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控制电机

《控制电机》论文

学生姓名:

朱政宇

任课教师：

顾春雷

学生学号：

1160601116

专业：

电气工程及其自动化

电气工程学院

2014年5月

基于单片机的步进电机控制系统设计

摘要

步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。

为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。

很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好，比如恒流斩波驱动技术，但是有的系统比较复杂，和一些相对比较简单的控制过程不相吻合，投入上也不经济;有的系统在操作上不是很方便，交互性不强。

而且，有感于目前的职业教育的专业教材各种技术太过经渭分明，由此带来的实习也是比较零散，没有把一些在工程实践中应该结合在一起的技术有机结合起来，因此本文的研究内容就是设计一套硬件系统较简单、经济，但适应性强，操作方便，可靠性高的，能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来步进电机控制系统。

本文首先简要描述了步进电机的发展、应用情况，而且还分析了步进电机的工作原理，然后以单片机为主控制器提出了整个系统的硬件设计方案，在此基础上对各个模块的电路进行详细的设计，接着阐述了步进电机软件控制开发的流程和程序设计。

关键词:

步进电机单片机恒流斩波

引言

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pu1semotor或StepperServo，其应用发展己有约80年的历史。

可以说步进电动机天生就是一种离散运动的装置，是纯粹的数字控制电动机，步进电机驱动器通过外加控制脉冲，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。

就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。

这些关系在负载能力范围内不随电源电压、负载大小、环境条件等的变化而变化。

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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。

步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。

正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

比如在数控系统中就得到广泛的应用。

目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国己经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。

其中华中数控系统解决了“五轴联动”，为“神州”系列飞船顺列升空立下了汗马功劳。

虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。

为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。

上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。

原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。

基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。

因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。

还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语或C语一言进行软件开发，在windows平台下利用VisualC++6.0提供的串行通信控件MSColnln来实现PC机与步进电机控制器之间的数据通讯，最终实现由PC机直接控制步电机的方法;在windows平台下和单片机配合控制步进电机;PLC控制的脉冲驱动方案等等。

步进电机的原理及应用

1.1步进电机的应用

步进电机应用非常广泛，具体应用如下：

1.步进电机主要用于一些有定位要求的场合。

例如：

线切割的工作台拖动，植毛机工作台（毛孔定位），包装机（定长度）。

基本上涉及到定位的场合都用得到。

2.广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。

特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。

3.步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用，这类步进电机的特点是保持转矩不高，频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。

目前用于电脑绣花机的步进电机多数为五相混合式步进电机，目的是通过采用高相数的步进电机来减小步矩角和提高控制精度，但是采用该种方式获得的性能上的提高是有限的．而且成本也相对较高。

采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质，减少转矩波动，抑制振荡，降低噪音，提高步矩分辨率。

