本科毕业论文基于单片机的步进电机的细分控制器的设计 精品.docx

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基于单片机的步进电机的细分控制器的设计

摘要

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件，具有易于开环控制、无积累误差等优点，在众多领域获得了广泛的应用。

步进电机的运行品质既与电机的本体性能有关，也与驱动器和控制器的性能有关。

一般步进电机的运行噪声大，控制精度低，无法满足很多场合下较高运行品质的要求，因此实现步进电机的细分控制可以较大地改善步进电机的系统性能。

本课题在总结和归纳多种步进电机细分控制技术的基础上，设计完成了基于单片机的步进电机细分控制系统。

细分驱动技术是一种能有效改善步进电机低频特性和提高步进精度的驱动技术。

广泛应用于对工况要求较高的场合，尤其在一些要求高精度、低噪音、低振动的系统中，细分驱动成为步进电机驱动的首选驱动技术。

本文先介绍了三相步进电机的结构和工作原理，然后在对步进电机细分驱动技术和单片机研究的基础上，分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用，该方案中电流细分技术基本上克服了传统步进电机低速振动大和噪音大的缺点，减小发生共振的几率。

该方案能避免其它相绕组的感应电压和绕组电流的漂移带来的误差，提高了细分精度。

本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘/显示控制器Intel-8279等组成，单片机是控制系统的核心。

采用IR2130功率驱动芯片作为步进电机的功率驱动器件。

文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍。

关键词　单片机；步进电机；细分控制

DesignofStepperMotorSubdivisionControllerBasedonMicrocontroller

Abstract

Steppermotorisakindofelectromechanicalcomponentthatisdriveninstepangleorlinedisplacementbyelectricpulsesignal.Becauseofhavingtheadvantageofeasyopen-loopcontrolandnoaccumulatingerror，steppermotorisbeingappliedwidelyinmanyfields.Asanintegratedsystemincludingwithbothsteppingmotoranddriver，itsqualityofoperationisdependedontheperformanceofmotor，driverandcontroller.Generally，thenoiseofthesteppingmotorisgreat，andcontrolprecisionislow，whichcan＇tmeetrequestofthehighrunningqualityinmanysituations.Sotheperformanceisimprovedinsteppingmotoroperationthroughrealizingthesubdivisionoperationofsteppingmotor.Thistopicinsummarizesvarioussteppingmotorsubdivisioncontroltechnology,onthebasisofthesetechnology,completedthedesignofsteppingmotorsubdivisionsystembasedonsingle-chipmicrocomputer

Thesteppermotor’smicro-steppingdriverisakindofdrivingtechnologythatcaneffectivelyimprovethestepprecisionandcharacteristicoflowfrequency.Itismostlyusedwhentheequipmentsrequirehigh-precision，lownoiseorlowvibrationsystem,anditisbeingamoreandmorepopulardrivingtechnology.

Inthispaper，theworkingprincipleandconfigurationofthree-phaseStepperareintroduced，thenbasedontechnologiessuchassteppermotorcontrollerandmicrocontroller.weanalysistheusingofmicro-steppingdrivingtechnologytoimproveoperationalperformance.Currentsubdividingtechnologynotonlyovercomesthedisadvantagesofmotor’svibrationandnoiseatlowspeedsbutalsoreducesprobabilityofresonance.Itpreventsthereactivevoltageerrorsbroughtbyotherwindingsandthedrifterrorsbroughtbycurrent.Itimprovestheprecisionofsubdivision.Inthethesis，wedevelopasinglechipcomputer-baseddigitalcontrollingsystemforathree-phasesteppermotorthatismainlyconstructedfromaAT89CS1singlechipcomputerand8279ICwhichisusedasthecoreofcontrolpartsandathreefull-bridgedriverIR2130.ThepowerstageofthisdriverusesIGBTIR2130thatprovideshighreliability.Basedontheapproach，thesystem＇swholearchitecture，thedesignofhardwareandsoftwareareintraducedindetail.

