基于AT89S51单片机的步进电机控制系统设计.docx

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基于AT89S51单片机的步进电机控制系统设计

摘要

步进电机是将等大多数场合。

实践证明，基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更好的性能，更加简单、方便、可靠。

本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执行器件——步进电机。

【关键词】步进电机单片机正反转控制

ABSTRACT

Steppermotoristhe electricalpulsesignalintoan openloop controlof angulardisplacementorlinedisplacementcomponents, itcanbe inaccordancewiththe requirementsof the control pulse, rapid starting,braking, reverse and speedcontrol. Steppermotor canbedrivendirectlyfromadigital signal, veryconvenienttouse. Therefore, thesteppermotor intheautomaticcontrolsystem, especially, hasbeenwidelyusedintheopen-loopcontrolsystem.

Inthispaper, basedonthechipmicrocomputerAT89S51and pulsedistributor asthecoredesignof steppermotorcontrolsystem, throughthedesignofsoftwareandhardware debugging, toachieve thesteppermotoraccelerationanddecelerationcontrol can automatically accordingtotheset ofparameters, whichmakesthecontrolsystem intheshortesttimeto reachthe endpointcontrol, stepoutof thephenomenondoesnotoccuratthesametime itcancontrol and; steppermotor accurately, startandstop. Thehardware controlcircuit,AT89S51microcontrollerasthecore mainlyincludes:

the ringpulsedistributor, thekeyboardanddisplaycircuit, drivingcircuitofsteppingmotor. Thesoftware isprogrammedbyClanguage, includingthe keyboarddisplayprogram, controlprogram, steppingmotorstop judgingprogram etc..

Thesystemusesmodulardesign, simplestructure, reliable, interfaceforhuman-computerinteractionthroughthe realizationofthe functions, simpleoperation, easytomaster. Thesystemcanbeappliedtothe steppermotor controlinmechatronicsmostoccasions.

Practicehasprovedthat, theperformanceof singlechipsteppermotorcontrol thanthetraditionalstep basedonthe controllerhasbetter, more simple, convenient, andreliable. Themainresearchobject ofthisdesignisthe most commonlyused device loopservo system -- thesteppermotor.

【Keywords】SteppermotorSCMPositiveinversioncontrol

前言

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。

单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。

各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。

而AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位微控制器,可在4K字节的系统内编程的闪存存储器。

通过结合通用8位中央处理器的系统内可编程闪存的单芯片，AT89S51是一个功能强大的微控制器提供了高度灵活的和具有成本效益的解决办法，可在许多嵌入式控制中应用。

该设备是采用Atmel的高密度、非易失性存储器技术和符合工业标准的80C51指令集和引脚。

芯片上的Flash程序存储器在系统中可重新编程或常规非易失性内存编程。

实践证明，基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更好的性能，更加简单、方便、可靠。

本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执行器件——步进电机。

本次毕业设计通过软件和硬件的结合实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速功能。

主要通过三大块来设计，包括驱动电路的设计、状态显示部分和按键部分的设计。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而精确地控制转动角度；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的角度和加速度，从而达到调速的目的。

第一章步进电机概述

第一节步进电机简介

步进电机的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后开始以控制为目的的尝试，高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。

步进电机是一种感应电机，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。

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，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

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，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。

三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成。

步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。

因此非常适合于单片机控制。

步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。

步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。

由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接收数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。

步进电机工作时，失步或者过冲都会直接影响其控制精度。

研究步进电机的加减速控制，可以提高步进电机的响应速度、平稳性和定位精度等性能，从而决定了步进电机控制系统的综合性能。

第二节步进电机的研究意义

由于步进电机不需要位置传感器或速度传感器就可以实现定位，即使在开环状态下它的控制效果也是令人非常满意的，这有利于装置或设备的小型化和低成本，因此步进电机在计算机外围设备、数控机床和自动化生产线等领域中都得到了广泛的应用。

对于一个步进电机控制系统而言，总希望它能以最短的时间到达控制终点。

因此要求步进电机的速度尽可能地快，但如果速度太快，则可能发生失步。

此外，一般步进电机对空载最高启动频率都是有所限制的。

当步进电机带负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。

根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差。

当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。

由此可见，一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动时有一个加速的过程。

从高速运行到停止也应该有一个减速的过程，防止步进电机因为系统惯性的原因，而发生冲过终点的现象。

为此本文以单片机作为控制核心，实现步进电机的自动加减速控制，使系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象。

