学位论文基于单片机的步进电机控制系统设计论文.docx

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学位论文基于单片机的步进电机控制系统设计论文

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3）其它

基于单片机的步进电机控制系统设计

摘要

步进电机是机电设备中广泛使用的一种电机，经过长期的发展，步进电机的应用已渗透到数字控制的各个领域，尤其在数控机械中广泛利用了其开环控制的特点。

近年来，随着微电子技术、大功率电力电子技术及驱动技术的进步，步进电机在工业机械等领域作为控制用电机和驱动用电机被广泛使用。

传统上由纯电路设计的步进电机的控制和驱动电路一般较复杂，成本又高，而且一旦成型就难于修改,可移植性差，难以适应一些智能化要求较高的场合。

本文介绍一种利用AT89S52单片机作为控制器，L298N作为电机驱动芯片来实现对步进电机的简易控制。

该控制系统具有电路简单可靠，通用性强，成本低廉，灵活方便等特点。

关键词：

单片机；步进电机；L298N

BasedonSCMsteppermotorcontrol

Abstract

Steppermotoriswidelyusedinelectricalandmechanicalequipment,throughalongperiodofdevelopment,theapplicationofsteppermotorhaspenetratedintoallfieldsofdigitalcontrol,especiallymakingusefulofCNCmachineryintheopen-loopcontrolcharacteristics.Inrecentyears,withtheimproventofmicro-electronictechnology,high-powerpowerelectronicsanddrivingchnology,steppermotorasacontrollinganddrivingelectricmotoriswidelyusedinthefieldsofindustrialmachinery.Traditionallythatitisprovidedbythepurecircuitdesignsteppermotorcontrolanddrivecircuitismorecomplexandmoreexpensive.Oncethemoldingonthedifficultandrevisedpoorportability,itisdifficulttoadapttoanumberofoccasionaldemandingintelligent.Thispaperpresentsasingle-chipmicrocomputerwiththecontrollerAT89S52andL298Nasamotordriverchiptoachieveasimplesteppermotorcontrolling.Thecontrolsystemissimple,reliable,highuniversality,low-cost,flexibleandconvenient.

Keywords:

SCM;Steppingmotor;L298N

第一章引言

1.1步进电机概述

步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为Steppermotor、Steppingmotor或Stepper等。

它是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的控制电机。

它可以看作是一种特殊运行方式的同步电动机，由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步进电机就移动一步。

这种电动机的运动形式与普通迅速旋转的电动机有一定的差别，它是步进式运动的，所以称为步进电动机。

又因其绕组上所加的电源式脉冲电压，有时也称它为脉冲电动机。

步进电机受脉冲信号控制，它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速起动、制动和反转。

所以，电机步距角和转速大小都不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响。

它每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。

这些特点使它广泛使用于数字控制的开环系统中，并使整个系统大为简化而又运行可靠。

步进电机有多种不同的结构，主要类型可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。

近20多年来，步进电机驱动技术和电机结构都得到了很大的发展，逐渐形成以混合式及反应式为主的产品格局。

混合式步进电动机是在同步电动机或者说是在永磁感应子式同步电动机的基础上发展起来的，其综合了该两类步进电机的特点，因而性能更好。

国外步进电机研究较早，步进电机驱动技术的研究成果也很多，如今正在研究开发以步进电动机为执行机构的高性能伺服系统。

我国步进电机的研究及制造始于上世纪50年代后期，对步进电机精确模型也做了大量研究工作，如今，各种步进电机及其驱动器作为产品被广泛利用。

1.2步进电机的特点与应用

1.2.1步进电机的特点

步进电机具有自身的特点，归纳起来有：

1）高精度的定位：

步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制；

2）位置及速度控制：

步进电机在停止状态下（无电脉冲信号输入时），仍具有激磁保持力，故即使不依靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持；

3）动作灵敏：

步进电机因为加速性能优越，所以在做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作；

4）开回路控制：

步进电机的控制系统结构简单，不需要速度感应器及位置传感器，按输入的脉冲来对转子的速度及位置进行控制；

5）中低速时具备高转矩：

步进电机在中低速是具有较大的转矩，能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出；

6）小型、高功率：

步进电机体积小、扭力大、尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装并提供高转矩输出；

步进电动机的主要缺点是效率较低，并且需要配上适当的驱动电源；带负载惯量的能力不强；此外在应用中，步进电机运转也可能出现低频振荡，而使用细分驱动技术可以有效克服低频共振的危害。

