PIC单片机的步进电机控制系统设计.docx

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PIC单片机的步进电机控制系统设计

摘要

步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件，具有快速启动和停止的特点。

其驱动速度和指令脉冲能严格同步，能实现正反转和平滑速度调节，因而被广泛应用于数模转换，速度控制和位置控制系统。

但是步进电机的驱动信号往往还是由专门的模拟芯片控制器或者信号发生器产生，缺乏灵活性和可靠性。

尤其在一些智能化要求较高的场合，用模拟芯片及信号发生器来控制步进电机有一定的局限。

而利用单片机进行脉冲控制，控制精度高，外围电路也比较简单，因此在工业应用场合，基于单片机的步进电机控制器应用广泛。

本设计采用PIC系列单片机作为步进电机控制系统的核心，实现了软件与硬件相结合的控制方法。

用软件代替脉冲分配器，达到了对步进电机的最佳控制。

采用单极性驱动电路对小功率步进电机进行驱动，电路简单，实用性好。

用LCD显示屏对步进电机的预设工作状态进行动态显示，直观、明了。

关键词

步进电机；PIC单片机；LCD

Abstract

Steppermotorisacontrol-drivencomponentwhichdirectlyconvertdigitalsignaltoangulardisplacementorlineardisplacement,witharapidstartandstopcharacteristics．Thedrivingvelocityofthesteppermotorarestrictlysynchronouswithinstructionspulse,andcanachievepositiveandnegativerotationandsmoothspeedadjustment,soitiswidelyusedindigital-to-analogconverter,speedcontrolandpositioncontrolsystem．However,thedrivingsignalsofsteppermotorareoftengeneratedbyaspecialcontrollerofanalogchiporsignalgenerator,itislackofflexibilityandreliability．Especiallyinsomeoccasionsofhigherintelligence,usinganalogchipsandsignalgeneratortocontrolthesteppermotorhassomelimitations．Becauseofitssingle-chiphigh-precisionpulseandrelativelysimpleperipheralcircuits,sosteppermotorcontrollersbasedonsingle-chiparewidelyusedinindustrialapplications．

ThedesignusesaPICMCUasthecoreofsteppermotorcontrolsystem,andacontrolmethodofcombinationofsoftwareandhardwareisrealized．WechoosesoftwareinsteadofthePulseDistributortoachievethebestcontrolofthesteppermotor．Unipolardrivecircuitisusedfordrivinglow-powersteppermotor,whichissimpleandreallyfunctional．LCDisusedfordynamicdisplayingintuitivelyandclearlythestateofthesteppermotor．

Keywords

Steppermotor；PICMicrocontroller；LCD

绪论

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构。

它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度，具有快速启动和停止的特点。

其驱动速度和指令脉冲严格同步，具有较高的重复定位精度，并能实现正反转和平滑速度调节。

它的运行速度和步距不受电源电压波动和负载的影响，而且由于步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，在简易数控机床，数字绘图仪，点阵打印机，家用电器等大量角度、速度、位移控制系统中，得到了极其广泛的应用[1]。

但是步进电机的驱动信号往往还是有专门的模拟芯片控制器或者信号发生器产生，缺乏灵活性和可靠性。

尤其在一些智能化要求较高的场合，用模拟芯片及信号发生器来控制步进电机有一定的局限[2]。

而利用单片机进行脉冲控制，控制精度高，外围电路相对也比较简单，因此在工业应用场合，基于单片机的步进电机控制器应用广泛。

PIC系列8位单片机是美国MicrochipTechnology公司推出的精简指令集计算机（RISC）结构的嵌入式控制器，其硬件系统设计简洁，指令系统设计简练。

PIC系列单片机具有体积小，功能强，功耗低、设计开发灵活方便和价格低廉等特点，可以应用在数字化仪器仪表，自动测试和控制，智能化家用电器等领域[3]。

基于PIC单片机的上述特点，本设计采用PIC16F877单片机作为控制系统核心，具体介绍了一个步进电机运动控制系统的结构组成，既包括硬件设计，也有具体的软件实现。

