步进电机调速测速和显示系统基于单片机文档格式.docx

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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。

1.2课题的主要研究内容

1、步进电机的工作原理

通过查阅文献对步进电机的单拍运行、双拍运行、单双拍运行等各种运行方式进行研究，深入了解各种运行方式的特点和对步进电机控制性能的影响。

2、脉冲分配器的选择

研究脉冲分配器的作用和构成，并选择出可靠、灵活的脉冲分配器电路。

3、步进电机控制系统的软硬件设计

根据步进电机的原理和控制特点，对步进电机控制系统的软硬件进行分析和设计。

4、程序的调试及修改

用Keil软件进行编程和调试，并且在Proteus环境下进行系统仿真。

1.3本章小结

本章首先介绍了课题研究的背景，提出设计的思路。

其次介绍了课题研究的目的和意义，最后介绍了课题的主要研究内容。

第二章步进电机控制系统设计

2.1步进电机的原理

反应式步进电机的工作原理是与反应式同步电机一样，也是利用转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动，如图2.1所示是一台反应式步进电机的工作原理，定子铁心为凸极式，共有三相，六个磁极，不带小齿，磁极上装有控制绕组，相对的两个磁极串联连接，组成一相控制绕组。

转子用软磁材料制成，也是凸极结构，只有两个齿，齿宽等于定子的极靴宽【2】。

2.1.1三相单三拍通电方式

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

2.1.2三相双三拍通电方式

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

2.1.3三相六拍通电方式

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。

2.2脉冲分配器

要使步进电机正常工作，必须按照该种步进电机的励磁状态转换表所规定的状态和次序依次对各相绕组进行通电和断电控制。

环形分配器的主要功能是把单片机发出的脉冲信号按一定的规律分配给步进电机的驱动电路，控制绕组的导通和截止。

同时步进电机有正反转的要求，所以环形脉冲分配器的输出既有周期性又有可逆性。

可以说环形脉冲分配器是一种特殊的可逆循环计数器，但它输出的不是一般的编码，而是步进电机励磁状态所要求的特殊编码【4】。

在步进电机的驱动系统中，控制器与驱动器之间连接方式可分为串行控制和并行控制。

串行控制时，控制器输出脉冲信号和方向电平，环形脉冲分配器把它转换成并行的驱动信号，再控制绕组的导通和截止。

控制脉冲信号的有无就能控制步进电机运行和停止，脉冲信号的频率决定步进电机的运行速度，方向电平控制步进电机的运转方向。

并行控制时，控制器直接输出各相绕组的导通和截止信号，此时环形脉冲分配器在控制器中，由软件来代替环形脉冲分配器的功能，不管是串行控制还是并行控制必须有环形脉冲分配器这个环节。

步进电机按类型、相数来划分种类繁多，不同种类、不同相数、不同分配方式都必须有不同的环形脉冲分配器，因此所需要的环形脉冲分配器的类型是很多的。

如果全部用硬件来搭成，结构是相当复杂的，不能满足步进电机驱动系统的需要，为此提出一种简单的脉冲分配器，以满足不同的要求。

2.3步进电机驱动电路

步进电机不能直接接到交、直流电源上工作，而必须使用专用设备—步进电机驱动器。

步进电机驱动系统的性能，除与步进电机的自身性能有关外，在很大程度上也取决于驱动器的优劣。

步进电机的驱动电路应该既要保证绕组有足够的电压电流，同时又要保证驱动级功率器件的安全运行，另外还应有较高的效率、较小的功耗和较低的成本。

驱动级的功率放大器件有中功率晶体管、大功率的晶体管、达林顿管、可控硅以及各种功率模块。

对于小功率的步进电机，可用中小功率晶体管进行驱动，晶体管具有放大倍数大、线路简单等优点，用于驱动小功率的步进电机（绕组电流在数百毫安）。

对于功率较大的步进电机，由于绕组所需要的电流较大、电压高、反电动势也大，因此需要用大功率的的晶体管驱动。

步进电机驱动电路与一般电气设备驱动的不同点主要有：

（1）各相绕组都是工作在开关状态，多数电动机的绕组都是连续的交流或者直流，而步进电机的各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是离散的。

