步进电机控制系统设计.docx

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步进电机控制系统设计

步进电机控制系统设计

1绪论

1.1步进电机概述

步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线性运动的执行器。

它由步进电机及其动力驱动装置组成，形成开环定位运动系统。

当步进驱动器接收到脉冲信号时，它驱动步进电机以设定方向以固定角度（步进角度）旋转。

脉冲输入越多，电机旋转的角度越大;输入脉冲的频率越高，电机的速度越快。

因此，可以通过控制脉冲数来控制角位移，从而达到精确定位的目的;同时，通过控制脉冲频率可以控制电机转速，从而达到调速的目的。

根据自身结构，步进电机可分为三类：

反应型（VR），永磁型（PM）和混合型（HB）。

混合式步进电机具有无功和永磁两种优点，应用越来越广泛。

1.2步进电机的特征

步进电机有自己的特点，总结如下：

（1）简单控制位置和速度：

步进电机输入脉冲信号时，可根据输入脉冲数固定角度旋转，进行灵活的角度控制（位置控制）。

由于速度与输入脉冲的频率成比例，因此可以在很宽的范围内平稳地调节运行速度。

（2）开环控制可以直接实现：

由于步进误差不会长时间累积，因此可以通过输入脉冲的数量和频率构建具有一定精度的开环控制系统，而无需速度传感器和位置传感器。

（3）高可靠性：

没有刷子，电机的寿命很长，仅取决于轴承的寿命。

1.3步进电机驱动系统概述

步进电机驱动器是一种特殊设备，必须用于步进电机工作。

对于每个步进脉冲，驱动器根据某些规则使电动机的每相的绕组通电（激励）以产生必要的转矩并驱动转子运动。

步进电机，驱动器和控制器构成了这三个部分不可分割的一部分。

除了电机本身的性能之外，步进电机驱动系统的性能在很大程度上取决于驱动器的性能。

当确定了电动机和负载时，整个驱动系统的性能完全取决于驱动控制方法。

步进电机驱动模式的发展包括单电压驱动，高低压驱动，斩波恒流驱动。

（1）单电压驱动：

主要特点是结构简单，成本低，通常在绕组电路中串联电阻，以提高电路的时间常数，提高电机的高频特性。

缺点是串联电阻会产生大​​量热量，这对于驱动器的正常操作非常不利，特别是在高频时。

因此，它仅适用于低功率或低性能要求的步进电机驱动。

（2）高低压驱动：

当电机的每个相绕组接通时，施加高电压使电流迅速上升。

当电流上升到额定值时，高压被切断，回路电流由低压电源维持。

由于电流波形的大幅改善，电机具有更好的力矩-频率特性，并且起动和运行频率得到了很大提高。

但是，由于电机旋转反电动势，互感等因素的影响，电流波形顶部容易凹陷，导致电机输出转矩降低，需要双电源供电。

（3）斩波器恒流驱动：

为了补偿高低压驱动电路中电流波形的下垂，提高输出转矩，人们开发了斩波电路。

斩波器技术用于使绕组电流在额定值之上和之下以Z字形波动，并且流过绕组的有效电流相应地增加。

因此，电动机的输出转矩增加，不需要外部电阻。

整个系统的功耗降低，效率相对较高。

所以斩波器恒流驱动器被广泛使用。

1.4课题研究的主要内容

该项目的主要目标是设计一种基于单片机和步进电机细分控制技术的步进电机驱动器。

主要内容如下：

（1）利用正弦脉冲宽度调制技术，电流跟踪技术和细分技术来控制电机的相电流，以克服传统驱动技术的缺点，如低速振动，共振，噪声，低速高速扭矩等。

（2）开关电源用于为驱动器内部电路供电，可减小驱动器的体积和重量，提高电源效率。

（3）驱动器使用分立元件形成单个电压驱动器以驱动单极步进电机和H桥驱动双极步进电机。

因此，仅使用一个电源来简化系统设计。

（4）控制电路主要由AT89C51单片机，晶体振荡电路，地址锁存器，解码器，EEPROM存储器和液晶显示芯片ST7920组成。

单片机是控制系统的核心。

使用具有6个键的单排键盘和液晶显示芯片ST7920。

该芯片可以自动刷新显示器并具有中文字体库。

使用起来非常方便。

双电脑通信电路，这种电路可以大大节省主机CPU的成本，提高电路的可靠性和效率。

2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

步进电机不能直接连接交流和直流电源，但必须使用专用设备-步进电机驱动器。

步进电机驱动系统的性能不仅取决于电机本身的性能，还在很大程度上取决于驱动器的质量。

典型的步进电机驱动系统由三部分组成：

步进电机控制器，步进电机驱动器和步进电机体。

步进电机控制器发出踩踏脉冲和方向信号。

每个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一步，即一步一步。

步进电机的速度，加速或减速，启动或停止都取决于脉冲或频率。

控制器的方向信号确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，电源驱动电路，保护电路和电源组成。

一旦步进电机驱动器接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路根据预设的电机开机模式产生步进电机的每个相励磁绕组的开关信号或关断信号。