该控制系统可实现如下功能：

1．通过键盘可以设定步进电机的转速及转数（以整转为单位），2．通过键盘可以设定步进电机转向，3．键盘所设置的参数可以通过LCD进行实时显示。

第一章控制系统实现原理

一、步进电机的分类和主要性能指标

（一）步进电机的分类

步进电机可分为3大类

1．反应式步进电动机

反应式步进电动机的转子是有软磁材料制成的，转子中没有绕组，定子上有多相励磁绕组。

它的结构简单，成本低，步距角可以做的很小，一般为1.5度，但噪声和振动都很大[4]。

2．永磁式步进电动机

永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。

它的输出转矩大，动态性能好。

转子的级数与定子的级数相同，所以步距角较大，一般为7.5度或15度。

需供给正负脉冲信号[4]。

3．混合式步进电动机

混合式步进电动机综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好。

它又分为两相、三相和五相：

两相步距角一般为1.8度而五相步距角一般为0.72度。

这种步进电机应用最为广泛，也是本控制系统所选用的步进电动机[4]。

（二）步进电机的主要性能指标

1．电机固有步距角

它表示控制系统每发出一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

电机出厂时给出了一个步距角的值，如本设计所选用的KP39HM2-025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°），即电机固有步距角。

它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正步距角和驱动器有关[5]。

2．步进电机的相数

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。

电机的相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°[5]。

3．电机的保持转矩

保持转矩指电机各相绕组通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转矩。

通常电动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变化而变化[5]。

4．启动频率

启动频率又称突跳频率，是指步进电机能够不失步启动的最高频率，是步进电动机的一项重要指标。

负载启动频率与负载转矩即惯量的大小有关。

负载量一定，负载转矩增加，或负载转矩一定，负载惯量增加，都会使启动频率下降[5]。

5．运行频率

步进电机启动后，控制脉冲频率连续上升而维持不失步的最高频率，称为运行频率。

通常给出的也是空载情况下的运行频率[5]。

二、步进电动机的结构及工作原理

（一）反应式步进电动机的结构及工作原理

1．反应式步进电动机的结构

图1-1是一个三相反应式步进电机结构图。

从图中可以看出，它分为转子和定子两部分。

定子由硅钢片叠成。

定子上有6个磁极，每两个相对的磁极组成一对，共有三对。

每对磁极都缠有同一绕组，也即形成一相。

每个磁极内表面都分布着许多小齿，它们大小相同，间距相同。

反应式步进电动机运动的动力来自于电磁力，在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率的位置即对齿的位置，并处于平衡状态。

当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置，即错齿位置[6]。

1--定子2--转子3--定子绕组

图1-1三相反应式步进电动机结构[6]

2．反应式步进电动机的工作原理

如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。

步进电动机就是基于这一原理转动的。

下面以三相反应式步进电机为例，起典型结构如图1-2所示。

当A相控制绕组接通脉冲电流时，在电磁力作用下使A相的定、转子对齐，相邻的B相和C相小齿错开。

若换成B相通电，则电磁力使B相定、转子小齿转过，而与B相相邻的C相和A相的定、转子小齿又错开，即步进电机转过一个步距角。

图1-2三相反应式步进电机工作原理[1]

若按A→B→C→A循环顺序通电，则步进电机按一定方向转动。

若改变通电顺序为A→C→B→A，则电动机反向转动，这种控制方式成为三相单三拍。

按AB→BC→CA→AB或A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电则称为三相双三拍或三相单、双六拍。

无论采用何种控制方式，在一个通电循环内步进单机转角恒为一步距角，可以通过改变步进电机通电循环次序来改变转动方向，通过改变通电频率来改变其角频率[1]。

（二）混合式步进电动机的结构及工作原理

由于本设计是选用KP39HM2-025型混合式步进电动机作为控制对象，下面主要介绍混合式步进电机的结构和工作原理。

混合式步进电动机又称为感应子式步进电动机，它的定子铁心与反应式步进电动机相同，即分为若干大极，每个大极上有小齿及控制绕组；定子控制绕组与永磁式步进电动机相同，也是两相集中绕组，每相绕组有两对极，按A→B→（-A）→（-B）→A…的顺序轮流通以正负脉冲；转子中间为环形轴向磁化的永磁体，磁体两端各套有一段开有齿槽的铁心，两段齿心错开半个齿距，且转子齿距与定子小齿的齿距相等。

由于定子同一个极的两端极性相同，转子两端极性相反，且错开半个齿距，所以当转子偏离平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。

