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步进电机设计
黑龙江八一农垦大学
课程报告
课程控制电机
题目步进电机的设计
院系信息技术学院
专业班级电气工程及其自动化
学生姓名孙国栋
学生学号20084073308
2011年6月30日
内容摘要
步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。
本文首先简单的介绍了步进电机的发展概况、特点及工作原理。
包括步进电机的控制方式和驱动方式作了系统说明，给出了系统设计的总体方案，以及本系统的特点和功能。
然后以AT89C2051单片机为主控制器，详细介绍了基于该单片机的步进电机的控制系统。
在此基础上对外围电路：
键盘电路、动态扫描LED显示电路及步进电机的恒流斩波驱动电路、看门狗电路等各个模块的电路进行详细的设计。
接着阐述了步进电机软件控制的开发的流程和程序设计。
同时给出了三相六拍步进电机的正反转、速度控制的程序清单。
本文采用软硬件结合的方法，达到了对步进电机的最佳控制。
关键词：
步进电机；单片机；动态扫描；恒流斩波；
引言
历史证明,一个国家的制造业水平在很大程度上可以体现国家的实力,国家的发展也在很大程度上依赖于先进的制造业,所以大多数国家都非常重视大力发展制造业,二战后,计算机控制技术、微电子技术、信息和自动化技术有了迅速的发展,并在制造业中得到了愈来愈广泛的应用,先后出现了数控（NC）、计算机数控（CNC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、计算机集成制造系统（CIMS）等多项先进制造技术与制造模式,推动着世界制造业进入一个崭新的阶段。
而在这些技术环节中,具有很多优点的步进电机就是一个重要角色,比如在数控技术中。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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。
由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
这就是步进电机的优点。
正是由于步进电机具有突出的优点,所以成了机电一体化的关键产品之一。
优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中。
例如：
打印机、纸带输送机构、卡片阅读机、主动轮驱动机构和存储器存取机构等。
步进电机也在军用仪器、通信和雷达设备、摄影系统、光电组合装置、阀门控制、数控机床、电子钟、医疗设备及自动绘图仪、数字控制系统、工具机控制、程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。
因而，对于步进电机控制的研究也就显得重要了。
上世纪年代以后，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。
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，不仅调试安装复杂还要消耗大量元器件。
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。
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：
1.系统硬件结构简单,成本低。
2.功能较为齐全。
3.适应性强。
4.电机运行状态、速度指示一目了然、操作方便。
5.系统抗干扰和可靠性高。
本论文就是采用这个思路进行设计。
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LED显示电路和键盘电路有机的结合起来，既节约了单片机的端口，又能做到一定的人机交换。
而且为了抗干扰，提高可靠性，加入看门狗电路，在软件设计上加入去抖动，因此具有一定的应用价值。
第1章步进电机的概述
1.1步进电机的特点
步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称stepmotor或steppingmotor、pulsemotor、steppermotor等。
步进电机有以下特点：
1.可以用数字信号直接进行开环控制,整个系统简单廉价。
2.直接接收数字信号,不必进行数模转换,使用方便。
3.位移与输入脉冲信号数相对应,步距误差不长期积累,可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统,也可以要求更高精度时组成闭环控制系统。
4.无刷,电动机本体部件少,可靠性高。
5.易于起动、停止、正反转及变速,响应性也好。
6.停止时,可有自锁功能。
7.步距角选择范围大,可在几十角分至180度大范围内选择。
在小步距情况下,通常可以在低速下以高转矩运行,因而可以不经减速器直接驱动负载工作。
8.速度可以在相当宽范围内平滑调节。
同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步运行。
9.不能直接使用普通的交流电源驱动。
1.2步进电机的分类
步进电动机分为：
机械式、电磁式和组合式三大类。
电磁式步进电机可分为：
反应式、永磁式和混合式三大类。
按相数分则可分为：
单相、两相和多相三种。
目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。
1.反应式步进电机
这种类型的步进电机已经存在很长时间，这可能是最容易理解。
从结构上看，图1显示了一个典型的VR截面步进电机。
这种电机由一个软铁多齿转子和定子缺口。
当定子绕组通电，有直流电流的两极被磁化。
转子旋转时发生牙齿被吸引到通电定子磁极。