控制电路的输出信号功率非常低。

它无法提供步进电机所需的输出功率。

它必须被放大。

这是步进电机驱动器的动力驱动部分。

电源驱动电路控制到步进电机的绕组的输入电流，以形成空间旋转磁场并驱动转子移动。

当出现短路，过载，过热等故障时，保护电路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

步进电机的驱动特性主要体现在以下几个方面：

（1）每个相绕组在一个开关上工作。

大多数电机绕组由连续交流或直流电源供电，而步进电机的所有相绕组均由脉冲电源供电，因此绕组电流不连续而是间歇性。

（2）步进电机各相的绕组是铁芯上的线圈，因此电感相对较大。

当绕组通电时，电流上升受到限制，因此电动机的绕组电流受到影响。

（3）当绕组切断时，电感器中磁场的储能将保持绕组中的现有电流不会突然改变，导致电流切断的相位无法切断立即。

为了使电流尽快衰减，有必要设计合适的连续电流电路。

绕组导通和截止过程会产生较大的反电动势，截止时的反电动势会对驱动电源装置的安全性产生非常有害的影响，影响整个系统的使用。

（4）电动机运转时，每相绕组都会产生旋转电位。

这些电位的方向和大小将对绕组电流产生很大影响。

因为旋转电位基本上与电动机速度成比例，所以速度越高，电位越大，绕组电流越小，因此电动机的输出转矩随着速度的增加而减小。

2.3混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较

与无功和永磁步进电机相比，混合式步进电机具有许多优点，已成为国外步进电机的主流。

各种驱动电路拓扑和驱动模式已经出现在混合式步进电机驱动技术的发展和成熟中。

根据主电路的不同结构，可分为单极驱动，双极驱动，全H桥和多相桥驱动。

根据不同的驱动方式，可分为单电压驱动，高低压驱动，斩波恒流驱动，频率和电压调节驱动，电流细分驱动等。

2.3.1双极性驱动器与单极性驱动器

混合式步进电动机需要双极电源，也就是说，电动机的励磁绕组有时通过正向电流，有时通过反向电流。

在步进电机开发的早期阶段，电子技术发展水平有限。

为了简化驱动电路，采用单极电路。

电机绕组由两根导线并联缠绕，一相绕组分为两相，其中一相为正相，另一相为反相，因此正极和反向激励的目的可通过单极电源实现（图1）。

最简单的两相电动机单极驱动电路仅使用四个电源开关，结构简单，成本低。

电动机的绕组只能同时半电气化。

因此，绕组的电感很小，这有利于电动机的高速性能。

缺点是每次只使用一半绕组，中速和低速电动机的转矩不如整个绕组励磁的转矩。

此外，电机中的引线太多，两相电机需要6根引线，三相电机需要9根引线，五相电机需要15根引线，这使得单极驱动器与单极驱动器之间的连接成为可能。

三相和五相电动机过于复杂，因此仅用于两相混合式步进电动机。

图1单极性驱动电路

随着电子技术的发展和电子元件价格的下降，双极驱动电路的实现变得容易，成本增加很少。

所以现在大多数混合式步进电机都采用双极驱动。

电机绕组双向供电的典型结构为H桥电路，如图2所示。

当开关T1，T4导通，T2，T3截止时，电流通过T1，电机绕组和T4接地;当Tl，T4截止，T2，T3导通时，电流通过T3，电机绕组和T2接地;可见电流方向相反。