当定子各相绕组按顺序通以直流脉冲时，转子每次将转过一个步距角。

这种电机可以像反应式步进电动机那样做成小步距角，并有较高的启动频率，同时它具有控制功率小的优点。

当然，由于采用永磁体，转子铁心需分成两段，结构和工艺都比反应式要复杂一些[6]。

（三）KP39M2-025型混合式步进电动机的工作方式

经实验测定，该类型混合式步进电动机以两相双四拍工作方式进行工作。

该步进电动机的正转通电顺序为AB→A（-B）→（-A）（-B）→（-A）B→AB…；反转通电顺序为AB→（-A）B→（-A）（-B）→A（-B）→AB…。

双四拍工作时各相通电的电压和电流波形如图1-3，图1-4所示。

双四拍方式还有一个优点就是不易产生失步。

这是因为当两相通电后，两相绕组中的电流幅值不同，产生电磁力的作用方向也不同，所以，其中一相产生的电磁力起到阻尼作用。

绕组中的电流越大，阻尼作用就越大，这有利于步进电机在低频区工作[4]。

图1-3正向旋转、双四拍工作方式时的相电压，电流波形

图1-4反向旋转，双四拍工作方式时的相电压，电流波形

（四）步进电动机的加减速

步进电机有一个空载启动频率fa，即步进电机在空载情况下能正常启动的脉冲频率。

若脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，会发生失步或堵转现象。

而在有负载的情况下，正常启动频率应该更低。

在停止时也应该有一个减速过程，而不能突然停止，否则会出现超程现象，因此步进电机需要加速启动和减速停止[7]。

升降速有两种方法：

直线升降法，指数曲线升降法。

匀加减速控制是指加速度保持不变，速度以线性规律上升或下降，如图1-5所示。

这种控制方法软件实现比较简单，适用速度变化较大的快速定位，但是该方法不完全符合步进电机的速度变化规律，效果不是很理想。

图1-5匀加减速控制[7]

指数曲线控制是指在加速或减速时步进电机的速度呈指数曲线变化。

指数曲线如图1-6所示，在开始时加速度最大，随着时间的推移，加速度逐渐减小，在理想情况下应该减小为零，这种方法符合步进电机的矩频特性，快速响应特性好，升降时间短。

因此采用指数曲线控制法是最好的选择[7]。

如果采用指数曲线升降法，要用离散法将加减速曲线离散化。

将离散所得的转速序列所对应的定时常数序列，做成表格储存在程序控制器中。

在程序运行中，使用查表的方式重装定时常数，这样做比用计算法节省时间，提高系统的响应速度[7]。

图1-6指数曲线控制[7]

由于本次设计选用的步进电机为混合是步进电动机，且输出功率较小，多用于对控制精度要求相对不高的场合，因此采用匀加减速控制方法来实现控制系统运行过程中的加减速。

三、液晶显示模块OCMJ48C

（一）带有中文字库图形点阵液晶显示模块的应用

随着仪表的智能化以及人们对显示信息和操作界面要求的不断提高，液晶显示器件得到了广泛的应用。

自上个世纪七十年代初，液晶开始作为一种显示媒体使用以来，液晶显示器件LCD以其具有体积小，重量轻，超薄型，工作电压低，功耗低，显示信息量大，寿命长，不产生电磁辐射污染，可以显示复杂的文字，图形，表格及曲线等优点，在仪表设备中作为显示终端和人机接口，而被广泛在各种仪器仪表，电子设备，移动通讯及家用电器中[8]。

液晶显示模块是将液晶显示器件，连接件，驱动控制器，PCB线路板，背光源，结构件等装配在一起的组件，简称LCM。

根据液晶显示器件结构的不同，液晶显示模块可以分为段式和点阵式两种。

在单片机应用系统中，段式LED显示应用比较广泛，但由于电极引出线数量少，一般只能用于显示数字和个别字符，无法显示更多复杂的字符，而点阵型液晶显示器则可以解决这个问题。

本系统采用的液晶显示模块作为人机交互的接口体现了数字化的优势，能够根据用户的需求对步进电机工作状态的参数进行设置[8][9]。

（二）OCMJ48C液晶显示模块的功能

本设计采用OCMJ48C液晶显示模块作为步进电机控制系统的显示部分，下面简要介绍一下该模块的功能。

OCMJ48C液晶显示模块是肇庆金鹏电子有限公司开发制造的C系列中文显示模块中的一种。

C系列中文模块可以显示字母，数字符号，中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。

提供三种控制接口，分别是8位微处理器接口，四位微处理器接口及串行接口。

所有的功能，包括显示RAM，字型产生器在内都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理器系统，就可以方便操作模块。