Keywords　Singlechipmicrocomputer；Steppermotor；Subdividecontrol

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Abstract

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第1章绪论

1.1课题背景

随着电力电子技术、微电子技术，控制技术的快速发展和EDA技术的日益成熟，特别是高性能可编程逻辑器件的出现，使得步进电机驱动系统集成化设计成为可能，并伴随着电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。

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。

运用电流波形控制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。

我国对细分驱动技术的研究，起步时间与国外相差无几。

细分驱动技术的广泛应用，使得电机的步距角不受相数的限制，为产品设计带来方便。

目前在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开关管是功率场效应管（MOSFET），与早先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极晶体管（IGBT）也己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，目前己开始应用于中、小功率的步进电机的驱动。

步进电机作为数字式执行元件，具有成本低、易控制、定位方便和步距误差不长期累计等优点，被广泛应用在数控装置、绘图机、机械手、印刷和包装设备等工业、军事和医疗自动化领域中。

但是步进电机在应用中存在一些制约性的因素，步进电机及其系统表现出诸如低速平稳性差、高速快速响应能力差、效率低和能耗等。

步进电机多应用于开环控制的场合，对转子位置和角速度不做检测，较容易在行过程中产生失步和振荡。

另外，步进电机不能简单地直接接到普通的交直流电源运转，它需要专门的驱动控制器，步进电机和与之配套的驱动控制器密不可分，在电机本体选定的情况下，驱动控制器的好坏很大程度上影响着整个系统的运行性能。

通过研制高性能的步进电机驱动控制器可以大大改善步进电机的运行性能，这对提高我国在这方面的科学技术水平起到了一定的促进作用，拓宽了步进电机的应用领域。

因此，研究开发出高性能的步进电机驱动控制器不仅有着重大的现实意义，而且具有极大的经济价值。

1.2步进电机概述

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。

当步进驱动器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（即步距角）。

脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多;输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。

因此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，从而达到调速的目的。

步进电机种类可分为常用三大类:

反应式（VR，也称磁阻式）、永磁式（PM）、混合式（HB）。

步进电机具有自身的特点，归纳起来有：

1.位置及速度控制简便。

步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活的角度控制（位置控制）。

因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可在相当宽范围内平滑调节。

2.可以直接进行开环控制。

因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。

3.高可靠性。

4.具定位保持力矩。

永磁式、混合式步进电机在停止状态下（无脉冲信号输入时），仍具有励磁保持力矩，故即使不靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。

5.中低速时具备高转矩。

步进电机在中低速时具有较大的转矩，能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。

同时，步进电机也有自己的缺点:

从应用的角度来看，严重制约步进电机的两个问题是失步和振荡。

由于步进电机在大多数情况下采用开环运行的方式，它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电机本身。

有多种情况会产生失步，比如起动或停止频率超过突跳频率，电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率，所带负载转矩超过了起动转矩，共振等。

通过改善驱动器的性能，可以减小运行中失步的可能。

步进电机的低频振荡是另一个需要解决的问题。

步进电机在极低频率下做连续步进运行，即每改变一次通电状态，转子转过一个步距角。

如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程，转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下来。

每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这种能量越大，振荡越厉害。

当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振荡频率时电机会出现严重的低频共振，甚至失步导致无法工作。

一般不允许在共振频率下运行，从驱动器的方面来看，使用细分驱动技术可以有效的克服低频共振的危害。

1.3步进电机驱动系统概述

步进电机的工作必须使用专用设备——步进电机驱动器。

驱动器针对每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电（励磁），以产生必要的转矩，驱动转子运动。

步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的3大部分。

步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器性能的优劣。

当电机和负载己经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法。

步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动等。

在这仅介绍细分驱动。

细分驱动它是将电机绕组中的电流细分，由常规的矩形波供电改为阶梯波供电。

这样，绕组中的电流经过若干个阶梯上升到额定值，或以同样的方式从额定值下降。

虽然细分驱动电路的结构比较复杂，但在不改变电机内部参数的情况下，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一，使步距角不再受电机结构和制造工艺的限制。

由于绕组的电流变化幅度也大大减小，从而极大的改善步进电机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除振荡。

近几年来，由于微处理机技术的发展，细分驱动技术在驱动器中获得了广泛应用。

1.4国内外研究状况及发展趋势

目前在数控生产和经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域，有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服控制系统的.因此，如何改善电机的控制方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。

目前，电机控制方法已经由传统的PID控制方法发展到性能更优良、结构更简单的数字式PID控制方法，并取得了较好的效果，在一定程度上提高了系统的定位精度。

国内外研究开发步进电机细分驱动器的科研单位、厂家很多。

如：

中国科学院自动化研究所开发的步进电机细分驱动器系列，其中针对三相反应式步进电机，细分数为10；北京兴大豪科技开发有限公司开发的用于电脑绣花机的步进细分驱动器；国外产品主要有美国SHAPHON公司生产的细分驱动器系列，其中SH-3F075M反应式步进电机驱动器为40细分等等。

