步进电机控制系统设计DOC.docx
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步进电机控制系统设计DOC
湖南文理学院芙蓉学院
课程设计报告
课程名称：
专业综合课程设计
专业班级：
自动化1001班学号：
40
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完成时间：
2013年6月13日
报告成绩：
评阅意见：
评阅教师日期2013.6.
芙蓉学院教学工作部制
摘要
本文先介绍了混合式步进电机的结构和工作原理，分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用，论述了正弦波细分驱动可以实现等步距角、等力矩均匀细分驱动的原理，提出了一种基于H桥和其他分立元件分配脉冲的驱动技术，该方案可实现步进电机的单拍、半拍、双拍三种工作方式。
本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、液晶显示电路组成，单片机是控制系统的核心。
文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍。
关键词：
单片机；正弦脉宽调制；混合式步进电机；细分驱动
Abstract
Inthispaper,theworkingprincipleandconfigurationofthree-phasehybridStepperareintroduced,thenbasedontechnologiessuchassteppermotorcontroller,PWMinverterandmicrocontroller.Inthethesis,wedevelopasinglechipcomputer-baseddigitalcontrollingsystemforathree-phasehybridsteppermotorthatismainlyconstructedfromaAT89C51singlechipcomputerandST7920ICwhichisusedasthecoreofcontrolparts.Thesystem'swholearchitecture,thedesignofhardwareandsoftwareareintroducedindetail.
KEYWORDS:
Microcontroller，SPWM，Hybridsteppermotor，Micro-steppingdriver
题目名
步进电机驱动及控制电路的设计
一、绪论
1.1步进电机概述
步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。
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（即步距角）。
脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多；输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。
因此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；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。
步进电机种类，根据自身的结构不同，可分为常用三大类:
反应式（VR，也称磁阻式）、永磁式（PM），混合式（HB）。
其中混合式步进电机兼有反应式和永磁式的优点，它的应用越来越广泛。
1.2步进电机的特征
步进电机具有自身的特点，归纳起来有：
（1）位置及速度控制简便：
步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活的角度控制（位置控制）。
因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可在相当宽范围内平滑调节。
（2）可以直接进行开环控制：
因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。
（3）高可靠性：
不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。
1.3步进电机驱动系统概述
步进电机的工作必须使用专用设备—步进电机驱动器。
驱动器针对每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电（励磁），以产生必要的转矩，驱动转子运动。
步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的3大部分。
步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器性能的优劣。
当电机和负载己经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法。
