基于单片机的步进电机控制2毕业设计.docx
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基于单片机的步进电机控制2毕业设计
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2015届电子工程学院
毕业设计选题审批单
年级12专业电子班级1
学生姓名
蔡春雨
学号
选题
单片机控制步进电机设计
选题性质
□设计□报告□其他
选题论证：
指导教师初审意见：
签名：
年月日
毕业设计工作领导小组审批意见：
签名：
年月日
2015届电子工程学院
毕业设计开题报告及进度要求
年级2012班级1
学生姓名
蔡春雨
学号
指导教师
桑红
选题性质
□设计□报告□其他
选题
单片机控制步进电机设计
选题的目的和意义：
选题研究的主要内容和技术方案：
毕业设计工作时间
2015年月日至2015年月日
毕业设计工作日程安排
时间段
工作内容
指导教师意见：
成果要求：
签字：
年月日
摘要
步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
本文应用单片机AT89C51和脉冲分配器PMM8713，步进电机驱动器，光电隔离器4N25等，构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。
通过AT89C51和脉冲分配器PMM8713完成步进电机的各种运行控制方式，实现步进电机在3相6拍的工作方式下的正反转控制和加减速控制。
并通过步进电机丝杠连动，带动XY工作台的直线运动，实现从起点A点到预定点B点的位移控制。
整个系统采用模块化设计，结构简单，可靠，通过人机交互换接口可实现各功能设置，操作简单，易于掌握。
该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等大多数场合。
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、加减速控制、XY工作台
目录
摘要I
第一章绪论1
1.1步进电机及其发展1
1.2步进电机在我国的发展应用及前景1
1.3本文研究内容2
2.1步进电机的概念3
2.2步进电机的特点3
2.4步进电机的结构及工作原理4
2.4.1结构4
2.4.3工作原理4
2.4.4工作方式（三相）5
2.5步进电机的常用术语5
2.6步进电机的振荡和失步6
2.6.1振荡6
2.6.2失步7
2.7阻尼方法7
第三章步进电机的驱动8
3.1单电压功率驱动接口8
3.2双电压功率驱动接口9
3.3高低压功率驱动接口9
第四章步进电机的单片机控制11
4.1步进电机控制系统组成11
4.2步进电机控制系统原理11
4.2.1脉冲序列的生成11
4.2.2方向控制12
4.3脉冲分配12
4.3.1通过软件实现脉冲分配12
4.3.2通过硬件实现脉冲分配13
4.4步进电机与微型机的接口电路14
第五章步进电机的运行控制16
5.1步进电机的速度控制16
5.2步进电机的位置控制16
5.3步进电机的加减速控制17
6.3程序框图19
6.4汇编程序21
设计总结23
参考文献24
第一章绪论
1.1步进电机及其发展
步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。
随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。
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，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。
1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。
到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。
步进电机往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。
在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。
1.2步进电机在我国的发展应用及前景
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。
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。
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。
至80年代中期以来，由于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。
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。
这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。
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。
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。
1.3本文研究内容
本设计主要是研究基于单片机的步进电机控制，采用单片机AT89C51和脉冲分配器PMM8713控制步进电机在三相六拍工作方式下的启停控制，正反转控制和加减速控制，以实现基于步进电机的XY工作台两点间的位移控制。
第二章步进电机的分类、结构、工作原理及特性
2.1步进电机的概念
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
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（及步进角）。
我们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；同时我们也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。
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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。
2.2步进电机的特点
1.一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。
2.步进电机外表不允许较高的温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。
在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
4.步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。
5.由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。
同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
6.步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。
7.速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。
8.步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。
2.4步进电机的结构及工作原理
2.4.1结构
步进电机分为转子和定子两部分：
1.定子：
由硅钢片叠成的，定子上有6大磁极，每2个相对的磁极（Ｎ，S）组成一对，共有3对。
定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
0、13π、23π,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以π表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开13π，C与齿3向右错开23π，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）。
2.转子：
由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿相同，并且小齿的大小相同，间距相同。
2.4.3工作原理
