步进电机计算机控制技术科研训练Word下载.docx

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因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。

为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。

上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。

原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。

基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。

因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。

还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现ｐｃ机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法。

但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：

系统硬件结构简单，成本低；

功能较为齐全；

适应性强；

电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；

系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。

本论文就是采用这个思路进行设计。

一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。

而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值[3]。

2.步进电机工作原理

由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备….步进电机控制驱动器，典型步进电机控制系统的控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：

一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。

另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。

功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。

从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，其基本原理如下：

（1）换相顺序的控制

通电换相这一过程称为脉冲分配。

例如，三相步进电机在单三拍的工作方式下，其各相通电顺序为A→B→C→A，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通断。

三相双三拍的通电顺序为AB→BC→CA→AB，三相六拍的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A。

（2）步进电机的换向控制

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。

若步进电机的励磁方式为三相六拍，即A→AB→B→BC→C→CA→A。

如果按反序通电换相，A→AC→C→CB→B→BA→A，则电机就反转。

其他方式情况类似。

（3）步进电机的速度控制

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。

两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。

调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。

（4）步进电机的起停控制

步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。

为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。

在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。

（5）步进电机的加减速控制

在步进电机的控制系统中，通过实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于惯性跟不上电信号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。

所有步进电机在启动时，必须有加速过程，在停止时波形有减速过程。

理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。

选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。

在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。

步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。

电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，有了这些数据，才能有效地对电机进行加减速控制。

加速过程有突然施加的脉冲启动频率f0。

步进电机的最高启动频率（突跳频率）一般为0.1KHz到3~4KHz，而最高运行频率则可以达到N*102KHz，以超过最高启动频率的频率直接启动，会产生堵转和失步的现象。

（6）步进电机的换向控制

步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内在换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。

换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。

对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。

在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速→换向→加速3个过程。

步进电机有如下特点：

①步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。

②由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，也非常可靠。

同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

③步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。

④速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。

⑤步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电源。

6步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强[4]。

电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。

每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因[5]。

通过电磁感应定律我们很容易知道激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图1.1所示。

定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。

通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。

图1.1　激励线圈产生电磁场

第二章步进电机控制方案

2.1常见的步进电机控制方案

1、基于电子电路的控制

步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。

由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。

步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。

此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。

这个系统由三部分组成：

脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。

系统组成如图2.1所示。

图2.1　基于电子电路控制系统

此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。

开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。

采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。

闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。

该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。

2、基于PLC的控制

PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。

PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。

步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。

控制系统采用PLC来产生控制脉冲。

通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。

环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。

PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。

采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。

采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。

步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。

采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。

但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。

并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。

3、基于单片机的控制

采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。

用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。

系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。

由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。

环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。

本方案有以下优点：

（1）单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；

（2）用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；

（3）单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性[6]。

基于以上优点，本次重点介绍基于单片机的控制方案。

2.2系统的方案简述

本文采用单片机AT89S51来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了电机驱动芯片L298及其外围电路构成了整个系统的驱动部分，再加上作为执行部件的步进电机来构成了一个基本的步进电机控制系统。

系统的具体功能和要求如下：

1.单片机最小系统板的设计；

2.设计兼有两相两拍和两相四拍的脉冲分配器;

3.实现步进电机的启停、正转、反转控制；

4.驱动电路可提供电压为12V，电流为0.3A的驱动信号;

