步进电机控制系统的设计及其应用.docx

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步进电机控制系统的设计及其应用

毕业设计

题目：

步进电机控制系统的设计及其应用

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2015年6月18日

步进电机控制系统的设计及其应用

摘要

本设计通过分析步进电机结构、工作原理，查阅步进电机控制系统的相关科技文献，遵循实用、简单、可靠和低成本的原则，设计了一种既可用于精度要求不高，又需要控制要求比较高的控制系统。

本次设计采用单片机为控制核心，利用其强大的功能，把键盘和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便、交互性强的控制系统。

而且整个系统所包含的技术几乎包括了现本科学校控制专业所要求的知识，有利于实践教学取得最大效果。

键盘电路和显示电路采用了动态扫描技术，节约了单片机资源。

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。

关键词：

单片机，步进电机，中断

DesignandApplicationofTheStepping

MotorControlSystem

ABSTRACT

Thisdesignthroughtheanalysisofstepintothemotorstructure,workingprinciple,refertothestepmotorcontrolsystemofscientificandtechnicalliterature,followingpractical,simple,reliableandlowcostprinciple,designacanbeusednotonlytotheaccuracyrequirementisnothigh,butcontroltheoccasionsthatneedtocomplete.Forthisdesign,therearethefollowingconclusions:

Usingthesinglechipmicrocomputerasthecore,theuseofitspowerfulfeatures,thekeyboardanddisplaycircuitoftheorganiccombination,aconvenientoperation,interactiveandstrongcontrolsystem.Andthetechnologyofthewholesystemincludesalmosttheknowledgethattheundergraduateschoolcontrolprofessionalrequired,anditishelpfulforthepracticeteachingtoachievethemaximumeffect..Thekeyboardcircuitandthedisplaycircuitusethedynamicscanningtechnology,savingtheMCUresources.Thesoftwareisstructuredandhastheeasymaintenance.Accordingtothenewrequestoftheuser,thesoftwaresystemcanbemodifiedtoimprovethefunctionofthesystem..

Keywords:

singlechipmicrocomputer,steppingmotor,interrupt.

1绪论

1.1设计背景

单片机是现代电子技术、计算机技术的新兴领域，以单片机为代表的嵌入式系统的出现标志着现代电子系统时代的到来。

采用嵌入式系统集成器件，将电子系统的设计从单纯的硬件设计变为智能化的硬、软件设计，从而使现代电子系统软硬结合，具有智能化、系统功能，具有柔韧性及激励-运行-响应等特点。

目前，单片机的价格己很低廉，这使得单片机的应用更为广泛，因此就有可能比较普遍地应用微机来控制各类电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。

比较简单的电机微机控制，例如在适当的时刻让小型电动机起动、制动或反转之类，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。

在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电动机的动作。

至于复杂的控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。

通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。

例如传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电动机的调速性能很好，但带有机械换向器。

有机械磨损及换向火花等问题，交流电动机，不论是异步电动机还是同步电动机，结构都比直流电动机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而又经济地调节。

交流电机采用正弦脉宽调制方式进行变频调速是比较理想的，但若要用普通的模拟电路或数电路完成这一任务，电路相当复杂，用微机控制就简单多了。

若要进一步提高调速精度及动态性能，可采用矢量控制方案，它的调速性能将与直流电动机相当。

但矢量控制比较复杂，用传统的模拟电路或数电路很难做到，而应用微机控制则能方便地实现。

单片机品种繁多，就应用情况看，应用最广者当属Intel公司的MCS-51系列8位机。

在Philips等公司推出新一代80C51系列单片机后，各种型号的80C51层出不穷。

51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。

该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统中。

很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。

51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程的能力。

近年，由于CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化。

CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。

这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。

因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。

CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。

采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。

随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。

CHMOS和HMOS工艺的结合。

目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。

因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路[1]。

单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。

其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。

考虑到经济和可靠性的要求，本设计中采用AT89C51单片机，它宏晶科技设计生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机。

是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。

指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

1.2步进电机及其发展

步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为Stepmotor或Steppingmotor，Pulsemotor，Stepperservo，Stepper等等。

目前，随着电子技术拉制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。

这是机电一体化元件组件的必然趋势。

就传统的步进电机来说，可以简单地定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位里而静止的电动机。

从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电机。

步进电机的机理是基于基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。

1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氮弧灯的电极输送机构中。

这被认为是最初的步进电机。

此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。

不久又在缺乏交流电源的船泊和飞机等独立系统中广泛应用[2]。

步进电机是一种感应点击，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

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[3]。

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。

步进电机作为执行元件，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，在各个国民经经济领域都有应用。

20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电机在众多领域的应用。

在近30年间，步进电机迅速地发展并成熟起来，从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机，以及同步电机并列，从而成为电机的一种基本类型。

传统的步进电机一般可分为永磁式步进电机（PMStepMotor），反应式步进电机（VRStepMotor）和混合式步进电机（HybridStepMotor）三种。

永磁式步进电机类似于永磁转子的同步电机，转子上安装有永磁体，但定子一般为集中式绕组。

反应式步进电机靠变磁阻原理运行，没有永磁体。

混合式步进电机最初是作为一种低速驱动用的交流同步电机而设计的，后来发现如果各相绕组通以直流脉冲，这种电机也能步进运动。

它的转子嵌有轴向充磁磁钢，主要依靠定转子磁场相互作用产生转矩，由于它特殊的结构，它的步距角远小于永磁式步进电机，也可看成是一种极对数很多的永磁式转子同步电机[4]。