电机的U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。
如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。
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 。
以反应式步进电机为例：
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。
如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过13π，此时齿3与C偏移为13π，齿4与A偏移（π-13π）=23π。
如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过13π，此时齿4与A偏移为13π对齐。
如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过13π这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）13π,向右旋转。
如按A，C，B，A……通电，电机就反转。
由此可见：
电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。
而方向由导电顺序决定。
不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。
往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步13π改变为16π。
甚至于通过二相电流不同的组合，使其13π变为112π，124π，这就是电机细分驱动的基本理论依据。
不难推出：
电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1m,2m……（m-1）m,1。
并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。
只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
2.4.4工作方式（三相）
1.单三拍：
通电顺序为ABC；
2.双三拍：
通电顺序为ABBCCA；
3.三相六拍：
通电顺序为AABBBCCCA。
这三种工作方式的区别，如下表所示：
表2.1反应式步进电机三种工作方式的性能比较
工作方式
单三拍
双三拍
六拍
步进周期
T
T
T
每相通电时间
T
2T
3T
走齿周期
3T
3T
6T
相电流
小
较大
最大
高频性能
差
较好
较好
转矩
小
中
大
电磁阻尼
小
较大
较大
振荡
容易
较容易
不容易
功耗
小
大
中
由表2.1可以看出这三种工作方式中，六拍的性能最好，单三拍的性能最差，因此，在步进电机的控制应用中，选择合适的工作方式非常重要，本文主要研究的是三相六拍工作方式。
2.5步进电机的常用术语
1.齿距角：
相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。
θz=2πZ（Z是转子的齿数）
2.步距角：
指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。
θb=θzN=2πNZ（N是工作拍数，Z是转子的齿数）
3.步距角精度：
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分比表示：
误差步距角*100%。
不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
4.失调角：
指转子偏离零位的角度。
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
5.零位或初始稳定平衡位置：
指不改变绕组通电状态，转子在理想空载状态下的平衡位置。
6.最大空载的运行频率：
电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
7.最大空载起动频率：
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
8.响应频率：
在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。
9.运行频率：
指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。
10.单步响应：
指步进电机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转子由起动到停止的运动轨迹。
2.6步进电机的振荡和失步
步进电机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运行，因此要尽力去避免。
2.6.1振荡
步进电机的振荡现象主要发生于：
步进电机工作在低频区，步进电机工作在共振区，步进电机突然停车时。
当步进电机工作在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电机表现为单步运行，当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动，到达平衡点时，电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大，由于惯性，转子冲过平衡点，这时电磁力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动。
当转子反转过平衡点后，电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动。
如此下去，形成转子围绕平衡点的振荡。
由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰弱振荡，最终稳定在平衡点。
当步进电机工作在共振区时，步进电机的脉冲频率接近步进电机的振荡频率fo或振荡频率的分频或倍频，这会使振荡加剧，严重时造成失步。
振荡失步的过程可描述如下：
在第一个脉冲到来后，转子经历了一次振荡。
当转子回摆到最大幅值时，恰好第2个脉冲到来，转子受到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆，接着第3个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点，这样，转子经过3个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了三步。
当步进电机工作在高频率区时，由于换相周期短，转子来不及反冲，同时，绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个工作区中不会产生振荡。
减少步距角可以减少振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。
2.6.2失步
电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。
称之为失步。
步进电机失步的原因有2种：
1.转子的转速慢于旋转磁场的速度（或者说慢于换相速度）。
例如，步进电机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。
因此，步进电动机有一个启动频率启动时，肯定会产生失步。
注意，启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、减少负载转动惯量、减少步距角都可以提高步进电机的启动频率。
2.转子的平均速度大于旋转磁场的速度。
这主要发生在制动和突然换向时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。
2.7阻尼方法
消除振荡是通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼法和电子阻尼法两大类。
其中机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器，电子阻尼法则有多种。
1.多相励磁法：
采用多相励磁会产生电磁阻尼，会削弱或消除振荡现象。
2.变频变压法：
步进电机在高频和在低频时转子所获得的能量不一样，在低频时绕组中的电流上升时间长，转子获得的能量大，因此容易产生振荡，在高频时则相反。
所以，可以设计一种电路，使电压随频率的降低而减少，这样使绕组在低频时的电流减少，可以有效地消除振荡。