图1反应式步进电机的截面图图2反应式步进电机
图3混合步进电机的截面图4永磁式步进电机
2.永磁式步进电机
永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的,转子本身就是一个磁源。
转子的极数和定子的极数相同,所以一般步距角比较大。
它输出转矩大,动态性能好,消耗功率小相比反应式,但启动运行频率较低,还需要正负脉冲供电。
3.混合式步进电机
混合式与反应式相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。
因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。
最常用的两种类型的步进电机的永久磁铁和混合型。
如果设计师是不知道哪种类型最适合他的申请将要求他应该首先评估下午类型，它通常是更便宜的好几倍。
如果没有那么混合发动机可能是正确的选择。
也有一些特殊的步进电机的设计。
一个是光盘永磁电机。
在这里，转子设计为具有稀土磁铁盘，例如非常低的惯性和优化，两者之间没有定子绕组耦合磁流路的一些优势。
这些品质是至关重要的一些应用。
1.3反应式步进电机的工作原理
反应式步进电机结构如图2-1所示，它的定子具有均匀分布的六磁极，磁极上绕有绕组。
两个相对的磁极组成一组，联法如图2-1所示。
图2-1反应式步进电动机的结构示意图
下面介绍反应式步进电机三相六拍通电方式的基本原理。
设A相首先通电，转子齿与定子A、A’对齐（2-2a）。
然后在A相继续通电的情况下接通B相。
这时定子B、B'极对转子2、4产生齿拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A'极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个齿拉力平衡为止。
这时转子的位置如图2-3b所示，即转子从图2-2a位置顺时针转过了15°.接着A相断电,B相继续通电。
这时转子2、4齿和定子B、B'极对齐（图2-2c）,转子从图4b的位置又转过了15°。
其位置如（图2-2d）所示。
这样,如果按A→A、B→B→B、C→C→C、Ａ→Ａ……的顺序轮流通电,则转子便顺时针方向一步一步地转动,步距角15°。
电流换接六次,磁场旋转一周,转子前进了一个齿距角。
如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A……的顺序通电,则电机转子逆时针方向转动。
这种通电方式称为六拍方式。
（a）（b）
（c）（d）
a.A相通电b.A、B相通电c.B相通电d.B、C相通电
图2.2六拍通电时转子位置
第2章步进电机的控制系统及硬件设计
2.1常见步进电机控制系统
1.基于电子电路控制
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。
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.基于单片机控制
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。
显示器及时显示正转、反转、速度等状态。
基于以上优点,本次设计采用基于单片机的控制方案
2.2步进电机驱动技术的基本类型
目前为止，步进电机驱动技术通常分为：
单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。
1.单压驱动
单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。
该驱动方式结构简单、成本低。
缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗,尤其是在高频工作时更加严重,因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。
2.高低压驱动
高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少,在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率,而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流,即采用加大绕组电流的注入量以提高出力,而不是通过改善电路的时间常数来使矩频特性得以提高。
但是使用这种驱动方式的电机,其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形,致使电机的输出力矩有所下降。
3.细分驱动
细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除,而是只改变相应绕组中电流的一部分,电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。
细分驱动时,绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。
比如电流分成个台阶，转子则需要次才转过一个步距角,即细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩其次，减弱或消除了步进电机的低频振动,降低了步进电机在共振区工作的几率。
可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。
4.恒流斩波驱动
为了弥补高低压电路中电流波形的下凹,提高输出转矩,七十年代中期研制出斩波电路,该电路由于采用斩波技术,使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动,流过绕组的有效电流相应增加,故电机的输出转矩增大,而且不需外接电阻,整个系统的功耗下降,效率较高。
