，可以分为两种形式的驱动。

放大型输出电流，其电流的大小，都是受单片机输出来的电压大小决定的，这样的控制电路相对比较简单，电流控制也比较准确。

不过这样的电路因为末级管工作的状态是放大的，所以整个电路的能耗也就比较大，很容易就会发热，影响驱动电路的性能，甚至还会击穿晶体管[13]。

这种电路一般都是应用在对电流控制精度高，电流小散热比较容易的地方。

而开关型的末级管通过控制信号去改变末级管的开关，使损耗减少避免了不必要的功率消耗和发热的问题，但是电路比较复杂，而且输出的电流还有波纹，所以这种电路，基本适合于输出力矩比较大的电路。

现在大部分的细分都是采用开关型，而开关型又可以分为两种驱动电路。

斩波式细分驱动，通过调用储存到单片机里细分电流的信号，转换成相应的电压信号，这个电压信号在输入到相应的控制信号那里，在与电路取样得到的电压比较，这样就可以控制功放管的开通和关闭，而且还有采样电压进行比较，可以有效的控制各个绕组之间的电流变化，从而实现电流的细分。

而脉宽调制是单片机调用相应的电流量，经过转换电路，换成相对应的电压，在把电压变换成相对应的脉冲，每段电流都对应着不同占空比的脉冲。

在把这样的脉冲放到绕组的功放电路上，这样就可以控制功放管的导通时间，进而去控制相应的电流。

电机里面的负载都是感性的，所以电流变化是缓慢的，又因为脉冲的频率比较高，所以在占空比一定的情况下，电流也基本是不变的，这样就实现了电流的细分[14]。

而本次设计，采用的就是细分驱动进行的驱动系统。

2.3步进电机运行控制

本次选用的步进电机型号是42BYGH0425，图3为步进电机结构图。

图3步进电机结构图

42BYG型步进电机其定子上有很多绕组，这样产生的力也就比较多，从而输出转矩也就比较大，相对应的步距角也比较小，表1为步进电机的参数。

表1步进电机参数

电

机

型

号

步

距

角

相

电

流

（A）

相电压（V）

相

电

阻（Ω）

静力矩（kg.cm）

定位力矩（g.cm）

转动惯量（g.cmm）

42BYGH0425

1.8

2.3

12

1.25

4.8

280

70

2.3.1步进电机的运行方式

步进电机运行方式有多种，二相四拍正转的时候，绕组通电方式如下。

单四拍正转：

A-B-

-

-A

双四拍正转：

AB-B

-

-

A-AB

反转时各绕组通电顺序为：

单四拍反转：

A-

-

-B-A

双四拍时反转：

AB-

A-

-B

-AB

二相八拍时，各相绕组之间的通电顺序：

正转：

A-AB-B-B

-

-

-

-

A-A

反转：

A-A

-

-

-

-

B-B-BA-A

电机在四拍的时候运行，叫做整步运行这个时候步距角不变，和出厂时候的一样。

而当运行的时候是八拍的时候，叫做半步运行，步距角相应的会减少一半，则步距角减少的越多，相应的控制精度也就越精确[15]。

而为了提高输出转矩，所以本文用二相四拍的运行方式进行运行。

2.3.2步进电机绕组电流的算法

步进电机的细分，是控制绕组电流变化，而电流变化，是通过调用单片机里面储存的细分电流控制信号去细分的。

脉冲的占空比不同，则加载在绕组上的平均电压就不同，相应的绕组电流也就不一样[16]。

如果不细分在整步的运行方式下工作，则电机旋转一圈，根据公式，则需要200个脉冲，图4为电机细分时内部合成的磁势情况。

图4细分驱动时磁场合成情况

在细分情况下，A、B绕组之间电流的变化情况，相应的电流变化公式为。

（2.1）

（2.2）

其中

是额定电流，

为细分数，

为步数。

如果采用的是16细分，则电流的变化为，第一步

=0.098

=0.995

等。

就这样以此计算下去，算出所有过程中电流的变化情况，这样就可以建立各相电流变化情况的电流表，在单片机运行的时候，只需要按照查表法以此调取电流表，就能控制相应的绕组之间电流的变化情况了。

