基于单片机的步进电机控制系统.docx

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基于单片机的步进电机控制系统

毕业设计论文

《基于单片机的步进电机控制系统》

系别：

机电工程系

专业:

机电一体化技术

学号：

*************

姓名：

*****

指导老师：

李仁

目录

摘要3

引言4

第1章步进电机的基本认识5

1.1、步进电机的概念5

1.2、步进电机的组成及工作原理6

第2章进给步进电机控制系统11

2.1、单片机概述11

2.2、芯片的选择与简介11

2.2.1、单片机的选择11

2.2.2、AT89C51的简介11

第3章两坐标步进电机控制系统17

3.1、系统工作原理17

3.2、单片机硬件控制电路18

3.3、与CNC的接口18

3.4、功率放大器18

3.5、步进电机19

3.6、控制软件20

结论25

致谢26

参考文献27

摘要

设计目的：

通过对机床进给步进电动机的驱动与控制，了解机床数控系统中的运动要素和动力要素的关系。

达到综合运用所学知识和技能分析和解决一般机电设备工程技术问题的初步能力。

设计要求：

1.要求对特种立式钻床工架进行控制

2.步进电机输出扭矩4.9N.m；转速65~850r/min

3.纵向、横向最大移动距离为1500mm

4.主要进行定位加工

5.个人总结。

设计任务：

1.设计硬件电路，画出电路原理图；

2.设计软件，编制程序，画出程序流程图，写出源程序代码；

3.写出详细毕业设计说明书，要求字迹工整，原理叙述正确，会计算主要元器件的一些参数，并选择元器件。

4.个人总结。

引言

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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，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。

    虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

     目前 , 生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。

仅仅处于一种盲目的仿制阶段。

这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。

签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。

叙述其基本工作原理。

望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。

第1章步进电机的基本认识

1.1步进电机的概念

步进电动机（steppingmotor）是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊电机，每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机。

又由于它输入的是脉冲电流，所以也叫脉冲电动机。

步进电动机在不需要变换的情况下，能直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位移，因此它很适合作为数字控制系统的伺服元件。

此外，它还具有一系列的优点，一是输出角位移量或线位移量与其输入的脉冲数成正比，而转速或线速度与脉冲的频率成正比，在负载能力范围内，这些关系不受电压的大小负载的大小、环境条件等外界各种因素的干扰。

二是它每转一周都有固定的步数，所以步进电动机在不失步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。

三是控制性能好，它可以在开环系统中在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速，并且能够快速启动、制动和反转。

四是有些型式的步进电动机在停止供电的状态下还有定位转矩，有些型式在停机后某些相绕组仍保持通电状态，具有自锁能力，不需要机械制动装置等。

当采用速度和位置检测装置后，它可构成闭环控制系统。

计算机技术、电力电子技术和微电子技术的发展，给步进电动机的应用开辟了广阔的前景，应用非常广泛。

如数控机床、绘图机自动记录仪表、遥控装置和航空系统等等，都大量使用步进电动机。

步进电动机的主要缺点是效率较低，并且需要专用电源供给电脉冲信号，带负载惯量的能力不强，在运行中会出现共振和振荡问题。

步进电动机的种类很多，主要有反应式、永磁式和混合式。

近年来又发展有直线步进电动机和平面步进电动机等。

其中反应式步进电动机结构较简单应用比较普遍，而且其他类型步进电动机的基本原理与它基本相似，所以本章着重分析反应式步进电动机。

1.2步进电机的组成及工作原理

步进电机种类很多，按运动方式分为旋转运动式、直线运动式和平面运动式三种，按结构与工作原理分为反应式、混合式、励磁式和特种电动四中种，励磁式又可分为供电励磁式和永磁两种；按定子数目可分为单定子式和多定子式步进电动机；按相数可分为单相、两相、三相及多相步进电动机。