步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动等.
（1）单电压驱动：
主要特点是结构简单、成本低，通常在绕组回路中串接电阻，以改善电路的时间常数来提高电机的高频特性。
缺点是串接电阻将产生大量的热，对驱动器的正常工作极其不利，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。
（2）高低压驱动：
电机每相绕组导通时，首先施加高电压，使电流快速上升，当电流上升到额定值时，将高电压切断，回路电流以低电压电源维持。
这种方式由于电流波形得到了很大改善，电机的矩频特性较好，起动和运行频率得到了较大提高。
但由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响易使电流波形的顶部呈凹形，致使电机的输出转矩有所下降且需要双电源供电。
（3）斩波恒流驱动：
为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，人们研制出斩波电路，采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而斩波恒流驱动应用相当广泛。
1.4课题研究的主要内容
本课题以设计一套基于单片机和步进电机细分控制技术的步进电机驱动器为主要目标，主要内容有：
（1）采用正弦脉宽调制技术、电流跟踪技术和细分技术实现对电机相电流的控制，以克服传统驱动技术下步进电机低速振动、存在共振现象、噪音大、高速转矩小等缺点。
（2）用开关电源为驱动器内部电路供电，减小驱动器的体积和重量，提高电源效率。
（3）驱动器的采用分立元件组成单电压驱动来驱动单极性步进电机用H桥驱动双极性步进电机，因此只用一路电源，使系统设计极为简化。
（4）控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及液晶显示芯片ST7920，单片机是控制系统的核心。
采用了单排6键的键盘、液晶显示芯片ST7920，该芯片能自动完成对显示的刷新，自带有中文字库，使用非常方便。
双机通讯电路，该电路能大大节省主机CPU的开销，提高了可靠性和电路的工作效率。
二步进电机驱动系统的方案论证
2.1步进电机驱动系统简介
步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备—步进电机驱动器。
步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。
典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。
步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。
步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。
控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。
通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。
步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。
控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。
功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。
保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。
2.2步进电机驱动器的特点
步进电机的驱动特点主要体现在以下几个方面：
（1）各相绕组都是开关工作。
多数电机绕组都是连续的交流或直流供电，而步进电机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是断续的。
（2）步进电机各相绕组都是在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。
绕组通电时，电流上升受到限制，因此影响电机绕组电流的大小。
（3）绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。
为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。
绕组导通和截止过程都会产生较大的反电势，而截止时的反电势将对驱动器功率器件的安全产生十分有害的影响，使整个系统的使用受到影响。
（4）电机运行时在各相绕组中将产生旋转电势，这些电势的方向和大小将对绕组电流产生很大的影响。
由于旋转电势基本上与电机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电机输出转矩随着转速升高而下降。