这种计算方式，理论上实现了细分驱动，但是由于电流和磁场，磁场和力的关系并不是线性变化的，其数学模型计算公式为

（2.3）

（2.4）

式中A、B为电流数据，M为细分数，n为细分步序数，Z和K为为常数，其中可以根据不同的步进电机，改变K值去调整比例。

2.3.3步进电机加减速的控制

步进电机的加减速，是不能一下子就加到需要的速度，也不能一下减到需要的速度相对应的频率的，这需要一些中间过程，因为如果加速或者减速直接改变，如果不经历加速，一开始就把速度提高到给定的频率下的速度，如果这个频率超过了极限的频率，电机很容易就会不能正常工作，也可能会出现失调的现象。

或者出现过冲的现象造成定位不准确，导致精度下降，所以在加减速的时候不能直接把频率加到需要的频率下，这中间要有过度的过程，基本上有两种情况的加减速，一种是均匀增加频率，另一种就比较随便了，看着有点像S型曲线，频率变换没有规律，而现实中加减速变化，基本选用频率呈直线变化的去编程，这是因为这样的变化相对好编程。

第3章系统硬件设计

前面了解了步进电机分类发展，步进电机性能和参数驱动方式。

本章介绍系统硬件的设计，图5为系统的原理框图。

本文选用的步进电机型号为42BYG0425，通过单片机产生脉冲，经过连接电路，提供给TB6560，TB6560在通过一系列的电路运行在去驱动步进电机。

单片机通过运行和计算，根据程序的运行方式，把电机的旋转速度传递给显示屏，这样就能显示速度了。

图5系统原理框图

3.1主控芯片介绍

STC89C52是常用的芯片,其内有静态逻辑操作，可以选择省电模式。

当单片机不工作时，会暂停CPU的工作，但是其它系统会继续工作。

而当断电的时候，不会随着断电而失去内部的内容，而是自动储存下来。

单片机的引脚有很多，每个引脚都有自己的功能，就是因为有这么多的引脚，才使其功能更强大，表2为各个引脚的功能。

表2引STC89C52脚的功能

引脚

功能

1-8引脚

通用的I/O接口

9引脚

Rst复位键

10-11引脚

RXD串口输入TXD串口输出

12-13引脚

分别是中断0和中断1

14-15引脚

计数脉冲T0T1

16-17引脚

WR写控制RD读控制

18-19引脚

晶振谐振器

20引脚

地线

21-28引脚

P2接口高8位地址中线

29引脚

片外rom时引脚输出低电平

30引脚

地址锁存器

31引脚

指令控制器

32-39引脚

为P0.7到P0.0口

40引脚

电源输入端

图6为复位电路，复位电路单片机通电之后，由于出现问题，需要将单片机复位，使其中的参数都恢复到原先的状态。

复位方式有两种。

其复位原理是RST为高电平。

如果是通过上电产生高电平，这就是上电复位。

手动复位就比较容易明白了，就是直接按下按键使其产生高电平。

图6复位电路

晶振电路，在单片机里有XTAL1和XTAL2这两个端口。

在这两个引脚上接上石英晶体，在分别接上两个电容，电容的另一个引脚在接地，这样单片机内部的振荡器，就能自激振荡。

其晶振一般都可以达到很高，但是频率越高，相应消耗也就越大，本次设计，使用的是12M的，电容对振荡的影响不算很大，但还是可以稍微调一下的，本次采用的电容大小是30pF，图7为晶振电路。