目前反应式步进电动机使用较多，具有一定的代表性，下面就对这种电动机做简要介绍。

图1-1三相反应式步进电动机的结构

1.2.1反应式步进电动机的结构

形式反应式步进电动机的结构形式很多按定转子铁芯的段数分为单段式和多段式两种

1单段式

单段式是定转子为一段铁芯。

由于各相绕组沿圆周方向均匀排列，所以又称为径向分相式。

它是步进电动机中使用最多的一种结构形式。

如图1-1为三相反应式步进电动机的径向截面图。

定转子铁芯由硅钢片叠压而成，定子磁极为凸极式，磁极的极面上开有小齿。

定子

上有三套控制绕组，每一套有两个串联的集中控制绕组分别绕在径向相对的两个磁极上。

每套绕组叫一相，三相绕组接成星形，所以定子磁极数通常为相数的两倍，即2p=2m（p为极对数m为相数）。

转子上没有绕组，沿圆周也有均匀的小齿，其齿距和定子磁极上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制。

这种结构形式的优点是制造简便，精度易于保证，步距角可以做得较小，容易得到较高的启动和运行频率。

其缺点是在电机的直径较小而相数又较多时，沿径向分相较为困难，消耗功率大，断电时无定位转矩。

2多段式

多段式是定转子铁芯沿电机轴向按相数分成m段，由于各相绕组沿着轴向分布，所以又称为轴向分相式，按其磁路的结构特点有两种，一种是主磁路仍为径向，另一种是主磁路包含有轴向部。

分多段式径向磁路步进电动机的结构如图1-2所示，每一段的结构和单段式径向分相结构相似。

通常每一相绕组在一段定子铁芯的各个磁极上。

定子的磁极数从结构合理考虑决定，最多可以和转子齿数相等。

定转子铁芯的圆周上都有齿形相近和齿距相同的均匀小齿，转子齿数通常为定子极数的倍数。

定子铁芯或转子铁芯每相邻两段沿圆周错开1/m齿距。

此外，也可以在一段铁芯上放置两相或三相绕组，定子铁芯（或转子铁芯）每相邻两段要错开相应的齿距。

这样，可增加电机制造的灵活性。

图1-2多段式径向磁路反应式步进电动机

1-线圈2-定子3-转子

多段式轴向磁路步进电动机的结构如图1-3，所示每段定子铁芯为П字形，在其中间放置环形控制绕组。

定转子铁芯上均有齿形相近和齿数相等的小齿。

定子铁芯（或转子铁芯）每相邻两段沿圆周错开1/m齿距。

多段式结构的共同特点是铁芯分段和错位装配工艺比较复杂，精度不易保证，特别对步距角较小的电机更是困难。

但步距角可以做的很小，启动和运行频率较高。

对轴向磁路的结构，定子空间利用率高，环形控制绕组绕制方便，转子的惯量较低。

图1-3多段式轴向磁路反应式步进电动机

1-线圈2-定子3-磁轭4-转子5-引出线

1.2.2反应式步进电动机的工作原理

反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的，所以也称为磁阻式步进电动机。

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（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

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。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

1.2.3步进电机的基本参数

电机固有步距角：

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A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°），这个步距角可以称之为‘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，真正的步距角和驱动器有关。

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°。

在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。

如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

保持转矩（HOLDINGTORQUE）：

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

它是步进电机最重要的参数之一，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，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。

比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

DETENTTORQUE：

是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。

DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。

第2章进给步进电机控制系统

2.1单片机概述

单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。

单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：

中央处理器、存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。

2.2芯片的选择与简介

2.2.1单片机的选择

单片机采用Atmel公司的AT89C51芯片，片内含4KB的E2PROM，P1口用做输入，与工作方式开关和点动按钮相连，P3口接收外部进给脉冲和方向信号，其中脉冲信号分别加到P3.2和P3.3，在脉冲下降沿引起外部中断；P2口输出节拍脉冲，分别控制两个步进电机绕组的通电顺序。

系统采用12MHz晶振，SB1为单片机复位按钮。

2.2.2AT89C51的简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

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