因为步进电机的转速正比于控制脉冲的频率，所以调节步进电机的转速，实质上是调节单片机输出的脉冲频率【1】。

由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接收数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。

步进电机工作时，失步或者过冲都会直接影响其控制精度。

研究步进电机的加减速控制，可以提高步进电机的响应速度、平稳性和定位精度等性能，从而决定了步进电机控制系统的综合性能。

第三节步进电机在我国的发展及前景

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。

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。

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。

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。

但步进电机并不能像普通的直流电机，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。

步进电动机已成为除直流电动机交流电动机以外的第三类电动机。

传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。

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。

第四节本章小结

本章首先介绍了课题研究的背景，其次介绍了课题研究的目的和意义，最后介绍了步进电机在我国的发展前景。

第二章步进电机控制系统设计方案

第一节设计要求分析

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。

步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。

正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。

由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。

一、通电方式选择

（一）三相单三拍通电方式

这是步进电机的一种最简单的工作方式，所谓“三相”，即三相步进电机，具有三相定子绕组；“单”指每次只有一相绕组通电；“三拍”指三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次情况。

当A相绕组通电如图2.1（a）所示，而B相和C相不通电时，A相的两个磁极被励磁，一个呈N极另一个呈S极，由于磁场对转子铁心的电磁吸力，使转子轴线对准A相磁极的轴线。

这种现象也可以这样来理解，A相通电时，转子对定子的相对位置不同，则磁路的磁阻也不同，使A相磁路的磁阻为最少的转子位置，就是该时的稳定平衡位置，即转子稳定在转子轴线和A相磁极轴线相重合的位置。

同样道理，当A相断开，接通B相时，如图2.1（b）所示，B相磁极对转子的电磁力将使转子顺时针转过60°，达到转子轴线和B相磁极轴线相重合的位置，即转子走过一步，然后B相电源断开，同时接通C相如图2.1（c）所示，同理将使转子按顺时针方向再走一步。

如此按A-B-C-A的顺序使三相绕组轮流通电，则转子依顺时针方向一步一步地转动。

如果改变三相绕组的通电顺序为A-C-B-A显然步进电机将按逆时针方向转动。

上述三相三拍运行，表示三种通电状态为一个循环，即三次通电状态改变后，又恢复到起始状态，一拍对应转子转过的角度称为步距角，通常用θs表示，图2.1中转子每步转过的步距角为60°。

（a）A相通电（b）B相通电（c）C相通电

图2.1三相反应式步进电机原理

如果将上图的反应式步进电机的转子制成四极（或称为四个齿）结构，如图2.2所示，则按三相单三拍运行时，转子的步距角也将发生变化。

当A相通电时如图2.2（a）所示，转子齿1、3对准A相磁极轴线重合，当B相通电时如图2.2（b）所示，转子将逆时针转过30°，稳定在转子齿2、4对准B相磁极轴线的位置，当C相通电时如图2.2（c）所示，转子又将逆时针方向转动30°，转子齿1、3对准C相磁极轴线的位置，由此可见，每通电一次转子转过的角度为30°即每步转过的步距角为30°。

（a）A相通电（b）B相通电（c）C相通电

图2.2转子为四极的三相步进电机

（二）三相双三拍通电方式

如果将步进电机的控制绕组的通电方式改为：

AB-BC-CA-AB或AC-CB-BC-CA。

这种通电方式每拍同时有两相绕组通电，三拍为一循环，如图2.3所示，转子为四极的反应式步进电机。

图2.3（a）为AB相同时通电的情况，图2.3（b）为BC相通电的情况，可见转子每步转过的角度为30°与单三拍运行方式相同，但其中有一点不同，即在双三拍运行时，每拍使步进电机从一个状态转变为另一个状态时，总有一相绕组保持通电。

例如由AB相通电变为BC相通电时，B相保持继续通电状态，C相磁极力图使转子逆时针转动，而B相磁极却起阻止转子继续向前转动的作用，即起到一定的电磁阻尼作用，所以步进电机工作比较平稳，三相单三拍运行时，由于没有这种阻尼用，所以转子到达新的平衡位置后会产生振荡，稳定性能远不如双三拍运行方式。