1.2.2步进电机的应用

通常选择步进电机我们希望步进电机的输出转矩大、启动频率和运行频率高、步距误差小等等。

首先应考虑的是系统的精度和速度的要求。

为了提高精度，希望脉冲当量（每输入一个脉冲使被控制对象产生的位移）小。

但脉冲当量太小，要求的减速比大，而最高速度将受到步进电机的最高运行频率限制。

故应兼顾精度与速度。

经过长期的发展，步进电机的应用已渗透到数字控制的各个领域，尤其在数控机械中广泛利用了其开环控制的特点。

近年来，随着微电子技术、大功率电力电子技术及驱动技术的进步，步进电机在办公自动化机器、工业机械和计算机外设等领域作为控制用电机和驱动用电机被广泛使用。

1.3研究背景

数控机床最早生产于美国，是军备竞赛的产物，为解决航天与航空方面的大型和复杂零件的单件、小批量生产而发展起来的。

1952年美国试制了世界上第一台三坐标数控立体铣床。

此后数控系统经历了二个阶段和六代产品的发展。

这主要是指电子管数控系统、晶体管数控系统、集成电路数控系统、小型计算机数控系统、微处理器数控系统和基于工业PC的通用CNC系统。

前三代为第一阶段，数控系统主要是由硬件连接构成，称为硬件数控；后三代称为计算机数控，其主要功能有软件完成，又称味软件数控。

我国1958年研制出第一台数控机床，同样经历了留待发展史。

近20年来，随着微电子技术及相关技术的发展，特别是微处理器技术的应用，使数控机床的性能价格比有了极大的提高，实际应用普及率越来越高，使得数控机床已成为现代机械制造技术的基础。

战后全球社会经济发展的历史经验证明，一个国家的实力及其繁荣，主要取决于其制造业所能提供的产品与劳务的竞争力。

我国与工业化国家的技术差距主要是制造技术方面的差距。

制造是人类最古老的生产活动之一，18世纪中叶的工业革命促进了现代工业化生产的出现，19世纪电气技术的发展和20世纪初内燃机的发明，引发了制造业的革命，流水线生产和泰勒式工作制得到广泛的应用，二战期间，大批大量的制造技术有了很大的发展。

二战后50年来，计算机、微电子、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。

制造业正经历着一场新的技术革命。

而作为机械制造技术中主要发展方向的精密加工技术是集测量学、微电子学、近代光学、控制论信息论等先进技术与机械制造技术相融合的一门交叉学科，是现代许多尖端技术和国防技术赖以存在和发展的基础，代表了一个国家科技发展的水平。

因而许多国家竞相发展精密加工及超精密加工技术，可以说，精密机械制造技术的水平在很大程度上将成为衡量一个国家科技水平的标志。

现代机械制造技术是一个多技术紧密耦合的技术族，其中数控技术是实现其最终目标的基础，它的发展和运用开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。

目前世界各国都在大力发展数控技术，而且国外的数控加工系统在精度和自动化的程度上都达到了很高的水平。

经历了几个五年计划的努力，我国的数控系统已经取得了很大的发展，六五期间的技术引进，七五期间的消化吸收，到八五末，我国已经自行研制开发了适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。

但是，由于我国许多因素的影响，我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，利用率也不高。

经济型数控在我国占有比较重要的地位，并起了很大的作用，它以单板机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，只需一万元左右就可以装备一台经济型数控机床，很适合我国中小型企业使用。

统计表明：

八五期间，国内采用交、直流伺服驱动系统的第一章绪论数控机床仅占数控机床总数的15%左右，其余80%以上的数控机床则是采用步进电机作为执行元件。

采用步进电机作为伺服执行元件，不仅可以应用于经济型数控伺服系统，而且也可以辅以先进的检测和反馈元件，组成高精度全闭环数控系列，从而达到很高的加工精度。

在经济型数控系统中，有南京微分电机厂、南京大方股份有限公司生产的JWK系列、常州宝马集团公司生产的BK系统、上海开通机电科技公司开发的KT-400-7等，这些企业除了进一步提高系统

的可靠性外，还在步进电动机的驱动电源控制技术、半闭环或闭环控制技术、各种专用的机械控制系统等方面进行研究开发，具有较好的市场前景。

步进电机今后的发展，依赖于新材料的应用，设计手段的，以及与驱动技术的最佳匹配。

首先，精确的分析和设计，模型的建立和完善，是一项重要的基础研究，至今还有许多工作要做，它可以为各类问题的深入分析提供基础，为优化设计指出方向。

其次，随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用，尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机下一阶段的发展趋势。