四个二极管D1，D2，D3和D4构成连续电流回路。

电机的每个相绕组需要四个开关来驱动，因此驱动器的成本相对较高。

当电机相数增加时，H桥电路需要更多功率晶体管。

例如，五相电动机需要20个功率晶体管。

图2H桥驱动电路

与H桥电路相比，多相桥电路（也称为多相半桥电路）将晶体管减少了一半，并降低了驱动器的成本，体积和热量。

当使用多相桥式电路时，电机的相绕组通常通过星形或多边形连接。

图3是三相混合式步进电动机绕组的两种连接的示例。

在星形连接中，两相绕组串联连接到电源。

每个相绕组的端电压仅约为功率放大级电压的一半。

因此，系统的高频和动态性能低于H桥驱动电路的高频和动态性能。

如果要实现与H桥驱动器类似的性能，则绕组的匝数应减少相位绕组电压的一半或两倍。

当电动机绕组三角形连接时，功率放大器电桥的电压直接加到每个相绕组上。

相绕组电压较高，高频操作和动态响应优于星形连接方式，接近H桥驱动。

但由于两相绕组的电流同时流过功率晶体管，因此每个开关的最大电流约为相电流的两倍，即H桥驱动或星形连接驱动的两倍。

两种连接方法的共同特征是电动机的三相电流不能独立调节。

根据基尔霍夫定理，电动机的三相电流必须满足约束方程。

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

单电压驱动意味着向步进电机的绕组添加恒定电压V.该驱动模式的电路非常简单。

流过绕组的电流随时间常数L/R（L绕组的电感和R绕组的电阻）上升，直到达到额定电流I=V/R.当电动机高速运转时，流过绕组的电流在达到额定电流之前关闭，相应的平均电流减小，导致输出转矩减小。

为了改善高速电机的转矩特性，通常串联一个无电感电阻以减少电气时间常数，同时按比例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。

缺点是串联电阻会增加功耗，降低功率放大电路的功率，相应的散热条件是保证电路稳定可靠运行的必要条件。

因此这种电路通常仅适用于驱动低功率步进电机或不需要步进电机的运行性能。

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，有必要改善导通电流的前沿，即增加电源电压，但同时，相绕组电流也会增加。

必须增加有限的阻力。

添加电阻后，会产生热量，增加功率损耗并降低效率。

为了解决这些问题，产生了高低压驱动电路。

高低压驱动的设计思想是在导通相的前沿提供高压电源，以增加电流的上升速率，无论电机的工作频率如何，并保持绕组的电流。

前沿后低电压。

高低压驱动的原理电路如图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

高低压驱动可以确保绕组在宽频带内具有较大的平均电流，并且可以在截止时间快速释放，这可以产生更大和更稳定的电磁转矩。

它的优点是：

低功耗，高启动转矩和良好的高频性能。

但也存在诸如低频振荡加剧，凹面波形，驱动电源和高功率晶体管数量加倍以及成本上升等缺点。

2.3.4斩波恒流驱动

恒流斩波器驱动控制技术是步进电机控制的主流技术之一。

斩波电路设计用于弥补高低压驱动电路的凹面波形，使电机的平均输出转矩基本恒定。

同时，电动机的高频响应得到改善，谐振现象减弱。

电路结构如图6所示。

在斩波驱动中，虽然电路比较复杂，但由于电机绕组电路中驱动电压高且无串联电阻，整个系统的功耗降低很多，因此电流迅速上升。

当达到所需电流时，由于采样电阻的反馈，绕组电流基本恒定，从而确保电动机的输出转矩在大的频率范围内基本恒定。

输出转矩是步进电机的重要性能指标。

当电动机的绕组电流恒定在较高值时，可以改善电动机的输出转矩。

因此，为了克服步进电机的拉出转矩在高频下降低的问题，许多文献提出了一些新的恒流斩波器驱动设计。

然而，恒流斩波技术无法解决步进电机本身固有的低频振动问题，并且由于步进角的限制而无法克服步进电机的缺点，无法实现各种步骤角度控制。

对应于单节拍和双节拍的运行，只有两种步进角度。

2.4方案的确定

与上述方案相比，每种方案各有优缺点。

电流滞环控制系统相对简单，因为它不需要三角形载波链路。

固定开关频率在电磁噪声和输出电流谐波方面具有优势。

考虑到驱动电路的成本和精度要求，双极步进电机由H桥驱动，单极步进电机由分立元件组成的驱动电路驱动。

3混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计

在对上述章节进行理论分析的基础上，从实际出发，本章主要介绍了混合式步进电机驱动器的硬件设计。

详细讨论和分析了硬件电路的总体设计方案以及各主要部件的功能和实现方法。

系统框图如图7所示。

图7系统框图

3.1单片机最小系统

单片机集成度高，内部资源丰富，加上少量外围扩展电路，可构成体积小，可靠性强，控制功能强，控制系统性价比高。

英特尔一直致力于单片机的开发和研究，并不断推出一系列功能更多，使用更方便的单片机。

1980年，在MCS-48的基础上，推出了完美典型的单片机系列MCS-51。

与MCS-48系列相比，MCS-51系列微控制器具有更高的集成度，更丰富的指令系统和更好的可扩展性。

将来，许多系列微控制器都基于51个内核。

8051单片机是MCS-51系列中最基本的单片机，已广泛应用于各个工程领域。

该系统使用这种单片机。

图8显示了其最小系统电路图。

图8单片机最小系统

3.2红外遥控电路

红外光属于不可见光。

与可见光不同，它的波长为850-11000nm，对人眼来说是不可见的。

红外遥控器已广泛应用于各类家用电器中。

它的外观为电器的使用提供了很多便利。

红外遥控系统一般由红外发射器和红外接收器组成。

3.2.1红外发射电路

红外发射器可由键盘电路，红外编码芯片，电源和红外发射电路组成。

该电路采用AM模式，载波频率为38KHZ，是最常用的。

当编码调制信号为高时，输出载波信号;但是当编码调制信号为低时，不输出载波信号。

调制信号是不连续的恒定幅度信号（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74LS147是首选编码器。