（a）AB相通电（b）BC相通电

图2.3三相双三拍运行方式

（三）三相六拍通电方式

这是一种将一相通电和两相通电结合起来的运行方式，其具体通电方式为：

A-AB-B-BC-C-CA-A或A–AC-CB-B-BA-A，即一相通电和两相通电间隔轮流进行，六种不同的通电状态组成一个循环，这时步进电机的工作情况如图2.4所示，图2.4（a）为A相通电时的情况，转子齿1、3磁轴与A相磁极轴线重合，当通电状态由A转为AB时，步进电机的状态如图2.4（b）所示，转子齿1、3磁极离开A相磁极轴线，即转子逆时针转过15°。

通电方式由AB转为B时，步进电机的状态如图2.4（c）所示，转子齿2、4磁极轴线和B相磁极轴线相重合，或转子齿1、3磁极轴线离开A相磁极轴线30°角，即转子又逆时针方向运行了一步，相应的角度为15°如此类推，可见步进电机每走一步，将转过15°，恰好为三相单拍或双三拍通电方式的一半。

六拍运行方式与双三拍相同，由一个通电状态转变为另一通电状态时，也总有一相继续保持通电，同样具有电磁阻尼作用，工作也比较平稳。

（a）A相通电（b）AB相通电

（c）B相通电（d）BC相通电

图2.4三相六拍通电方式

通过分析可知一台步进电机可以有不同的通电方式，即可以有不同的拍数。

拍数不同时，其对应的步距角大小也不同，拍数多则步距角小。

通电相数不同也会带来不同的工作性能。

此外，也可以看到同一种通电方式，对于转子磁极数不同的步进电机，也会有不同的步距角。

步距角θs可由式（1-1）求得【3】

θs=360°/mKZR（1-1）

式中m—控制绕组相数；

ZR—转子齿数；

K—与通电方式有关的状态系数，当通电方式为单拍，即拍数与相数相同，K=1；

为双拍时，即拍数为相数的两倍时，K=2。

二、续流电路

如图2.5所示为一相励磁时的等效电路。

L为绕组电感，R为串联回路的总电阻，E为反电动势。

当步进电机为锁定状态时，忽略T管的压降，则绕组的电流为U/R。

如果T断电，绕组中磁场能量将极力保持原有电流的方向。

晶体管上的管压降将随Ldi/dt正比的增加，这个峰值电压的大小可能会超过一个晶体管的最大耐压U，造成晶体管损坏。

常用的步进电机可以很容易产生数值比步进电机外加电压大的峰值电感电动势。

这个电感电动势必须控制在晶体管安全运行区域内。

所以驱动电路除了对步进电机绕组提供导通回路外，还必须提供一个绕组断电时的续流回路，其作用是既要保证电流的泄放的速度，同时又要抑制电感电势，保护晶体管不受感应电动势峰值的冲击。

图2.5一相励磁电路

（一）二极管续流

抑制电势的最简单的形式是用二极管跨接步进电机绕组的两端，如图2.6所示。

在绕组导通期间，二极管处于反向截止状态。

当绕组断电时，绕组电势极性反向，二极管处于正向导通的状态，为电流提供一个续流回路，二极管把功放管的集射极电压钳位到电源电压+U。

当一相绕组断电时，存储在绕组中的能量必须消耗在电路的电阻R中，该电阻包括绕组电阻，串联电阻和二极管正向导通电阻，衰减时间常数为L/R。

在低速时，断电相电流衰减缓慢是允许的，但高速时，就会影响步进电机的控制性能。

图2.6二极管泄放电路图2.7负载曲线

（二）二极管—电阻续流

要求高速或变速运行时，断电绕组的能量必须尽快消耗，这可以通过增加一个与二极管串联的电阻Rs，以减少泄放回路的时间常数，此时断电回路的时间常数为L/（R+Rs）。

Rs的最大值取决于集—射极间的击穿电压Ucer。

当步进电机截止时，若通过二极管的初始电流为额定电流In，即

In=U/R

则晶体管集—射极间的压降为

Uce=U+RsIn=U（1+Rs/R）

这样为使Uce

则Rs

图2.8二极管—电阻续流回路图2.9负载曲线

由以上分析可知续流电路的特点如下：

（1）断电相的磁场能量总是消耗在回路的电阻上，其中包括电动机绕组自身的电阻。

（2）续流串联电阻的大小因需要保护功放管的安全而受到限制。

（3）衰减时间常数大，在步进电机高速运行时产生阻转矩，影响系统的特性。

三、步进电机的变速控制

对于大多数的任务而言，总希望控制系统能尽快地到达控制终点。

因此要求步进电机的速度尽可能快一些，但如果速度太快，则可能发生失步。

此外一般步进电机对空载最高启动频率都是有所限制的。

所谓的最高空载启动频率是指步进电机空载时，转子从静止状态不失步地进入同步状态（即步进电机每秒钟转过的角度和控制频率相对应的工作状态）的最大控制频率。

当步进电机带负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。

根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差；当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。