最后，电力电子技术、微电子技术的发展，高性能永磁材料的应用及优化设计技术对步进电机的发展起到重要作用，同时驱动技术改进的作用也不容忽视，特别是微步驱动技术的应用和成熟，对步进电机的设计和发展产生了很多的影响，也提出了一系列研究的新课题和新方向。

1.4本课题研究的主要内容

图1.1系统组成框图

本设计系统组成框图如图1.1所示。

主要采用AT89S52单片机做为控制核心,并由AT89S52单片机产生相应的脉冲信号，通过I/O端口输出，送到驱动芯片L298N对脉冲信号进行处理，驱动步进电机转动。

系统设有键盘和显示电路，键盘可完成启动、停止、正转、反转、调速功能，点击的启动与停止、正反装可以通过LED显示。

此设计主要由3个模块组成：

键盘、LED人机对话模块;单片机模块；单片机驱动步进电机模块。

可实现如下功能：

（1）通过键盘可设定步进电机转速；

（2）通过“启动/暂停”键设定电机启停；（3）通过“正向”和“反向”按键改变电机的转向。

整个系统简单、可靠、显示稳定、易于编程。

第二章步进电机工作原理

2.1步进电机分类

步进电机的品种规格很多，按结构特点可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。

步进电机主要结构类型如表1所列，图2.1为它们的结构示意图：

旋转电机

反应式步进电动机

永磁式步进电动机

混合式步进电动机

直线电机

VR型

PM型

HB型

表1步进电机结构类型

图2.1三种类型步进电机的结构示意图

反应式步进电动机在结构上来说，定子上由多相绕组，定子磁极和转子上开有小齿。

其主要特点是结构简单，坚固耐用；齿距角可以做得很小，起动和运行频率较高；断电时无定位力矩，需用带电定位，消耗功率大，效率较低。

永磁式步进电动机转子为永磁体，要想减小步距角，可增加转子的磁极数及定子的齿数。

但转子要制成N-S相间的多

对磁极较为困难，而且定子的极数也必须增加，线圈数也相应增加，这将受到定子空间的限制。

所以，永磁式步进电动机步距角都比较大。

同时，其起动和运行频率较低，断电时有定位力矩，消耗功率小。

混合式步进电动机转子采用永磁体，是一种永磁式步进电动机，而同时定转子的铁芯均为齿状结构，具有小的步距角，故又同反应式步进电动机结构相似，所以混合式步进电动机可以看作是VR和PM两种步进电动机的组合。

从转矩作用原理来看，混合式步进电动机可看作是定子磁势与转子永磁体相互作用的结果。

因而，混合式步进电机具有反应式步进电机和永磁式步进电机的双重优点。

同反应式步进电动机相比，相同的电动机体积，混合式步进电动机具有输出转矩大、步距角小、分辨率高等优点，因而其应用领域也越来越广泛，形成了二相和五相混合式步进电动机两个主要系列产品的工业生产格局。