3.细分步法：
细分步法是将步进电机绕组中的稳定电流分成若干阶段，每进一步时，电流升一级。
同时，也相对地提高步进频率，使步进过程平稳进行。
4.反相阻尼法：
这种方法用于步进电机制动，在步进电机转子要过平衡点之前，加一个反向作用力去平衡惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实现准确制动。
第三章步进电机的驱动
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，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。
驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。
3.1单电压功率驱动接口
单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电，它的特点是电路最简单。
步进电机使用脉冲电源工作，脉冲电源的获得可通过下图说明，开关管T是按照控制脉冲的规律“开”和“关”，使直流电源以脉冲方式向绕组L供电，这一过程我们称为步进电机的驱动。
实用电路如下图所示。
在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。
一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。
Rs对步进电动机单步响应的改善如图3.1所示：
图3.1单电压功率驱动接口电路图
在图3.1中，电路中只有一个电源V，电路中的限流电阻R1决定了时间常数，但R1太大会使绕组供电电流减小。
这一矛盾不能解决时，会使电动机的高频性能下降，可在R1两端并联一个电容，以使电流的上升波形变陡，来改善高频特性，但这样做又使低频性能变差。
R1在工作中腰消耗一定的能量，所以这个电路损耗大，效率低，一般只用于小功率步进电机的驱动。
3.2双电压功率驱动接口
用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样就产生了双电压驱动。
双电压驱动有两种工作方式：
双电压法和高低压法。
双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH驱动。
这种功率接口需要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。
图3.2中，功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。
当Uh低电平，TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。
反之Uh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。
这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。
其电路图如下所示：
图3.2双电压功率驱动接口电路
虽然这方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好的高频特性，但仍没有摆脱单电压驱动的弱点，在限流电阻R上仍然会产生损耗和发热。
3.3高低压功率驱动接口
高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。
这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。
高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，高压管VTH的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。
一般可取1~3ms。
（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。
高低压驱动电路如下图所示：
图3.3高低压驱动接口电路图
高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法，由于这种驱动在低频时电流有较大的上冲，电动机低频噪声较大，低频共振现象存在，使用时要注意。
第四章步进电机的单片机控制
4.1步进电机控制系统组成
图4.1用微型机控制步进电机原理系统图
与传统步进控制器相比较有以下优点：
1.用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。
2.只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。
3.根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。
4.2步进电机控制系统原理
4.2.1脉冲序列的生成
图4.2脉冲的生成
脉冲幅值：
由数字元件电平决定。
TTL0～5V
CMOS0～10V
接通和断开时间可用延时的办法控制。
要求：
确保步进到位。
4.2.2方向控制
步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。
三相六拍，通电顺序为:
正转：
AABBBCCCA
反转：
AACCCBBBA
改变通电顺序可以改变步进电机的转向
4.3脉冲分配
实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：
软件法和硬件法。
4.3.1通过软件实现脉冲分配
软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的IO向驱动电路发出控制脉冲，下面以三相六拍为例。
上面提到了三相六拍工作方式通电换相得正序为A-AB-B-BC-C-CA-A，反序为A-AC-C-CB-B-BA-A。
图4.3用软件实现脉冲分配的接口示意图
注：
P1.0：
A相驱动
P1.1：
B相驱动
P1.2：
C相驱动
三相六拍控制字如下表所示：
表4.1三相六拍工作方式的控制字
通电状态
P1.2
P1.1
P1.0
控制字
A
0
0
1
01H
AB
0
1
1
03H
B
0
1
0
02H
BC
1
1
0
06H
C
1
0
0
04H
CA
1
0
1
05H
注：
0代表使绕组断电，1代表使绕组通电
在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1口，步进电机就会转动一个齿距角，每送一个控制字，就完成一拍，步进电机转过一个步距角。
软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPU时间，可能使单片机无法同时进行其他工作（如监测等），所以，人们更喜欢用硬件法。
4.3.2通过硬件实现脉冲分配
所谓硬件法实际上就是使用脉冲分配器8713，来进行通电换相控制。
8713是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电机，我们选择的是三相六拍工作方式。
8713可以选择单时钟输入或双时钟输入，具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监视等功能，所有输入端内部都设有斯密特整形电路，提高抗干扰能力，使用4~18V直流电源，输出电流为20mA。
本例选用单时钟输入方式，8713的3脚为步进脉冲输入端，4脚为转向控制端，这两个引脚的输入均由单片机提供和控制，选用对三相步进电机进行六拍方式控制，所以5、6脚接高电平，7脚接地。
如下图所示：
图4.489C51单片机系列和8713脉冲分配器的接口图
由于采用了脉冲分配器，单片机只需提供步进脉冲，进行速度控制和转向控制，脉冲分配的工作交给8713来自动完成，因此，CPU的负担减轻许多。
4.4步进电机与微型机的接口电路
由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。
驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。
总之，只要按一定的顺序改变8713脉冲分配器的13脚～15脚三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。
由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器（一是抗干扰，二是电隔离。
）以防强功率的干扰信号反串进主控系统。
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