内置2M-位中文字型ROM总共提供8192个中文字型（16x16点阵），16K-位半宽字型ROM（CGROM）总共提供126个符号字型（16x8点阵），64x16位字型产生RAM（CGRAM），另外绘图显示画面提供一个64x256点的绘图区域GDRAM，可以和文字画面混合显示。

提供多功能指令：

画面清除（Displayclear）、光标归位（Returnhome）、显示打开/关闭（Displayon/off）、光标显示/隐藏（Cursoron/off）、显示字符闪烁（Displaycharacterblink）、光标移位（Cursorshift）、显示移位（Displayshift）、垂直画面卷动（Verticallinescroll）、反白显示（By_linereversedisplay）、待命模式（Standbymode）[10]。

四、PIC单片机

（一）PIC系列单片机的特点

美国Microchip公司的PIC系列单片机主要有以下特点：

（1）哈佛总线结构；

（2）指令单字节化；（3）寻址方式简单；（4）精简指令集（RISC）技术；（5）代码压缩率高；（6）运行速度高；（7）功耗低；（8）驱动能力强，达到20mA的电流驱动能力；（9）自带硬件看门狗电路；（10）外接电路简单；（11）开发方便。

这些特点使PIC系列单片机越来越受到中国用户的青睐，在工业控制，智能仪表等不同领域得到广泛的应用[11]。

PIC16F87X系列单片机是Microchip公司于1998年年底推出的新产品，可以实现在线调试和在线编程。

本设计系统采用PIC16F877型号单片机作为控制芯片来实现步进电机的旋转，调速以及LCD显示等功能，下面介绍一下该类型单片机的结构及用到的各模块。

（二）PIC16F877单片机的结构

1．PIC16F877单片机的基本功能模块

首先对PIC16F877单片机的基本功能区域所包含的主要部件及其功能进行介绍，以便对其基本功能硬件有一个概要的认识。

基本功能区域的主要功能模块包括以下7部分，它们是：

程序控制区域，数据存储区域，E2PROM数据存储区域，算数逻辑运算区域，输入/输出端口模块、多功能定时器模块，核心模块[11]。

本设计没有用到该类型单片机的专用功能模块，在此将不再赘述。

下面主要介绍一下用到的输入/输出端口模块和多功能定时模块。

2．输入/输出端口模块

PIC16F877单片机具有丰富的接口资源，共设置有5个输入输出端口，分别为RA（6位）、RB（8位）、RC（8位）、RD（8位）、RE（3位），合计共有33个引脚。

大多数引脚除了具有I/O功能外，还配置有其它特殊功能。

通用I/O引脚可以看作是最简单的外设，PIC单片机通过I/O端口监视和控制其它设备，为了增强器件的灵活性和功能，一些引脚被定义为多功能复用引脚。

这些功能由器件上相应外设的特点决定。

一般来说，当相应的外设使能时，其对应的引脚不能作为通用I/O引脚使用。

图1-7是一个典型的I/O端口，它没有画出I/O引脚复用的外设功能。

读PORT寄存器是读取引脚上的电平状态，而写PORT寄存器是将数据写入端口的数据寄存器。

所有的写操作都是读-修改-写入操作。

因此对一个端口进行写入操作意味着总是光读取端口的引脚电平，在修改这个值，然后再写入端口的数据锁存器[12]。

图1-7典型的I/O端口[12]

3．定时器/计数器TMR0

定时器/计数器模块的正常工作一般表现为计数累计功能，通常是由时钟脉冲来驱动的。

该时钟可以是单片机本身的工作时钟，即使用内部时钟，称之为定时器；也可以使用外部引脚输入的时钟，即使用外部的时钟输入来累计，称之为计数器。

PIC16F877单片机配置3个定时器/计数器模块，分别为TMR0，TMR1和TMR2。

本控制系统主要利用TMR0的定时功能为步进电机合理分配脉冲宽度以达到调节电机转速的目的。

下面主要介绍TMR0的功能特性及与该模块相关的寄存器。

TMR0定时器/计数功能主要是基于一个8位累加定时/计数寄存器TMR0，采用时钟信号的上升沿，下降沿触发计数方式。

TMR0在RAM数据寄存器中具有特定的地址001H和101H，可通过软件指令进行读/写操作。

另外，TMR0带有一个可编程预分频器，可达到定时/计数的扩展效果。

在TMR0计数溢出时，相应的溢出中断标志自动置位，可通过设置TMR0中断使能状态而产生溢出中断[12]。

该模块的结构框图如图1-8所示

图1-8TMR0结构框图[12]