（2）电动机的各相绕组是绕在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。

绕组通电时电流上升率受到限制，因而影响电动机绕组电流的大小。

（3）绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该截止的相不能立即截止。

为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。

绕组导通和截止过程中都会产生较大的反向电动势，而截止时的反电动势将对驱动级器件的安全产生十分有害的影响。

（4）电动机运转时在各相绕组中将产生旋转电动势，这些电动势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。

由于旋转电动势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电动势越大，绕组电流越小，从而使电动机输出转矩也随着转速升高而下降。

（5）电动机绕组中有电感电动势、互感电动势、旋转电动势。

这些电动势与外加电源共同作用于功率器件，当其叠加结果使电动机绕组两端电压大大超过电源电压时，会使驱动级的工作条件更为恶化。

由于步进电机需要的驱动电流比较大，所以单片机与步进电机的连接都需要专门的接口电路及驱动电路。

接口电路可以是锁存器，也可以是可编程的接口芯片，如8255、8155等。

驱动器可以用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。

本系统为了抗干扰，或避免一旦驱动电路发生故障，造成功率放大器中的高电平信号进入单片机而烧毁器件，因而在驱动器与单片机之间增加一级光耦隔离器。

其接口电路原理图如图2.5所示。

图2.5驱动电路

电路工作原理：

当A输出为1时，发光二极管不发光，因而光敏三极光截止，从而使达林顿管导通，A相绕组通电。

反之当A为0时经反相后，使发光二极管发光，光敏三极管导通，从而使达林顿管截止，A相绕组不通电，控制B、C、D相亦然。

总之，只要按一定的顺序改变A、B、C、D通电的顺序，就可控制步进电机按一定的方向步进【5】。

2.4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。

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；

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2.6所示。

图2.6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】。

2.4.1变速控制的方法

1、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。

2、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。

3、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。

2.5本章小结

本章首先分析了步进电机的原理，并总结步进电机控制系统的特点；

其次根据步进电机的控制特点，设计步进电机的驱动电路和环形脉冲分配器；

为了使控制系统快以最短时间到达控制终点，并根据步进电机的矩频特性设计步进电机的变速控制的方法。

最后根据步进电机的优点，介绍步进电机在自动生产线中的应用。

第三章控制系统硬件设计

3.1硬件系统设计原则

系统的扩展和模块设计应遵循下列原则【12】：

（1）尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性。

（2）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。

硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：

软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。

但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件的长，而且占用CPU时间。

所以选择软件方案时，要考虑到这些因素。

（3）整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配，例如选用晶振频率较高时，存贮器的存取时间有限，应选择允许存取速度较高的芯片；

选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。

（4）可靠性及抗干扰性设计是硬件系统设计不可缺少的部分，它包括芯片、器件选择，去耦滤波等。

（5）单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。

驱动能力不足时，系统工作不可靠，解决的办法是增加驱动能力，增设线驱动器或减少芯片功耗，降低总线负载。

（6）系统的扩展及各功能模块的设计在满足系统功能要求的基础上，应适当留有余地，以备将来修改、扩展的需要。

3.2控制系统组成

控制系统硬件电路主要由键盘显示电路、工作状态显示电路、环形脉冲分配器、步进电机驱动电路、51单片机、电源及复位六部分组成。

系统硬件框图如图3.1所示。

图3.1系统硬件框图

3.3主要元件的选择

3.3.1单片机的选择

随着微电子工艺水平的提高，近十年来单片微型计算机有了飞速的发展。

在MCS-51系列单片机系列内核8051/80C51的基础上，Intel公司、Philips公司、Siemens公司等很多大公司纷纷推出了名目繁多的派生芯片。

而ATMEL公司的AT89C51系列单片机是当今具有较高性能的单片微型计算机系列产品之一，特别适用于要求实时处理、实时控制的各类自动控制系统，如工业过程控制系统、伺服系统、分布式控制系统、变频调速电机控制系统等。