五相混合式步进电动机结构复杂，成本高，但其分辨率高，运行性能好，主要应用在对性能指标要求较高的场合。

二相混合式步进电动机结构简单，成本低，但电机本身的分辨率不是很高。

但是，随着驱动极数的发展和在步进电动机系统中的应用，使得步进电动机系统的分辨率可以在不增加相数的情况下得以提高。

这为二相混合式步进电动机系统运行性能的提高提供了广阔的前景。

2.2步进电机工作原理

2.2.1反应式步进电机

反应式步进电机的典型结构如图2.1所示。

反应式步进电机的工作原理：

利用凹极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。

下面以一个简单的三相反应式步进电机为例。

图2.2所示为一台三相反应式步进电动机的工作原理因。

它的定子上有六个极，每极上都装有控制绕组，每个相对两极组成一相。

转子只有四个齿，上面没有绕组。

输入A相控制绕组通电时，因磁通要沿着磁阻最小的路径闭合，将使转子齿1、3和定子极A、A′对齐，图2.2（a）所示。

A相断电、B相控制绕组通电时，转子将在空间转过30°。

即步距角θt=30°。

使转子齿2、4与定子极B、B′对齐，如图2.2（b）所示。

如再使B相断电。

C相控制绕组通电，转子又在空间转过θt=30°，使转子齿1、3和定子极C、C′对齐，如图2.2（c）所示。

如此循环往复，并按顺序通电，电动机便按一定的方向转动。

电动机的转速取决于控制绕组与电源接通或断开的变化频率。

控制绕组与电源的接通或断开，通常是由电源逻辑线路来控制的。

图2.2三相反应式步进电机

2.2.2永磁式步进电机

永磁式步进电机是转子上安装了永久磁钢的步进电机，它的工作原理是转子上的永磁体建立的磁场，与定子绕组电流建立的磁场相互作用而产生电磁转矩。

2.2.3混合式步进电机

混合式步进电机既有反应式步进电机的高分辨率，每转步数比较多的特点；又有永磁式步进电机的高效率，绕组电感比较小的特点。

从结构上看，它通常有多相绕组，它的定转子上开有很多齿槽，类似反应式步进电机。

转子上有永久磁铁产生单向的轴向磁场，这与永磁式步进电机相似。

如图2.3所示，每相绕组绕在8个定子磁极中的4个极上，如：

绕组A绕在1、3、5、7磁极上，则绕组B绕在2、4、6、8磁极上；而且每个相邻的磁极以相反方向绕，这样就使得相邻两个磁极的磁场径向相反。

在绕组通电以后，定子和转子上分别形成对应的S极或N极，通过磁场产生的作用力驱使转子转动，实现电机运行。

图2.3混合式电机垂直轴剖面图

混合式步进电机以相数可分为：

二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。

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、噪音低、低频振动小。

混合式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。

一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。

（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。

例如：

四相八拍运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=/A,D=/B。

一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。

2.3步进电机的参数

步进电机的基本参数有：

（1）步进电机的相数；是指电机内部的线圈组数，常用的有二相、三相、四相、五相步进电机；

（2）保持转矩：

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

通常步进电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，输出功率也速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机的最重要的参数之一；

（3）最大静转矩：

步进电机在规定的通电相序下，距角特性上的转矩最大值。

绕组电流越大，最大静转矩也就越大。

按最大静转矩的值可以把步进电机分为伺服步进电机和功率步进电机；

（4）步距角：

每输入一个电脉冲信号时电机转子转过的角度；

（5）起动频率和起动矩频特性：

指步进电机能够不失步起动的最高脉冲频率。

在一定的负载惯性下，启动频率随负载转矩变化的特性称为起动矩频特性；

（6）运行频率和运行矩频特性：

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。

在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性。

2.4步进电机步距角和旋转角度的计算

由于选择的是二相步进电机，它的工作方式是二相四拍，所以根据公式可以计算出电机的步距角

=

。

步距角的计算公式为：

（2.1）

式中，N=MCC为运行拍数，N=4，

为转子齿数，

=50。

由于输入一个CP脉冲会使步进电机绕组的状态变化一次，并相应地旋转一个角度，因此步进电机旋转的角度可由输入的CP脉冲数确定。

其计算公式为：

（2.2）

式中，θ为旋转角度，θs为步距角，n为脉冲个数。

例如，让步进电机运行100s，在延时1的状态下，也就单片机每隔4s发一个脉冲，那么单片机会发出25个脉冲，从而步进电机旋转

；同样，在延时2的状态下，也就单片机每隔1s发一个脉冲，那么单片机会发出100个脉冲，从而步进电机旋转

。

2.5步进电机的速度控制

2.5.1控制步进电机速度的方法

在此，介绍控制步进电机的三种方法。

在本设计中，考虑到编程时的难易程度，最后选择了第二种方法来实现步进电机的速度控制。

1、改变控制方式的变速控制

最简单的变速控制可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，用三相六拍，大约0.1s以后，改用三相三拍的分配方式；在快达到终点时，再度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

步进电机的加速（或减速）控制，可以用均匀地改变脉冲时间间隔来实现。

例如，在加速控制中，可以均匀地减少时间间隔；在减速控制时，则可均匀地增加演示时间间隔。

具体的说，就是均匀地减少（或增加）延时一程序中的延时时间常数。

由此可见，所谓步进电机控制程序，实际是那个就是按一定时间间隔输入不同的控制字。

所以，改变传送控制字的时间间隔（亦即改变延时时间），即可以改变步进电机的控制频率。

这种方法的优点是，由于延时的长短不受限制，因此，使步进电机的工作频率变化范围较宽。

另外，这种方法咋编程上也容易实现。

3、采用定时器的变速控制

在单片机控制系统中，也可以使用单片机内部的定时器来提供延时时间。

其