我国步进电机的研究及制造始于本世纪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机为主。

70年代初期，步进电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年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。

自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。

自本世纪中叶，步进电机的应用渗进到数控制的各个领域，尤其在（数控）机械中广泛利用其开环拉制的特点。

近十几年来，步进电机在FA机器（FactoryAutomation）和计算机外部设备等领域作为控制用电动机和驱动用电动机而广泛使用。

1.3研究的内容

本论文研究的是反应式步进电机驱动控制系统，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。

步进电机是一种将电磁脉冲转化为角位移的执行机构。

当步进驱动器接受到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转式以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移的量，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。

并且以MCS-51系列单片机89为核心控制器，采用分频和频率选择控制电机速度，采用细分驱动控制方式，选用8713脉冲分配器，它可以驱动三相、四相反应式步进电动机[13]。

本设计内容主要是基于单片机的反应式步进电动机驱动控制系统软件设计，包括控制部分硬件设计、驱动部分硬件设计、电源供电部分的设计和系统软件部分设计。

2总体方案论证与设计

2.1步进电机原理及控制技术

由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备——步进电机控制驱动器，典型步进电机控制系统如图2-1所示：

图2-1步进电机运行过程中频率变化曲线

控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：

一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器[6]。

另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。

功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。

从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，其基本原理如下：

（a）换相顺序的控制

通电换相这一过程称为脉冲分配。

例如，三相步进电机在单三拍的工作方式下，其各相通电顺序为A→B→C→A，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通断。

三相双三拍的通电顺序为AB→BC→CA→AB，三相六拍的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A。

（b）步进电机的换向控制

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。

若步进电机的励磁方式为三相六拍，即A→AB→B→BC→C→CA→A。

如果按反序通电换相，即A→AC→C→CB→B→BA→A，则电机就反转。

其他方式情况类似。

步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内在换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。

换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。

对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。

在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速→换向→加速3个过程。

（c）步进电机的速度控制

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。

两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。

调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。

（d）步进电机的起停控制

步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。

为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。

在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。

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，如图2所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。

图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。

（e）步进电机的加减速控制

在步进电机控制系统中，通过实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于惯性跟不上电信号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。

所有步进电机在启动时，必须有加速过程，在停止时波形有减速过程。

理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。

选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。

在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。

步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。

电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，有了这些数据，才能有效地对电机进行加减速控制。

加速过程有突然施加的脉冲启动频率f0。

步进电机的最高启动频率（突跳频率）一般为0.1KHz到3~4KHz，而最高运行频率则可以达到N*102KHz，以超过最高启动频率的频率直接启动，会产生堵转和失步的现象[26]。

在一般的应用中，经过大量实践和反复验证，频率如按直线上升或下降，控制效果就可以满足常规的应用要求。

用PLC实现步进电机的加P减速控制，实践上就是控制发脉冲的频率。

加速时，使脉冲频率增高，减速则相反。

如果使用定时器来控制电机的速度，加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。

速度从v1~v2变化，如果是线性增加，则按给定的斜率加减速；如果是突变，则按阶梯加速处理。

在此过程中要处理好两个问题：

（f）速度转换时间应尽量短。

为了缩短速度转换的时间，可以采用建立数据表的方法。

结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率，就可以建立一个连续的数据表，并通过转换程序将其转换为定时初始表。

通过在不同的阶段调用相应的定时初值，就可控制电机的运行。

定时初值的计算是在定时中断外实现的，并不占用中断时间，保证电机的高速运行。

（g）保证控制速度的精确性。

要从一个速度准确达到另一个速度，就要建立一个校验机制，以防超过或未达到所需速度。

2.1.1步进电机驱动方法

恒电压驱动方式（单电压驱动方式；高低压驱动方式）

恒电流斩波驱动方式（自激式恒电流斩波驱动方式；由于斩波率时可变的，容生振荡，可靠性较低，它激式恒电流斩波驱动方式，控制信号有时会丢失）

细分驱动方式（步距角变小，分辨率提高，提高了电机的定位精度，启动性能和高频输出转矩，减弱和消除了步进电机的低频振动）

2.1.2步进电机的特点

（a）步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。

（b）由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，也非常可靠。

同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

（c）步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。

（d）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。

（e）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电源。

该设计采用了28BYJ-48型步进电机，该电机为四相步进电机，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。

 目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。

本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。

四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。

本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。

步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强。

 单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。

人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。

单片机芯片与其它CPU比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，以适应不同的工作情况。

单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。

本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。

这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。

对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或ROM作为程序存储器使用。

单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。

本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。

这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。

对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有ROM/EPROM芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器使用。

2.1.3AT89C51简介

AT89C51含E²PROM电可编闪速存储器。

有两级或三级程序存储器保密系统，防止E²PROM中的程序被非法复制。

不用紫外线擦除，提高了编程效率。

程序存储器E²PROM容量可达20K字节[23]。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

（a）主要特性：

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM·5个中断源

·片内振荡器和时钟电路

（b）管脚说明：

  VCC：

供电电压。

 GND：

接地。

  P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

  P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

 P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电