其主要特点有：

（1）CPU内核完全和MCS-51系列兼容，具有MCS-51系列单片机的一切功能。

（2）内部集成了4K字节的在线可编程FlashROM，可满足大部分系统扩展的需求，编程方更快捷。

（4）可在0～24MHz的晶振频率范围内可靠工作，加快了系统的工作速度，可用在某些高速实时处理控制系统中。

（5）内部具有256个字节的RAM和3个16位定时器，可以存放系统运行中的数据和满足定时或计数功能扩展的需要。

（6）具有6个中断源，完全可以满足一般设计的中断系统扩展需要。

因此，AT89C51系列单片机以其优越的性能在控制系统设计中得到了广泛的应用，由于其内部功能完善，可以大大减少扩展系统外围电路，而且性能稳定，因此在本控制系统的设计中，选用了AT89C51单片机作为中央控制单元。

3.3.2可逆计数器的选择

由于脉冲分配器不但需要接收脉冲信号CP，还需要接收方向电平，因此所选的计数器需要是一个可逆的计数器。

计数器选用74LS191，这是一种单时钟4位二进制可逆计数器，时钟脉冲从CP端输入，加/减脉冲由同一端输入，加/减控制线的高低电平控制加减计数。

74LS191是单时钟方式的可逆计数器，计数器的输出QA～QD接EPROM的低四位地址线，这样可以选通EPROM的十六个地址（00H～0FH），将步进电机的励磁状态从EPROM中输出，控制绕组的导通和截止。

74LS191的工作方式选择如表3.2所示。

用74LS164的clk端作为环形脉冲分配器的CP脉冲信号输入端，加减计数控制端作为正反转控制信号输入端。

表3.274LS191功能表

输入

工作模式

置数使能加减时钟

HLL

HLH

LXXX

HHXX

加计数

减计数

预置

保持

3.4控制系统接口电路的设计

3.4.1脉冲分配器设计

脉冲分配器是用来接收单片机的CP脉冲，并根据步进电机的励磁状态转换表的状态顺序输出各相绕组的导通或截止信号。

每来一个CP脉冲，环形脉冲分配器的输出就转换一次。

因此，步进电机转速的高或低、加速或减速、启动或停止都完全取决于CP脉冲的有无和频率。

同时，环形脉冲分配器还必须接收控制器发出的方向电平信号，从而决定其输出的状态转换是按正序转换还是反序转换，于是就决定了步进电机正反转。

接收来自控制器的CP脉冲和方向电平是环形脉冲分配器的最基本功能。

脉冲分配器电路如图3.2所示。

图3.2脉冲分配器电路

这种方法适用于控制任意类型的步进电机。

对于不同类型的步进电机及不同的励磁方式，只需改变存储的状态表，硬件不需要做任何的变化。

跟软件的方法相比，需要增加硬件的成本，但软件简单，速度快，少占用CPU的时间，提高了系统的响应速度，软件方法的优点是节省硬件，降低系统的成本，且更改灵活，有利于系统的小型化，其主要的缺点是占用CPU时间较多，降低系统的响应速度。

为了提高系统的响应速度，本文采用硬件设计脉冲分配器。

3.4.2显示电路设计

单片机与显示电路的接法一般有如下两种方法：

（1）串行接法：

设计中要显示4位数字，用74LS164作为显示驱动，其中74LS164带锁存，使用串行接法可以节约I/O口资源，发送数据时容易控制。

（2）并行接法：

使用并行接法时要对每个数码管用I/O口单独输入数据，占用资源较多。

由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，故使用使用LCD显示。

LCD1602显示电路如图3.3所示【14】。

图3.3LCD显示电路

3.4.3外部晶振和复位电路设计

MCS-51系列单片机采用高电平复位方式，为保证