从8条数据线（2SW1-2SW8）输入的开关状态信号由74LS147至4线BCD码（8-4-2-1）编码，然后发送至MC145026，形成串行编码信号输出至NE555，产生调制和载波输出。

图中，R1，C2和电位器D1与NE555配合产生38KHZ的载波信号。

MC145026发送串行编码脉冲。

MC145026的引脚A1-A5是地址输入，每个都可以设置为0,1和“开路”三种状态。

在该图中，仅使用0和“开路”状态。

MC145026的地址设置应与解码器MC145027匹配，否则无法解码。

红外发射电路板由4节5号电池供电。

红外发射电路板和接收器（主板上）之间的距离应小于10米，以确保信号的可靠接收/传输。

3.2.2红外接收电路

红外接收装置可由红外接收电路，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。

考虑到使用集成电路（HS0038A2）作为红外接收器，其载波频率为38KHZ。

与MC145026编码器匹配的解码器是MC145027。

接收电路的原理图如图11所示。

图11遥控器接收电路

在图中，HS0038A2是一个集成的红外接收器。

因为其输出信号与解码器的输入信号相反，所以晶体管Q1被添加为反相器。

当MC145027接收到信号并成功解码时，MC145027的VT端具有高电平并输出解码的4位数据（HD0-HD3）。

如果VT信号反转，则可以产生中断信号（INT0），并且可以将中断应用于CPU。

在中断服务子程序中，它被安排从输入端口读取这四位数据（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量和控制系统中，数据传输主要通过串行通信进行。

8051单片机拥有自己的串行接口，为计算机间通信提供了极为便利的条件。

双击通信，也称为点对点通信，用于在双机冗余控制中在单片机和单片机之间交换信息。

它还用于在单片机和通用计算机之间交换信息。

在这种设计中，LCD占用了80C51的大量资源。

考虑到端口扩展和内存扩展的成本，双计算机通信既方便又经济。

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），上述电阻依据型号不同已在芯片内部做了精确调整，因而无需使用者考虑。

将输出电压分压电阻网络的输出同内部基准稳压值1.23V进行比较，若电压有偏差，则可用放大器控制内部振荡器的输出占空比，从而使输出电压保持稳定。

硬件电路如图16所示：

图16电源电路

4软件设计

4.1主机LCD显示菜单程序

图17主机LCD显示菜单程序

4.2双机通讯程序

图18发送程序

图19接收程序

4.3下位机步进电机驱动程序

图20从机程序

图21从机中断程序

5驱动器试验结果

本章主要列出了几组测试的混合式步进电机驱动器的波形，以及一些主要的分析结果。

介绍了驱动器的控制面板，并以图片显示了驱动器的外壳和内部电路板的结构。

总之，从各个方面详细描述了驱动器的性能特征。

5.1概述

这部分主要是测试两相混合式步进电机驱动器的性能，测试是否可以完成一些任务设置，是否能达到预定的技术指标。

主要测试内容包括：

工作电压范围检测;工作电流范围检测;电机正转/反转测试和演示，结果表明该驱动器基本满足设定功能要求，具有良好的性能。

实验仪器：

（1）两相混合式步进电动机本体实物图如下图22所示。

图22二相混合式步进电动机本体

（2）高性能二相混合式步进电机驱动器

（3）UTB数字万用表

（4）6A直流电源，生产厂家：

石家庄无线电十厂

（5）直流电流表，生产厂家：

上海第二电表厂

（6）TDS220示波器，生产厂家：

Tektronix

5.2试验内容和结论

（1）工作电压范围的检测：

调整系统的输入电压，观察电路各部分是否能正常工作，方法是用万用表测试电源电路主要部件的电压输出。

测试结果表明，当系统输入电压为12V~50V时，电机无负载运行，系统中各种电源工作可靠，满足系统预设要求。

（2）工作电流范围检测：

试验结果表明，电机工作电流在5A下可正常工作。

（3）行驶方向检测：

遥控器通过控制菜单发出正向/反向操作指令，电机可按指示向右行驶。