这些驱动器多数采用单片机为控制芯片，受单片机计算速度和计算精度的限制，当采用细分驱动时，细分数最大可以达到256。

工业发达的国家都在大力发展精密定位技术，利用它进行产品革新、扩大生产和提高良品率和国际经济竞争力。

为了满足定位精度的要求，各国都在研究影响系统精度的因素，以及如何实现固有的精度指标。

在精度定位研究方面水平最高的是美国，其LINL国家试验室、Moore、VnionCarbide、PneumoPrecision等公司均在精度定位系统研究与开发方面做出了卓越成效的工作。

美国国防部高等研究计划局（DARPA）投资1300万美元，由LINL试验室与1983年7月研制成功的LODATM大型超精密机床利用激光干涉测量系统，采用压电晶体误差补偿技术，使定位精度可以达到0.025um，是世界公认最高水平的机床。

但是该机床不但重达1360kg，体积庞大，造价更是昂贵。

日本近些年来花费巨大人力、物力，开发、研制精密机床，1987年日本通产省开始的“超尖端加工系统的研究开发”是大型研究规划提出的设想。

但是，由于精密和超精密加工的尖端部分代表着最新科学技术的发展，同时与航空、军事、核能等方面联系密切，各国对这部分技术是严格保密的。

有关精密加工的高新技术和产品还对中国实行禁运。

而发展精密加工技术又是我国的当务之急，因此我们必须依靠自己力量，加速发展自己的精密定位技术。

随着微电子技术、大功率电力电子器件及驱动技术的进步，目前发达国家的驱动器已进入恒相电流与细分技术相结合的技术阶段，使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩维持不变。

在步进电机驱动技术上，一方面由于采用了斩波恒流控制、SPWM（正弦脉宽调制）和细分技术以及最佳升降频控制，大大提高了步进电机运行快速性和运动精度，使步进电机在中、小功率范围内向高速精密化领域渗透;另一方面在电路设计方面，驱动器电路普遍采用单片机加上外围电路，或专用SPWM芯片甚至DSP来产生SPWM波来控制功放电路上开关管的通断，从而控制各相绕组细分电流的大小.功率开关管目前采用的功率场效应管（MOSFET）与早先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极晶体管（IGBT）也己应用于高速型及较大功率的步进电机驱动电路中。

1.5论文研究内容

本课题的设计内容是设计完成基于单片机的步进电机控制器，为提高控制精度对步进电机采用细分控制技术，使控制系统的控制精度在普通三相六拍的基础上得到提高。

主要内容包括:

单片机控制技术，由单片机控制步进电机的细分、转向等，与系统的硬件以及软件设计:

1.采用细分技术实现对电机相电流的控制，以克服传统驱动技术下步进电机低速振动、存在共振现象、噪音大、高速转矩小等缺点。

2.用开关电源为驱动器内部电路供电，减小驱动器的体积和重量，提高电源效率。

3.驱动器的功率驱动环节采用美国国际整流器公司生产的功率MOS器件（或IGBT）栅极驱动集成电路IR2130，它能输出六路驱动信号，并且由于内部设有自举式悬浮电路，因此只用一路电源，使系统设计极为简化。

4.控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘/显示控制器Intel—8279等组成，单片机是控制系统的核心。

采用了Intel公司研制的键盘、显示器接口电路芯片8279，该芯片能自动完成对显示的刷新，同时还可以对键盘自动扫描，识别闭合键的键号，使用非常方便。

8279键盘、显示器接口器件是实现人机对话的主要部件，该接口电路能大大节省CPU的开销，提高了可靠性和CPU工作效率。

第2章步进电机及其驱动系统

2.1步进电机及其工作原理

2.1.1步进电机的结构特点

步进电机的典型结构，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。

定子铁心由电工钢片叠压而成。

定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。

按相数的多少分为不同结构的步进电机，常见的是2相、3相和5相步进电机。

图2-1表示出一台三相反应式步进电机的横断面，它的定子上有三对磁极，每一对磁极上绕着一相绕组，三相绕组连接成星形；转子铁芯及定子极靴上均有小齿，定转子齿距通常相等；转子铁芯上没有绕组，转子齿数有一定的限制，图中所示的转子齿数

