基于单片机系统的步进电机驱动设计Word格式文档下载.docx
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第一章前言
1.1课题背景
在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着至关重要的作用。
无论是在工农业生产还是在日常生活中，都大量使用着各种各样的电动机。
电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁化技术、自动控制技术微机应用技术的最新发展成就。
图1-1步进电动机
步进电机作为数字式执行元件，是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置。
步进电机每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。
因此，步进电机又称作脉冲马达。
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和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机具有结构简单，转子惯量底，定位精度高，无累积误差，计算机接口方便，控制简单等特点。
实际操作时不受电源电压，负载，环境，温度的影响能够实现快速启动、制动和反转。
步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。
步进电机作为控制执行元件，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和精密机械等领域。
随着数字技术和计算机的发展，研究步进电机驱动电路，使步进电机的控制更加简便，灵活和智能化，使其应用更加广泛。
上个世纪就出现了步进电动机，步进电机的发展除了在加工工艺和精度上有变化，主要是在步时电机的控制和驱动上的发展。
针对步机电机的性能优化主要在两个方向，一是使步机电机具有良好的加减速过程，保证其在较高运行频率的加减速过程中不失步不过冲；
二是运用步进电机的细分技术，保证步进电机具有良好的精度和运行的平稳度。
随着微处理机技术的发展，在这两个方向的研究和应用越来越广泛。
为此，本文设计了一段步进电机驱动程序，可以实现对步进电机转动速度，转动方向。
1.2步进电机的发展概况
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。
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。
鉴于上述情况，本文决定以四相混合式步进电机为例叙述其基本工作原理及设计简单的驱动程序。
望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
1.3步进电机的驱动技术
步进电机驱动技术的发展十分迅速。
我国步进电机应用起步较早，但驱动技术的发展相对滞后，成为制约步进电机应用与发展的主要因素。
最早应用的但电压串电阻等驱动方式，驱动电路中分立元件多，可靠性差，各厂家的技术规范和生产工艺等难以达到统一的标准，已逐渐被淘汰。
近代步进电机的驱动技术的主流是电流型。
常规的控制技术仅对绕组的电流进行通断控制，在转子齿数一定的条件下，增加相数才能提高电机的分辨率。
运用电流波形技术可方便地实现步进电机细分驱动。
步进电机的细分驱动技术，从20世纪70年代开始研究，逐步发展到90年代完全成熟。
我国的细分驱动技术的研究，起步时与国外相差无几。
细分驱动技术的广泛应用，使得电机的相数不受步距角的限制，为产品设计带来方便。
目前步进电机的驱动技术上，采用斩波恒流驱动、细分驱动以及最佳升降频控制，大大提高步进电机运行的快速性和运转精度，使步进电机在中、小功率应用领域向高速且精密化的方向发展。
在驱动电路中，目前较普遍采用的功率场效应管（MOSFET），与现采用的大功率晶体管（GTR）相比有很多优点。
性能更加优越的绝缘栅晶体管（IGBT）也已应用于高速型及较大功率的步进电机驱动电路中。
而把IGBT驱动电路及保护电路都集成在一起的智能IGBT模块具有结构简单、性能稳定及运行可靠等优点，目前已开始应用于中、小功率的步进电机的驱动。
1.4步进电机的细分技术
随着步进电机在数控机械、自动化领域中的应用越来越广泛，对小步距、低振动和低噪声的步进电机要求愈来愈迫切。
步进电机细分驱动技术是70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。
1975年美国学者T.R.Fredriksen首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法[2]。
在其后的二十多年里,步进电机细分驱动技术得到了很大的发展,并在实践中得到广泛的应用。
实践证明,步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角,提高电机运行的平稳性,增加控制的灵活性等。
步进电机的步距角公式
（1-1）
式中Zr为齿数N为拍数
由式（1-1）看出，步距角的大小由电机自身参数Zr，N决定，受电机制造工艺限制，靠增加Zr和N来减小步距角收到一定的限制，此时必须通过改变电机驱动方式来获得更小的步距角。
步进电机细分驱动技术可以大幅度减小步进电机的步距角，并且步距角越小，进入稳定区越容易，这样就增加了电机运行的平稳性，还可以减弱甚至消除电机的低频振荡和噪声，提高启动频率和高速下的转矩，同时也可以提高电机的定位分辨率与精度。
1.5课题主要内容
本课题将分析步进电机的工作原理，并简单介绍其各种驱动方式。
最后使用单片机以软件方式配合有关芯片和电路元件驱动步进电机，通过C语言编程方法，对步进电机的转速、转动方向等进行控制使其在一定范围下运行，方便灵活地控制步进电机的运行状态，以简单的对步进电机的工作方式进行个性化制作，以满足不同用户的要求。
中间对可能发生的问题进行论述，并提出解决方法。
最后对所完成的电路图进行分析。
第二章基于单片机的四相步进电机驱动系统
2.1步进电机的分类、选择、结构特点和工作原理
2.1.1步进电机的基本参数
电机固有步距角：
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°
/1.8°
（表示半步工作时为0.9°
整步工作时为1.8°
）这个步距角可以称之为“电机固有步距角”它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
步进电机的相数：
是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°
、三相的为0.75°
/1.5°
、五相的为0.36°
/0.72°
。
在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。
如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
保持转矩：
是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。
比如，当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
2.1.2步进电机的结构特点
图2-1混合式步进电动机的结构示意图
混合式步进电机既有反应是步进电机的高分辨率，每转步数比较多的特点；
又有永磁式步进电机的高效率，绕组电感比较小的特点。
从结构上看，它通常有多相绕组，它的定转子上开有很多齿槽，类似反应式步进电机。
转子上有永磁铁产生的轴向磁场，这与永磁式步进电机相似。
混合式步进电机也称为永磁感应式步进电机，即可作同步电机进行速度控制，也可以做步进电机进行位置开环控制。
混合式步进电机的典型结构如图2-1所示，它主要由定子和转子两部分组成。
定子被分成若干个磁极，每个磁极上饶有励磁线圈，磁极末端有均匀的小齿。
磁极线圈能以两个方向通电，对于四相混合式步进电机就形成A相和A'
相，B相与B'
相，C相与C'
相，D相与D'
相。
转子由两段铁心及环形永久磁钢组成，两段铁心装在环形永久磁钢的两端，并且每段铁心的圆周上都均匀分布有一定数量的小齿，两段铁心的小齿相互错开半个齿距，且小齿的齿距与定子的齿距相同。
环形永久磁钢轴向充慈，使得同一段铁心上的小齿都具有相同极性，而两块不同段铁心上的齿的极性相反。
2.1.3步进电机的分类和选择
目前常用的有三种步进电动机：
1．反应式步进电动机（VR）。
反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；
但动态性能差。
2．永磁式步进电动机（PM）。
永磁式步进电动机出力大，动态性能好；
但步距角大。
3．混合式步进电动机（HB）。
混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。
它有时也称作永磁感应子式步进电动机。
综合步进电机的以上参数特点以及各种步进电机的优缺点，本课题将选用四相混合式（感应子式）步进电机
2.1.4混合式步进电机的基本工作原理
混合式混合适步进电机的气隙磁动势由两部分组成：
一是由永久磁铁产生的磁动势；
二是由定子绕组产生的磁动势。
在每一个具体的磁极下，这种磁动势有时相加，有时相
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