定时器/计数器TMR0主要设计有4个寄存器，它们分别是定时器/计数器TMR0，选项寄存器OPTION_REG，中断控制寄存器INTCON，方向寄存器TRISA。

本控制系统主要是靠改变TMR0的计数初值以及OPTION_REG中的分频比来调节脉冲的宽度，以达到精确调速的目的[12]。

第二章控制系统硬件设计

一、控制系统总体概述

本控制系统采用PIC16F877单片机作为控制核心，通过键盘输入指令，产生各种控制信号，实现步进电机的转速和转向的控制，并可通过LCD显示系统的运行状态。

系统电路由五部分组成，即输入、显示部分；PIC单片机；驱动控制电路；直流电压源及步进电机。

控制系统总体结构框图如图2-1所示。

该控制系统可实现如下功能：

1．通过键盘可以设定步进电机的转速及转数（以整转为单位），2．通过键盘可以设定步进电机转向，3．键盘所设置的参数可以通过LCD进行实时显示。

由于本控制系统所控制的电机类型为两相六线混合式步进电动机，因此系统由PIC16F877单片机的PORTA端口产生A和-A、B和-B两相信号。

为提高系统的驱动能力，在单片机与步进电机之间增加控制驱动电路。

图2-1控制系统总体结构框图

二、控制系统的硬件电路

（一）控制系统总体电路

本控制系统硬件总体电路以单片机作为系统核心，主要由PIC16F877单片机及单片机工作外围电路、步进电机控制驱动电路、LCD显示屏接口电路、键盘输入电路等组成。

在该系统中输入由单片机接口电路构成的1*4键盘完成，单片机根据输入的键值控制步进电机的脉冲分配，输出脉冲控制电动机的运行以及LCD显示屏实时对步进电机的状态进行相应的显示。

由于本设计所要控制的步进电机功率较小，步距角也相对较小，所要求实现的控制精度要求也不是很高，因此采用单极性驱动电路并且省略了细分驱动电路，硬件电路相对来说比较简单。

控制系统电路图如图2-2所示。

图2-2控制系统总体电路图

（二）单片机与步进电机接口驱动电路

本控制系统采用PIC16F877单片机产生脉冲控制信号。

单片机内部的RAM和ROM即可满足该设计的要求。

步进电机控制信号将PIC16F877单片机的PORTA端口的RA1、RA2、RA3、RA5，4个引脚输出的具有时序的高低电平作为步进电机的控制信号，用于作用在作为开关的三极管基极以导通三极管，使直流电压源能直接向步进电机供电。

KP39HM2-025型混合式步进电动机是两相六线制步进电动机，导线颜色分别为红色、红色、黄色、橙色、黑色、棕色。

其中两根红色导线为公共端，接12V稳压电源，黄色、橙色、黑色、棕色导线依次为电动机A相、A非相、B相、B非相。

由于单电压驱动电路结构简单，功率驱动元件少，成本低，适用于驱动小功率步进电动机或用于性能指标要求不高的场合，基于上述特点与本设计的要求恰好符合故采用此驱动电路对步进电机进行驱动。

图2-3为单电压功率驱动电路的原理图（只画出其中一相）。

来自单片机的信号电压经过电流放大后加到三极管VT的基极，控制VT的导通和截止，从而控制相绕组的通电和断电。

R和VD构成了相绕组关断时的续流电路[13]。

由于电感的存在，绕组的通电和断电不能瞬时完成，电流上升缓慢会导致电机的动态转矩下降，因此应缩短电流上升的时间常数，使电流前沿变陡。

通常在绕组回路中串入电阻Rs，使绕组回路的时间常数减小。

图2-3单电压驱动电路（其中一相）[13]

（三）单片机与LCD显示屏接口电路（8位并行模式）

8位并行模式下，模块与单片机的接口电路如图2-4所示。

模块的数据线可与单片机数据线直接相连。

OCMJ48C液晶模块的读写控制信号R/W由PIC16F877单片机的RB4来控制，RB3连接液晶模块的片选