2.3混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较
与反应式和永磁式相比，混合式步进电机运行特性具有很多优点，在国外已是步进电机系列的主流。
混合式步进电机的驱动技术在发展和成熟的过程中出现过各种各样的驱动电路拓扑结构和驱动方式。
根据主电路结构的不同可分为单极性驱动、双极性驱动、全H桥和多相桥驱动；根据驱动方式的不同又可分为单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动、电流细分驱动等。
2.3.1双极性驱动器与单极性驱动器
混合式步进电机要求双极性供电，也就是要求电机励磁绕组有时通正向电流，有时通反向电流。
在步进电机发展的初期，电子技术发展水平有限，为了简化驱动电路，采用单极性电路。
将电机绕组采取双线并绕，一相绕组分成二相，其中之二正向通电，另一则反向通电，这样可单极性供电而达到正、反向励磁的目的（图1）。
最简单的两相电机单极性驱动电路，只要用四个功率开关管，结构简单，成本低，电机的绕组在同一时间只能有一半通电，因此绕组的电感小，有利于电机的高速性能；缺点是每次只使用了绕组的一半，中低速运行时转矩不如整个绕组励磁的电机。
而且电机引线过多，两相电机需要六个引出端，三相电机需要9个引出端，五相电机则需要15个引出端，使得单极性驱动器与三、五相电机之间连线太复杂，因此仅用于两相混合式步进电机。
图1单极性驱动电路
随着电子技术的发展，电子元器件价格的降低，双极性驱动电路的实现变得容易，成本也增加不多，因此现在绝大多数混合式步进电机使用双极性驱动。
对电机绕组双向供电的典型结构是H桥式电路，如图2所示。
当开关管T1，T4导通、T2，T3截止时，电流经T1、电机绕组和T4到地；Tl，T4截止、T2，T3导通时，电流经T3、电机绕组和T2到地；可见电流方向相反。
Dl，D2，D3和D4四个二极管组成续流回路。
电机每一相绕组需四只开关管驱动，驱动器成本比较高。
电机的相数增多时，H桥式电路需要功率管数多的缺点较为突出，例如五相电机就需要20只功率管。
图2H桥驱动电路
多相桥式电路，也叫多相半桥电路，这种电路比H桥减少了一半的晶体管，降低了驱动器的成本、体积和发热。
采用多相桥式电路时，电机相绕组间通常为星形或多边形联接，图3是三相混合式步进电机绕组二种联接的例子。
星形接法时，二相绕组串联起来一起跨接到功放电源上，每相绕组的端电压大约只有功放级电压的一半，因此系统运行的高频特性和动态性能，比用H桥式驱动电路时低。
如果想要获得与H桥驱动相近的性能，则绕组的匝数应减半或加倍相绕组的电压。
电机绕组为三角形联接时，功放桥的电压直接加到每一相绕组上，相绕组的电压较高，高频运行及动态响应比星形接法时好，与H桥驱动时相接近。
但由于二相绕组的电流同时流经一个功率管，每个开关管的电流最大时约为相电流的二倍，即为H桥驱动或星型接法驱动时的二倍。
这两种接法共同的特点在于，电机三相电流不是独立可调的，根据基尔霍夫定理，电机三相电流必须满足一个约束方程：
图3三相电机多相桥驱动的三角形和星形接法
2.3.2单电压驱动方式
单电压驱动方式是指步进电机绕组上加上恒定的电压V，这种驱动方式的电路相当简单，流经绕组中的电流以时间常数L/R（L为绕组的电感，R为绕组的电阻）上升，直到达到额定电流I=V/R。
当电机高速运行时，流经绕组的电流还未上升到额定电流就被关断，相应的平均电流减少而导致输出转矩下降。
为改善高速运行的电机转矩特性，通常在连接电机绕组的线路中串联一个无感电阻来减少电气时间常数，同时成比例的增加电源电压以保持额定电流不变（图4）。
单电压驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。
缺点是串入电阻将加大功耗，降低功放电路的功率，必须具备相应的散热条件才能保证电路稳定可靠的工作。
所以这种电路一般仅适合于驱动小功率步进电机或对步进电机运行性能要求不高的情况。
图4单电压驱动
2.3.3高低压驱动方式
为了改善驱动器的高频特性，就必须提高导通电流的前沿，即提高电源电压，但是电压提高的同时也会使相绕组电流增大，必须加限制电阻，加入电阻后又会引起发热，加剧功率的损耗，降低效率。
为了解决这些问题，又产生了高低压驱动电路。
高低压驱动的设计思想是不论电动机的工作频率如何，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。
高低压驱动的原理线路如图5所示。
图5高低压驱动电路原理图图6斩波驱动电路原理图
高低压驱动可保证在很宽的频段内绕组都有较大的平均电流，在截止时又能迅速释放，能够产生较大的且较稳定的电磁转矩。
其优点是：
功耗小，启动转矩大，高频性能较好。
但是也存在着低频振荡加剧，波形呈凹形，驱动电源和大功率管数量加倍，成本上升的缺点。
2.3.4斩波恒流驱动
恒流斩波驱动控制技术是目前步进电机控制的主流技术之一，斩波电路的出现是为了弥补高低压驱动电路波形呈凹形的缺陷，使电机的输出转矩的平均值基本恒定。
同时电机的高频响应得以提高，共振现象减弱。