由此可见，一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动的瞬间采取加速的措施。

一般来说，升频的时间约为0.1~1s之间。

系统运行起来之后，如果到达终点时立即停止，可能会因系统惯性的原因，发生冲过终点的现象，使点位控制发生偏差，所以从高速运行到停止也应该有减速的措施【6】。

为此，提出一种变速控制的程序，该程序的基本思想是，在启动时，以低于响应频率fs的速度运行；然后开始慢慢加速，加速到一定频率fe后就以此速率恒速运行。

当快要到达终点时，又使其慢慢减速，在低于响应频率fs的速率下运行，直到走完所规定的步数后就停止运行。

这样步进电机便可以以最快的速度走完所规定的步数，而又不发生失步的现象。

因此在点位控制过程中，运行速度需要有一个加速—恒速—减速—低恒速—停止的过程，上述的变速控制过程如图2.10所示。

图2.10点—位控制的加减速过程

对于一个非常短的距离，如在数步范围内，电动机的加减速过程没有实际意义，只需要按起动频率运行即可。

对于中等或比较长的运行距离，步进电机加速后应该有一个恒速的过程。

系统在工作过程中，都要求加减速的时间尽量短，而恒速时间尽量长。

特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点的时间要求最短，这就必须要求加减速的过程最短而恒速时速度最高。

加速时的起始速度应该等于或略小于系统的极限起动频率，而不是从零开始。

减速过程结束时的速度一般等于或略低于起动速度，再经数步低速运行后停止。

升速的规律一般有两种，一是按直线规律升速，二是按指数规律升速。

按直线规律升速时加速度为恒定，因此要求步进电机产生的转矩为恒值。

但实际上步进电机升速时由于反电动势和绕组电感的作用，绕组电流将逐渐减小，因此输出的转矩会有所下降，按指数规律升速时，加速度是逐渐下降的，接近步进电机输出转矩随转速变化的规律【7】。

由于步进电机的速度正比于脉冲频率，控制步进电机的速度实际上就是控制脉冲频率。

用单片机对步进电机进行加减速控制，即控制CP脉冲的时间间隔。

升速时使脉冲逐渐加密，减速时使脉冲逐渐变疏。

本系统采用定时器中断来控制步进电机的加减速，实际上是不断改变定时器的定时初值的大小。

在运行的过程中用查表的方式查出所需的定时初值，从而减小占用CPU的时间，提高系统的响应速度。

步进电机的加减速控制技术是步进电机控制中的一项关键技术，它直接影响步进电机运行的平稳性、升降速的快慢、定位精度等性能，从而决定了步进电机控制系统的综合性能。

采用步进电机的加减速控制可以有效地克服步进电机启动过程中出现失步的问题，提高系统的响应速度和精度【8】。

（一）改变控制方式的变速控制

最简单的变速控制可以利用改变步进电机的控制方式实现。

例如，在三相步进电机中，启动或停止时，用三相六拍，大约在0.1秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到达终点时，再次采用三相六拍的控制方式，以达到减速的目的。

（二）均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制

步进电机的加减速控制，可以均匀地改变脉冲时间间隔来实现。

例如在加速控制中，可以均匀地减少延时时间间隔；在减速时，可以均匀地增加延时时间间隔。

具体地说，就是均匀地增加或减少延时程序中延时时间常数。

这种控制方法的优点是，由于延时的长短不受限制，使步进电机的频率变化范围比较宽，但它降低了单片机的实时处理能力。

（三）采用定时器的变速控制

在单片机控制系统中，可以采用单片机内部的定时器来提供CP脉冲。

其方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间向CPU申请一次中断，CPU响应中断后便发出一个脉冲。

此时只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加减速的目的【9】。

这种方法的优点是减少占用CPU的时间，提高控制系统的效率和实时处理能力。

为了提高单片机的实时处理能力，系统采用中断的方法进行调速。