=40，每一个齿距对应的空间角度为

=

。

图2-1三相反应式步进电机结构图

2.1.2步进电机的基本工作原理

步进电机种类很多，可以有不同的相数，不同的磁路结构，不同的绕组连结等，但它们的基本工作原理相同，以下以比较常见的一种三相反应式步进电机为例进行说明。

根据步进电机结构图，当一相绕组通电，例如A相绕组通电，B、C二相绕组不通电时，电机内建立以AA＇为轴线的磁场，如图2-2

（1）所示，由于定转子上有齿和槽，所以当定转子齿的相对位置不同时，磁路的磁导也不同，在绕组通电时，转子将有一定的稳定平衡位置，转子的位置是力求使通电相磁路的磁导为最大。

当A相通电时，转子的平衡位置是转子齿的轴线与A相磁极上定子齿的轴线相重合的位置，简单的说就是A相极下定转子齿对齿，如图2-1所示的情况。

（1）A相通电

（2）B相通电（3）C相通电

图2-2一相通电时的磁场情况

B相绕组的轴线与A相绕组轴线的夹角为120°，中间包含的齿距数为

=13+

，即当A相磁极上定转子正对是，B相磁极上定子齿的轴线沿ABC方向领前转子齿的轴线

齿距，C相磁极上定子齿的轴线，则沿ABC方向领前转子齿的轴线

齿距。

在A相断电的同时，给B相通电，则建立以BB＇为轴线的磁场，如图2-2

（2），即磁场沿ABC方向转过120°空间角。

此时，转子的轴线将力求与B相定子磁极上齿的轴线对齐，以达到稳定平衡位置，显然比起A相通电时，转子的位置沿ABC方向转过

齿距。

相似的，在B相断电的同时，给C相通电，则建立磁场的轴线如图2-2（3）所示的CC＇方向，转子有沿ABC方向转过

齿距。

可见，在连续不断的按A—B—C—A—的顺序分别给各相绕组通电时，电动机内磁场的轴线沿ABC方向不断转动，且每改变通电状态一次时，转过的角度为二相磁极轴线间的夹角120°。

而转子则每次转过

齿距。

每循环一次，磁场沿ABC方向转过360°空间角，转子沿ABC方向转过一个齿距。

2.1.3绕组通电方式

在步进电机中，定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子就转过一个步距角。

每一个脉冲信号对应于绕组的通电状态改变一次，也就对应于转子转过一个步距角。

对步进电机加一系列连续不断的脉冲时，它可以连续不断的转动，转子的平均转速正比于脉冲的频率，转子转过的角度等于步距角与脉冲数量的乘积。

如上所述，在A、B、C三相绕组内分别单独通电的运行方式，称为三相单六拍运行。

“三相”是指三相步进电机，“单”是指同时只有一相绕组通电，“六拍”是表示六种通电状态为一个循环，即六次通电状态后电机内的磁场恢复到初始的状态，转子转过一个齿距，定转子齿的相对关系不变。

除了三相单六拍运行方式外，三相混合式步进电机还可以在不同的通电方式下运行，如三相双六拍方式，其绕组通电状态变化规律为：

还有三相六拍通电方式，其绕组通电状态变化规律为：

2.1.4步距角的控制

在不同的通电方式运行下，步进电机的步距角是不一样的，其大小为齿距角除以拍数，若用

表示运行拍数，

表示转子齿数，则每改变一次通电状态时转子转过角度称为步距角，用

表示，则：

（2—1）

从（2—l）式可以看出，拍数和转子齿数不同时，步距角不同，且步距角与拍数或转子齿数成反比。

当三相步进电机转子为50齿，若采用3拍通电工作方式时，

=2.4°;采用6拍通电工作方式时，

=1.2°;采用12拍通电工作方式时，

=0.6°。

2.2步进电机驱动系统

2.2.1步进电机驱动系统简介

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一步进电机驱动器。

步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。

典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。

步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。

步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。

控制器的方向信号决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、功率驱动电路、保护电路和电源组成。

步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。

控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。

功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。

保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。

步进电机的驱动特点主要体现在以下几个方面[1]。

1.各相绕组都是开关工作。

多数电机绕组都是连续的交流或直流供电，而步进电机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是断续的。

2.步进电机各相绕组都是在铁心上的线圈，所以都有比