5.能实现步进电机的转速调节，最低转速为25转/分，最高转速为100转/分；

6.步进电机的转速由数码管显示；

7.键盘扫描电路的设计

整个系统的组成包括单片机最小系统，电机驱动模块，串口下载模块，数码管显示模块，电机驱动电流检测模块，独立按键等模块组成。

具体框图如图2.2所示：

图2.2　系统总体框图

单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺序有关。

同时单片机系统还负责处理来自电机驱动电流检测模块检测到的电流值。

与此同时，单片机将会把电机转速，电机的转动方向，以及电流检测模块检测到的电机驱动的电流通过数码管显示出来。

电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机工作。

串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。

数码管显示模块就主要是显示电机转速，电机转向，和通过电机的电流等系统的实时信息。

电机驱动电流检测模块主要是检测通过电机驱动芯片的电流，然后通过运放将检测到的信号放大，最后将放大后的信号通过模数转换芯片ADC0804处理后送给单片机。

独立按键作为一个外部中断源，和单片机端口连接，通过它设置了电机的正转，反转，加速，减速，显示电机电流等功能。

采用了中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成了对步进电机的最佳的及时的控制[7]。

2.3单片机最小系统设计

采用AT89S51单片机构成了控制系统的核心，其基本模块就主要包括复位电路和晶体震荡电路。

在本设计当中，单片机的P0口、P1口、P2口、P3口全部参与系统工作，单片机最小系统的接线如图2.3所示：

图2.3　单片机最小系统图

单片机端口分配及功能

1、其中P0口用于控制数码管的具体显示功能，既是数码管的段选。

2、P1口主要用于控制电机驱动芯片L298的工作，以及ADC0804芯片的编程的读写控制。

3、P2口主要用于控制数码管的公共端，既是数码管的位选。

与此同时还处理键盘扫描电路的。

4、P3口主要用于负责处理ADC0804的模数转化芯片的工作。

2.4系统软件主流程图

当给系统供电以后，通过单片机复位电路对系统进行上电复位系统经过初始化以后，便开始执行按键查询等待相应的操作，当有按键按下的时候程序便调用并执行相应的子程序[6]，其具体的主流程图2.4如下所示：

2.4主程序图

2.5微机步进电机控制系统原理图

步进电机接口的硬件部分主要是提供输送相序代码的并行数据线（8根），以及保护电机绕组的器件，所以接口电路以8255A为主芯片，将PA口作数据口，传送加电代码，再加上锁存器74LS373作绕组保护。

另外，还有功率驱动管TIP122，以及二极管、开关K0、K1、K2[5]。

本文采用A口作为控制口，B口作为输出口，PA0、PA1、PA2分别接开关的K0、K1、K2，PB0、PB1、PB2、PB3分别接motorunit的ABCD。

微机步进电机控制系统原理图如图2.5所示。

图2.5微机步进电机控制系统原理图

第三章总结

本次科研训练虽然我们没有亲手去做实验，但我从查阅书籍的过程中获得了很多收获，了解了步进电机的计算机控制技术的基本方案，特别是对单片机控制技术，发现以前对单片机的了解真是太肤浅了，经过这次训练，对单片机有了新的认识，相信这对于我下学期的毕业设计会有很大的帮助。

通过本次科研训练我还了解了科技论文撰写的基本要求，即科技论文是由科技工作者对其创造性研究成果进行理论分析和科学总结，并得以公开发表或通过答辩的科技写作文体，一篇完备的科技论文，应该按一定的格式书写，并具有科学性、首创性和逻辑性；

还应按一定的方式发表，即有效出版。

参考文献

[1]周佩玲，彭虎，傅忠谦《微机原理与接口技术》北京，电子工业出版社2005

[2]沈美明，温东婵《IBM-PC汇编语言程序设计》北京，清华大学出版社1993

［3］　梅丽凤　《单片机原理及应用》　　北京：

清华大学出版社　　2006

［4］　张志良　《单片机原理与控制技术》　北京：

机械工业出版社，2005

［5］　何力民　《MCS—51系列单片机应用系统设计：

系统配置与接口技术》北京：

北京航空航天大学出版社

［6］　石东海　《单片机数据通信技术从入门到精通》西安：

西安电子科技大学出版社，2002

［7］　郑崇勋　《数字系统故障对策与可靠性技术》北京：

国防工业出版社

［8］　许实章　《电机学【M】》　北京：

机械工业出版社　1998

［9］　杨渝钦　《控制电机【M】》北京：

机械工业出版社　1990

部分资料来自于网络搜索