因而恒流斩波电路得到了广泛应用,本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。
2.3本系统的特点
通过对其它步进电机控制系统的分析,结合设计目的,本论文的控制系统基于单片机的控制方案应用了一片ATMEL公司的单片机AT89C2051作为步进电机控制器的核心运算器件。
本系统大致想达到以下几个特点：
1.系统硬件结构要简单,把成本降到最低。
2.功能较为齐全，能实现步进电机的正反转、变速以及控制显示功能。
3.适应性强,一般情况下只需改变软件就可以适应新的要求。
4.电机各种运行状态指示要一目了然,使操作方便。
5.系统抗干扰和可靠性要高。
6.步进电机的普通应用硬件上采用了专用的系统程序运行监控电路看门狗,软件上编写采用了冗余指令,进一步增强系统抗干扰能力。
2.4本系统功能
本设计想使此系统具有以下功能和要求：
1.运行时速度挡可调。
2.三位七段LED显示速度档位。
3.设有强制复位键,当受到严重干扰,致使也失效后,可以通过强制复位键进行手动强行复位。
4.步进控制脉冲输出频率范围广。
5.整个系统为+5V低电压供电。
第3章系统的硬件设计
硬件是整个系统的平台,各种功能的实现和软件的运行都是以硬件为基础的,硬件设计的合理与否从根本上决定了整个系统的质量。
所以设计充分发挥单片机的长处,实现尽可能多的功能,使系统的成本尽量的低,工作的更可靠,操作更具备人机交互性,并且要使整个系统能真正的在实践中起到作用。
3.1系统组成
本系统由电源、显示指示、单片机、按键电路、和光电隔离、A/D转换等组成系统组成框图如图3-1所示：
图3-1系统组成框图
3.2系统核心AT89C2051
3.2.1AT89C2051简介
AT89C2051单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C2051单片机可为您提供许多高价比的应用场合。
AT89C2051提供以下标准功能：
2KBFlash存储器；128字节RAM；15条I/O引线；2个16位定时器/计数器;1个5向量2级中断结构;1个全双工串行口;1个精密模拟比较器以及片内振荡和时钟电路。
此外，AT89C2051是用可降到0频率的静态逻辑操作设计的，并支持两种可选的软件节电工作方式。
空闲方式停止CPU工作，但允许RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其他部件的工作直到下一个硬件复位。
AT89C2051系列单片机主要功能如下：
（1）和MCS-51产品兼容。
（2）2KB可重编程Flash存储器。
（3）耐久性；1000次写/擦除。
（4）2.7V-6V的操作范围。
（5）全静态操作:
0Hz~24MHz。
（6）2级加密程序存储器。
（7）128*8位内部RAM。
（8）15条可编程I/O引线。
（9）2个16位定时器/计数器。
（10）可编程串行UART通道。
引脚功能：
P1口：
P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1.2-P1.7：
提供内部上拉电阻。
P1.0和P1.1：
还可分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（AINO）和反相输入（AINI）。
P1口输出缓存器可吸收20mA电流，并能直接驱动LED显示，当P1
输入“1”时，可作输入端。
当引脚P1.2-P1.7用作输入端并被外部拉低时，将因内部的上拉电阻而输出电流（IIL）。
P1口还在EPROM编程和程序验证时，接收低8位地址，能带动4个TTL负载。
P3口还用于实现AT89C2051的各种功能,如表3-2所示:
表3-2AT89C2051P3口引脚功能表
引脚
功能
P3.0
RXD（串行输入端口）
P3.1
TXD（串行输出端口）
P3.2
（外部中断0输入）
P3.3
（外部中断1输入）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器的写通信号）
P3.7
（外部数据存储器的读选通信号）
3.2.2系统端口分配
1.P1.0-P1.3输出到七段显示译码器CD4511，用于控制显示的数码。
2.P1.4-P1.5显示动态扫描位选线，键盘扫描输出线。
3.P1.7WTD（看门狗）定时器复位输出口。
4.P3.0方向指示LED控制口。
5.P3.1工作方式指示LED控制口。
6.P3.2、P3.3键盘扫描返回线。
7.P3.4、P3.5、P3.7步进电机控制脉冲输出口。
3.3外围电路设计
系统外围电路包括显示电路、独立式键盘电路、看门狗电路等。
3.3.1显示电路设计
采用多路分时动态扫描的七段显示驱动电路，驱动电路只使用一块译码集成电路MC14511。
MC14511只用作译码和驱动器,不使用锁存功能,所以锁存允许端LE接地。
MC14511每个输出端串一个100Ω的电阻限流,每个输出端输出的电流约为20mA。
显示位数为四位DIG0~DIG3,DIG0是最高位,DIG3是最低位.四位七段LED显示器的对应字段引线a~g都接到MC14511的输出端上,由P3.0控制。
七段LED显示器的4个公共端各接SN75492的一个反相驱动器,由P1.4~P1.7控制4个LED显示器轮流工作。
工作时显示的字形由P1.0~P1.3控制。
如图3-2所示：
图3-2采用译码器的动态LED驱动接口
SN75492是一片与TTL电路兼容的接口集成电路,输入端可直接与MOS电路连接。
一片SN75492有6个反相驱动器,每个反相驱动器实际上是一个带输入电阻的达林顿管,有很高的电流增益。
低电平输出驱动电流可达250mA,压降约1V。
输出高电平时与集电极开路的OC门一样,需要接上拉电阻。