其电路结构如图6所示。
斩波驱动中，虽然电路较复杂，但是由于驱动电压较高，电机绕组回路又没有串入电阻，整个系统功耗下降很多，所以电流上升快。
当达到所需要的电流时，由于取样电阻的反馈作用，使绕组电流基本恒定，从而保证在很大的频率范围内电动机的输出转矩基本恒定。
而输出转矩是步进电机的一个重要性能指标，当我们使电机的绕组电流恒定在一个较高的数值时，就可提升电机的输出转矩。
因此，为克服步进电机在高频时牵出转矩下降的问题，很多文献提出了一些新的恒流斩波驱动设计。
但是，恒流斩波技术不能解决步进电机本身所固有的低频振动问题，无法克服步进电机因受步距角限制而不能实现多种步距角控制的缺陷。
只有与单拍和双拍运行时相对应的两种步距角。
2.4方案的确定
对比上面的各种方案方案，各有各自的优缺点。
电流滞环型由于不需要三角载波环节，控制系统实现起来比较简单。
而固定开关频率型在电磁噪声和输出电流谐波方面具有优势。
在实际的步进电机驱动电路中考虑到成本和驱动电路精度要求的问题，双极性步进电机采用H桥驱动，单极性步进电机采用分立元件构成的驱动电路驱动。
三混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计
本章在以上章节的理论分析基础上，充分从实践的角度出发，主要介绍了该混合式步进电机驱动器的硬件设计部分，对硬件电路的总体设计方案及每个主要组成部分的功能及实现方法进行了详细的论述和分析。
系统的框图如图7所示：
图7系统框图
3.1单片机最小系统
高单片机集成度高，具有丰富的内部资源，再加上少量的外围扩展电路就可以构成体积小、可靠性、控制功能强且性价比高的控制系统。
Intel公司一直致力于单片机的开发研究，不断推出了许多功能更多，使用更方便的单片机系列，1980年在MCS-48的基础之上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。
与MCS-48系列相比，MCS-51系列单片机有更高的集成度，更丰富的指令系统，更好的可扩展性，以后好多系列的的单片机都是基于51核的。
8051单片机是MCS-51系列单片机中最基础的单片机型号，广泛应用己各个工程领域。
本系统便采用了此款单片机。
图8给出了它的最小系统电路图。
图8单片机最小系统
3.2红外遥控电路
红外线属于不可见光。
与可见光不同，其波长为850-11000nm，是人眼看不见的光线。
红外线遥控器已被广泛使用在各种类型的家电产品上，它的出现给使用电器提供了很多的便利。
红外遥控系统一般由红外发射装置和红外接收设备两大部分组成。
3.2.1红外发射电路
红外发射装置可由键盘电路、红外编码芯片、电源和红外发射电路组成。
该电路采用调幅方式，载波信号频率采用最常用的38KHZ。
当编码调制信号为高时，有载波信号输出；但编码调制信号为低时，载波信号不输出。
已调制的信号为断续的等幅信号（调制载波信号），信号波形如图9所示。
图9信号波形图
调制信号时将指令编码后输出的信号。
用MC145026做编码器。
电路原理图如图10所示：
图10遥控器发射电路
图中74LS147是优先编码器。
从8条数据线（2SW1-2SW8）输入的开关状态信号被74LS147编码为4线BCD码（8-4-2-1），再送MC145026，形成串行编码信号输出到NE555，产生调制、载波输出。
图中R1，C2和电位器D1配合NE555产生38KHZ的载波信号。
MC145026发送串行编码脉冲。
MC145026的引脚A1-A5为地址输入端，每一位都可设定为0，1和“开路”3个状态。
图中仅采用了0和“开路”这两个状态，MC145026的地址设置应与解码器MC145027配对，否则不能解码。
红外发射电路板用4节5号电池供电。
红外发射电路板到接收器（在主板上）的距离应在10m以内，以保证信号的可靠收/发。
3.2.2红外接收电路
红外接收设备可由红外接收电路、红外解码芯片、电源和应用电路组成。
接收振荡频率应与发射振荡频率相同。
考虑到用集成电路（HS0038A2）做红外接收头，其载波频率为38KHZ。
与MC145026编码器配套的解码器为MC145027。
接收电路原理图如图11所示：
图11遥控器接收电路
图中HS0038A2是集成红外接收头。
因为它的输出信号与解码器的输入信号反向，故加三极管Q1作为反相器。
当MC145027收到信号并解码成功后，其VT端出现高电平，同时输出解码后的4位数据（HD0-HD3）。
将VT信号反向，即可产生中断信号（INT0），向CPU申请中断。
在中断服务子程序中安排从输入端口读取这4位数据（HD0-HD3）。
3.3LCD显示电路
ST7920是台湾矽创电子公司生产的中文图形控制芯片，它是一种内置128×64－12汉字图形点阵的液晶显示控制模块，用于显示汉字及图形。
该芯片共内置8192个中文汉字（16×16点阵）、128个字符的ASCII字符库（8×16点阵）及64×256点阵显示RAM（GDRAM）。