若采用反应式步进电机，在性能明显提高的同时还能大大降低产品的成本。

1.2反应式步进电机的工作原理

图2反应式步进电机的结构示意图

图2是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上有绕组。

两个相对的磁极组成一组，连法如图所示。

下面介绍反应式步进电动机单、双六拍通电方式的基本原理。

反应式步进电动机的工作原理是利用物理上的“磁通总是力图使自己所通过的路径的磁阻最小”所产的磁阻转矩，使电机一步一步转动的。

以三相反应式步进电动机为

图3单、双六拍通电时转子位置

单、双六拍通电方式的基本原理如下：

设A相首先通电，转子齿与定子A、A

对齐（图3（a））。

然后再A相继续通电的情况下接通B相。

这时定子B、B

极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A

极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。

这时转子的位置如图3（b）所示，即转子从图3（a）位置顺时针转过了15°。

接着A相断电，B相继续通电。

这时转子齿2、4和定子B、B

极对齐，（图3（c）），转子从图3（b）又转过了15°。

其位置如图3（d）所示。

这样，如果按AA、BBB、CCC、AA……的顺序轮流通电，则转子遍顺时针方向一步一步地转动，步距角为15°。

电流换接六次，磁场旋转一，转子前进了一个齿距角。

如果按AA、CCC、BBB、AA……的顺序通电，则电机转子逆时针转动。

这种通电方式称为单、双六拍方式。

1.3步进电机的主要特性

1）步距角

步距角

是决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数。

步距角越小，脉冲量越小，控制精度就越高。

步距角

：

式中：

——定子绕组的相数

——转子的齿数

——步进电机的通电方式，为

相

拍时，

=1；为

相

拍时，

=2；依此类推。

2）每一齿距的空间角（也称齿间夹角）为：

式中

为转子齿数。

3）每一极距的空间角（也称极间夹角）为：

式中

为步进电机相数。

4）每一极距所占的齿数为

5）转子齿数

应符合以下条件，

式中

——正整数；

——反应式步进电动机的定子磁极数；

——定子相数。

图4步进电机各相定子与转子的齿距对应关系

实际步进电机的定子磁极与转子圆周上都有齿，如图4所示。

定子磁极的齿距与转子的齿距相同，只是定子磁极的齿依次与转子的齿错开齿距的

（

为步进电机相数）。

这样，每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿间夹角的

（三相三拍）或

（三相六拍）角度。

若在三相定子的每个磁极上有5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9°，小齿在空间位置上一次错开1/3齿距。

转子上均匀分布40个小齿，齿槽等宽，齿间夹角也为9°。

当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿1/3齿距（即3°），C相磁极齿超前（或滞后）转子齿2/3齿距角。

按三相单、双六拍通电方式工作时，步距角为：

也可求得步进电机的转速为：

式中

——步进电动机的脉冲频率，

或

。

2.1步进电机驱动电路设计

系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。

本设计中采用恒流斩波驱动。

单相驱动电路如图9所示。

在图9中，L1为步进电机的单相绕组。

三相反应式步进电机的三相驱动电路如图10所示。

图8基于单片机的步进电机控制系统硬件连接图

图9单相驱动电路

2.2步进电机控制系统设计

三相反应式步进电机必须接有驱动电路。

控制电路如图10所示。

图10三相反应式步进电机驱动电路与控制电路

2.3键盘电路设计

键盘是两个按键组成的开关组，是最简单的单片机输入设备，通过键盘

输入数据或命令，实现人机对话，键盘电路如图11所示。

键盘电路是采用中断电路，能获得所需数量的按键。

如果按下“正转按钮”则向单片机INT0申请中断，T0开始计时，执行正转程序；

图11键盘电路若按下“反转按钮”，则向单片机INT1申请中断，T0开始计时，执行反转程序。

2.4硬件总体实现

以上各单元电路分别设计论证通过后，对电路进行总和，分为系统主体和驱动电路两大块。

系统整体硬件连接图如图8所

示。

在绘制电路时，利用了Proteus。

3基于单片机的步进电机控制系统的软件设计

3.1总体设计

本系统的软件设计主要分为系统初始化、按键及控制脉冲输出几部分，事实上每一部分都是紧密相关的，每个功能模块对于整体设计都是非常重要，单片机AT89C51通过软件编程才能使系统真正的运行起来，软件设计的好坏也直接决定了系统的运行质量。

本程序主要由键盘程序、步进电机驱动程序两部分部份组成，主程序首先初始化各变量，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，便进入待机状态，等待键入相应操作。

然后调用键盘程序，并作判断，如果有键按下，则调用键盘处理程序。

3.1.1系统软件主流程

系统上电复位过，先经过必要的参数初始化后，便进入按键查询，等待操作，当有按键按下后，程序便调用相应的子程序运行。

图12系统主流程图

3.1.2系统总体程序

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0003H;INT0中断入口地址

LJMPZZ;跳转到正转子程序

ORG0013H;INT1中断入口地址

LJMPFZ;跳转到反转子程序

ORG1000H

MAIN:

MOVP0,#00H;初始化P0口

MOVTCON,#00H;置INT0和INT1为电平触发方式

ANLIP,#0F5H;置INT0和INT1为低优先级

MOVIE,#85H;开中断

;正向

ZZ:

MOVTMOD,#01H;T0工作在模式1，定时方式

LOOP:

MOVTH0,#4CH;装入T0计数初值

MOVTL0,#01H

MOVIE,#82H;T0开中断

SETBTR0;启动定时器

HERE:

SJMPHERE

CTC0:

MOVR0,#00H

INCR0;正转加一

CJNER0,#06H,aa;若计数器等于6修正为0

MOVR0,#00H

RETI

aa:

MOVA,R0;计数器的值

MOVDPTR,#ABC;指向数据存放首地址

MOVCA,@A+DPTR;取控制字

MOVP0,A;将控制字送到P0口输出

RET

ABC:

DB01H,03H,02H,0CH,04H,05H；正向六个控制字

;反向

FZ:

MOVTMOD,#01H;T0工作在模式1，定时方式

LOOP:

MOVTH0,#4CH;装入T0计数初值

MOVTL0,#01H

MOVIE,#82H;T0开中断

SETBTR0;启动定时器

HERE:

SJMPHERE

CTC1:

MOVR0,#00H

INCR0;正转加一

CJNER0,#06H,bb;若计数器等于6修正为0

MOVR0,#00H

RETI

bb:

MOVA,R0;计数器的值

MOVDPTR,#CBA;指向数据存放首地址

MOVCA,@A+DPTR;取控制字

MOVP0,A

RET

CBA:

DB05H,04H,0CH,02H,03H,01H；反向六个控制字

END

3.2关键模块设计

3.2.1脉冲发生器设计

3.2.1.1定时器T0中断（步进脉冲输出）模块流程

图13定时器T0中断（步进脉冲输出）模块流程

3.2.1.2定时器T0中断（步进脉冲输出）模块子程序

ZZ:

MOVTMOD,#01H;T0工作在模式1，定时方式

LOOP:

MOVTH0,#4CH;装入T0计数初值

MOVTL0,#01H

MOVIE,#82H;T0开中断

SETBTR0;启动定时器

HERE:

SJMPHERE

CTC0:

MOVR0,#00H

INCR0;正转加一

CJNER0,#06H,aa;若计数器等于6修正为0

MOVR0,#00H

RETI

FZ:

MOVTMOD,#01H;T0工作在模式1，定时方式

LOOP:

MOVTH0,#4CH;装入T0计数初值

MOVTL0,#01H

MOVIE,#82H;T0开中断

SETBTR0;启动定时器

HERE:

SJMPHERE

CTC1:

MOVR0,#00H

INCR0;正转加一

CJNER0,#06H,bb;若计数器等于6修正为0

MOVR0,#00H

RETI

3.2.2正反转控制程序

aa:

MOVA,R0；计数器的值

MOVDPTR,#ABC;指向数据存放首地址

MOVCA,@A+DPTR；取控制字

MOVP0,A；将控制字送到P0口输出

RET

ABC:

DB01H,03H,02H,0CH,04H,05H；正向六个控制字

bb:

MOVA,R0；计数器的值

MOVDPTR,#CBA;指向数据存放首地址

MOVCA,@A+DPTR；取控制字

MOVP0,A

RET

CBA:

DB05H,04H,0CH,02H,03H,01H；反向六个控制字

结论

对于本次设计，有以下结论:

（l）采用单片机作为控制核心，利用其强大的功能，把控制电路和键盘电路有机的结合起来，组成一个操作方便的控制系统。

（2）键盘电路采用外部中断技术。

（3）驱动电路采用了恒流斩波电路，可以弥补单电压电路的不足:

电流过大，电源利用率过低，高频响应差。

（4）系统软件采用结构化设计，具有易维护性，根据用户新的要求，对软件系统进行少量的修改，使系统功能得到一定程度的提高。

（5）方向设定:

按方向键进行选择。

当按下正转按钮时为正向。

电机的运行正反向表示的是顺时针还是逆时针是由操作者在接步进电机时的相序决定的。

（6）强行复位:

按下复位按钮即可。

从整个工作过程来看，完全达到了设计目的。

所有功能全部能正常实现。

由于学校资源有限，图书馆原因和时间原因，未能做出实物。

但充分利用了有限的时间和资源，学习了单片机，微机，电力电子技术等知识，而且我们小组是一个团队，我充分发挥了在团队中的作用，提高了团队合作能力。

参考文献

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