所以小数位的字段引线上要接一个100Ω的电阻到+5V。
该端亮的时候,LED驱动电流由100Ω的电阻提供。
七段LED显示器公共端只需要控制通和断。
不需要高电平驱动,所以没接上拉电阻。
七段LED显示部分采用BCD一锁存/七段译码/驱动器CD4511进行译码和驱动,同时采用动态扫描显示技术,大大减少了硬件开支和简化了电路。
CD4511的管脚排列和显示数码如图3-3所示,应用真值表如表3-1所示：
表3-1七段码（字形表）
显示字符
D7D6D5D4D3D2D1D0
七段码
dpgfedcba
0
0
0
1
1
1
1
1
1
3FH
1
0
0
0
0
0
1
1
0
06H
2
0
1
0
1
1
0
1
1
5BH
3
0
1
0
0
1
1
1
1
4FH
4
0
1
1
0
0
1
1
0
66H
5
0
1
1
0
1
1
0
1
6DH
6
0
1
1
1
1
1
0
1
7DH
7
0
0
0
0
0
1
1
1
07H
8
0
1
1
1
1
1
1
1
7FH
9
0
1
1
0
1
1
1
1
6FH
3.3.2键盘电路设计
键盘是最简单的单片机输入设备,通过键盘输入数据或命令,实现人机对话。
按键电路如图3-3所示：
图3-3键盘电路
按键采用5个功能键，K1、K2、k3、k4，按键开关分别接在单片机P1.4、P1.5、P3.2、P3.3引脚上，P3.2、P3.3用来做返回线。
扫描原理：
假设扫描顺序为P1.4到P1.6，当p1.4置零后，单片机读取P3.2~p3.3的状态，如果全为1则没有键按下，如果p3.2为零，则起停键按下，进入相应的处理程序；如果p3.3为0，则表明方向键按下，进入相应的处理程序。
P1.4扫描完后，把P1.4置1，再扫描下一行键盘P1.5，读取返回线P3.2、p3.3的状态，判断是否有键按下，如此反复执行。
在处理按键程序前先要去抖动，防止因按键时产生的机械抖动而错误的重复执行相应的程序。
3.3.3看门狗复位电路
有些单片机本身带有看门狗电路，但是AT89C2051单片机没有集成看门狗，因而选用了MAXIM公司的MAX705作为外接看门狗电路。
看门狗,又叫watchdogtimer,是一个定时器电路,一般有一个输入,叫喂狗,一个输出到MCU的RST端,MCU正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端,给WDT清零,如果超过规定的时间不喂狗,（一般在程序跑飞时）,WDT定时超过,就回给出一个复位信号到MCU,使MCU复位.防止MCU死机。
看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。
基于AT89C2051单片机的看门狗电路如图3-4所示：
图3-4看门狗复位电路
本系统中电阻R4和按键SB7组成手动复位电路,二极管D1、D2和电阻R5组成一个简单的与门电路。
P1.7作为看门狗定时器复位输入端口，脚RES接单片机的复位端。
工作原理：
电源上电瞬间或者是掉电电压低于4.65V时,RES脚输出宽度200ms的高电平，使单片机复位。
AT89C2051复位需要两个机器周期以上的高电平,系统采用12M晶振,一个机器周期为12个振荡周期,则复位高电平应大于24us。
当按下手动复位按钮SB7时,二极管D1、D2和电阻R5组成的与门电路输出低电平到脚MR，复位单片机。
当在之1.6s内没有脉冲送入WDI端,则WDO输出低电平,与门电路输出低电平,RES输出200ms高电平,单片机复位。
如果在1.6s内,单片机有脉冲送到WDI端,则不会产生复位信号。
3.4步进电机的驱动电路
因为步进电机工作时的驱动电流比单片机端口所能提供的要大得多,所以，单片机要控制电机的运动就不能直接将端口与电机各相相连,必须使用一定的接口电路和驱动电路。
因此，本系统放入驱动电路采用了恒流斩波电路。
这种方案,可以弥补其它电路的不足如：
电流过大,电源利用率过低,高频响应差等缺点。
当然,考虑到实际使用中的干扰和电压安全,一般都要在单片机与驱动器之间使用必要的光电隔离器。
原理图如图3-5所示：
图3-5步进电机的驱动电路
由图3-5可知：
若P3.4口输出为1时，发光二极管不会发光，此时，光敏管处于截止状态，而达林顿管导通；所以C相通电。
反之，P3.4输出为0时，由电路分析可知C相不通电。
如按要求表3-2所示取控制数，顺序执行，就可以使步进电机正常工作。
表3-2三相六拍控制字
控制位
步序P3.4（C相）P3.5（B相）P3.7（A相）工作相控制字
1001A相01H
2011AB相03H
3010B相02H
4110BC相06H
5100C相04H
6101AC相05H
以上所示程序由上而下是正转时的控制数，由上而下时反转时的控制数
驱动电路中：
R1为光藕发射管的限流电阻。
所选光藕的为4N25,其发射管正向工作电流为100ma（1.5V）,因为光藕比较容易因电流过大而损坏,所以加了限流电阻。
R1=（5-1.5-0.5）/100=3Ω,因为单片机的最大灌电流为100ma,为了工作可靠,所以电阻取2Ω。
R4、R8、R12为绕组内阻，D3～D5为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管（D3～D4）而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。
3.4原器件清单
硬件电路原件清单如表3-3所示：
表3-3原件清单
序号
元器件名称
数量
型号
备注
1
单片机
1
AT89C2051
控制核心
2
译码器
1
MC14511B
显示电路
3
驱动芯片
5
SN75492
显示电路
4
按键
5
键盘、看门狗复位电路
5
整流二极管
3
IN4004
驱
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