图7晶振电路

3.2驱动电路

驱动板是选择的是TB6560模式的驱动板。

最高耐压40V，电流可以达到3.5A。

板子里面有温度保护功能，当温度过高时可以自动断开电路，使其不至于烧坏板子，其内还含有三个电路，可以对信号进行分析进行相应的控制。

步进电机的隔离电路是光耦隔离，这是为了防止电机干扰其他电路，而其中的PUL、DIR、EN接口分别接控制脉冲、方向、使能信号。

驱动板的主要芯片就是BT6560AHQ，它能完成很多功能，图8为BT6560AHQ引脚图，通过一系列的外部链接电路，可以组成TB6560驱动板。

起主要的芯片是BT6560AHQ，BT6560AHQ与各种外围电路进行连接，其中与控制信号的连接是通过隔离电路连接的，这是为了防止电机干扰到单片机，而且隔离还具有整形的作用。

而选用的隔离是6N137高速光耦隔离，这种隔离，能满足更高频率的脉冲信号通过，这样不会影响到电机的正常运转。

图8BT6560AHQ

其内部的主电路，主要有驱动和逻辑控制，在引脚的VMB和VMA应该接入电容，来达到稳压的目的，而其中的9、12、13、16分别接到电机的四个接口，在四个端口的内部都有续流二极。

NFA和NFB是输出中A、B最大电流的定义脚，其计算公式为

=

（3.1）

由此可以计算出RNF的电阻大小了。

其内的驱动板还可以根据设置不同，选择用不同的细分方法去调速，当电机的额定电流为1.5A的时候，经过16细分，那电流的变化也就很少了，这样绕组内每次电流的变化也都慢慢增加，旋转力的方向的变化也就很少，使电机的振动和噪音都大大减少。

而DCY2和DCY1是可以设置，可以改变电机的电流，可以满足不同的步进电机的要求。

而且如果是因为一些外在原因或者电机自己的影响产生噪音，就可以设置这两个按键去衰弱电流，从而减少噪声的影响。

在芯片里面，还有自动半流的电路，电机工作时就输出最大的电流，当电机不工作时就减小电流。

而自动半流的芯片是74CH123，图9为74CH123引脚连接示意图。

这是用CLK引脚输出的脉冲作为触发条件的电路，此单稳态电路的反相输出，接到了B上面，当电机正常旋转的时候就一直保持着低电平，但是当没有驱动脉冲时就立马保持高电平，从而实现自动半流。

图974CH123引脚连接示意图

3.3稳压管设计

图10为稳压管电路图，本文选用的稳压芯片MC7805，其外部接了四个电容使其组合成滤波器，其中大容量的电容可以滤出交流部分，还能拉平其内的波纹，而相应的小电容则可以过滤掉高频率的谐波，一些比较尖端的脉冲也可以过滤掉。

图10稳压管电路图

3.4显示电路设计

本文选用的显示器是LCD1602，这是一个既可以用来显示数字，又可以显示字母的模块，图11显示屏引脚图。

图11显示屏的引脚图

本文选用的显示屏能同时显示32个字符，引脚有16个，每个引脚都有不同的作用，可以显示两行，每行最多可以显示16个字符，表3为LCD引脚功能。

表3LCD引脚的功能如下表

引脚数

功能

第1引脚

VSS表示接地电源

第2引脚

VCC接电源的正极，电压为5V

第3引脚

V0为显示器对比度调整端，其接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。

第4引脚

当引脚为高电平时是数据寄存器，反之为指令寄存器。

第5引脚

确定读写操作，当为高电平是读操作，反之是写操作。

第6引脚

E为使能端。

第7到14引脚

这8个引脚是数据端。

第15到16引脚

15是背光正极，16为背光负极。

3.5按键设计

本文中，通过设置几个独立的按键，来控制单片机内部的信号。

按键一边连接到I/O口，一边去连接电源地，这样当按键按下的时候，I/O口就会由原先的高电平变成低电平。

运行时只要让程序循环检测，当检测到低电平就能判断按键是否按下了，但是这种按键是金属解除的方式，所以会出现抖动的情况，在程序中加入适当的延时环节，可以防止由于抖动而产生的按键按下的误操作。

图12为按键电路，图中按键有四个，第一个按键控制启动停止，第二个控制正转或者反转，刚开始的时候是默认为正转，按下在反转，当再次按下的时候，就变成正转了。

第三个控制速度加，第四个控制速度减。

图12按键电路

第4