为了能够简单、有效地显示汉字和图形，该模块内部设计有2MB的中文字型CGROM和64×256点阵的GDRAM绘图区域；同时，该模块还提供有4组可编程控制的16×16点阵造字空间；除此之外，为了适应多种微处理器和单片机接口的需要，该模块还提供了4位并行、8位并行、2线串行以及3线串行等多种接口方式。
利用上述功能可方便地实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示，所有这些功能（包括显示RAM、字符产生器以及液晶驱动电路和控制器）都包含在集成电路芯片里，因此，只要一个最基本的微处理系统就可以通过ST7920芯片来控制其它的芯片。
ST7920的主要技术参数和显示特性如下：
电源：
VDD（－2.7～＋5.5V）＋5V（内置升压电路，一般无需负压）；
功耗：
正常模式：
450μＡ，睡眠模式：
3μA，低功耗模式：
30μA；
显示内容：
128列×64行；
显示颜色：
黄绿；
显示角度：
6：
00钟直视；
LCD类型：
STN；
与MCU接口：
8位并行／3位串行；
配置有LED背光显示功能；
带有自动启动复位按钮（reset）；
软件功能设置：
画面清除、光标显示／隐藏、光标归位、显示打开／关闭、显示字符闪烁、光标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示、液晶睡眠／唤醒、关闭显示、自定义字符、睡眠模式等。
原理图如图12所示：
图12显示电路原理图
3.4双机通讯
在计算机冗余控制和分布式测控系统中，主要采用串行通信方式进行数据传输。
8051单片机自备串行接口，为机间通信提供了极为便利的条件。
双击通信也称为点对点的通信，用于双机冗余控制单片机和单片机之间交换信息，也用于单片机和通用微机间的信息交流。
在本设计中由于液晶显示占用了80C51的大量资源，考虑到端口扩展与存储器扩展的成本问题，采用双机通信既方便又实惠。
硬件电路原理图如图13所示：
图13双机通讯电路原理图
3.5步进电机驱动部分
3.5.1单极性步进电机驱动
单极性步进电机单相驱动电路原理图如图14所示：
图14单极性步进电机驱动电路
AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4~P1.7输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。
使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。
图中L1为步进电机的一相绕组。
AT89C2051选用频率12MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。
图3中的RL1~RL4为绕组内阻，50Ω电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。
D1~D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管（D1~D4）而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。
在50Ω外接电阻上并联一个200μF电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。
与续流二极管串联的200Ω电阻可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。
3.5.2双极性步进电机驱动
单相驱动电路如图15所示：
图15双极性步进电机驱动电路
图中A0.A3为一对控制线圈电流的一个方向，A2.A4为一对控制线圈电流的另一个方向。
3.6电源电路
LM2575系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。
LM2575系列开关稳压集成电路的主要特性如下：
●最大输出电流：
3A；
●最高输入电压：
LM2575为40V，LM2575HV为60V；
●输出电压：
3.3V、5V、12V、15V和ADJ（可调）等可选；
●振动频率：
52kHz；
●转换效率：
75%～88%（不同电压输出时的效率不同）；
●控制方式：
PWM；
●工作温度范围：
-40℃～+125℃
●工作模式：
低功耗/正常两种模式可外部控制；
●工作模式控制：
TTL电平兼容；
●所需外部元件：
仅四个（不可调）或六个（可调）；
●器件保护：
热关断及电流限制；
●封装形式：
TO-220或TO-263。
LM2575内部包含52kHz振荡器、1.23V基准稳压电路、热关断电路、电流限制电路、放大器、比较器及内部稳压电路等。
为了产生不同的输出电压，通常将比较器的负端接基准电压（1.23V），正端接分压电阻网络，这样可根据输出电压的不同选定不同的阻值，其中R1=1kΩ（可调-ADJ时开路），R2分别为1.7kΩ（3.3V）、3.1kΩ（5V）、8.84kΩ（12V）、11.3kΩ（15V）和0（-ADJ），
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