单片机控制步进电机.docx

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单片机控制步进电机

单片机控制步进电机

黄河科技学院毕业设计（论文）第1页

绪论

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，就传统的步进电机来说，步进电动机可简单的定义为，根据输入的脉冲信号每改变一次励磁状态就前进一定角度，若不改变则保持一定的位置而静止的电动机。

从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲同步的同步电动机。

由于用可编程控制器（PLC）对步进电机进行控制价格比较贵，而单片机由于其运算速度和精度已得到广泛的应用，尤其在工业过程控制及仪表中，单片机对于步进电机的精确控制具有特别重要的意义。

它具有体积小、是实现机电一体化的理想控制装置等显著优点，因此本文利用单片机来控制步进电机，介绍了控制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路。

目前它在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说:

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（步进角）。

通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时通过控制单片机的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。

步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。

单片机控制步进电机的系统构成简单，不需要速度感应器及位置传感器，就能以输入的脉波做速度及位置的控制。

也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。

同时步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。

使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。

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。

步进电机具有优越的控制特性,而单片机控制步进电机的系统也将会得到广泛的应用。

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第1章步进电机概述

1.1步进电机简述

步进电机（也称脉冲电机）是一种跟踪脉冲信号来控制转角和转速、并适合

微控制器控制的电机。

下面我们还是主要介绍它的转动控制。

步进电机又称脉冲电机,是数字控制系统中的一种执行元件,其功能是将脉

冲电信号变换成相应的角位移或者线位移.通俗来说,即给一个脉冲电信号,电机

就转动一个角度或前进一步。

1.1.1步进电机结构以及工作原理

步进电机按照其结构以及工作原理分为反应式步进电机,混合式步进电机,

永磁式步进电机和特种步进电机。

1.1.1.1步进电机结构

电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分

τ、2/3τ,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以τ别与转子齿轴线错开。

1/3

表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3τ，C与齿3向右错开2/3τ，

A'与齿5相对齐（A'就是A，齿5就是齿1）,下图1-1是定转子的展开图:

图1-1定转子的展开图

1.1.1.2步进电机工作原理

C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受如A相通电，B，

任何力以下均同）。

如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子

向右移过1/3τ，此时齿3与C偏移为1/3τ，齿4与A偏移τ-1/3τ=2/3τ。

如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3τ，此

时齿4与A偏移为1/3τ对齐。

如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，

转子又向右移过1/3τ.这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一

齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A„„通

电，电机就每步（每脉冲）1/3τ,向右旋转。

如按A，C，B，A„„通电，电机

就反转。

由此可见:

电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应

关系。

而方向由导电顺序决定。

不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方

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面考虑。

往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3τ改

变为1/6τ。

甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3τ变为1/12τ，1/24τ，

这就是电机细分驱动的基本理论依据。

反应式步进电机可以按照特定的指令旋转某一角度进行角度控制,也可以连

续不断的转动进行控制.角度控制时,每输入一个脉冲,定子绕组就换接一次,输

出轴就转过一个角度,其步数与脉冲数一致,输出轴转过的角位移量输入脉冲数

成正比。

速度控制时,步进电机绕组中送入的是连续脉冲,各相脉冲不断的通断,

步进电机连续运转,它的转速与脉冲频率成正比.由齿矩角的计算公式360?

/ZN;

（N为运行拍数）每输入一个脉冲,转子转过的角度整个圆周角的也就是转过

1/ZN转。

因此每分钟转子所转过的圆周数。

即转速为:

n=60f/ZN（转/分）f为

控制脉冲的频率,即每秒输入的脉冲数。

由上式可知,反应式步进电机的转速取决于脉冲的频率,转子齿数和拍数.

当转子齿数一定时,转子转速与输入脉冲的频率成正比,或者说,其转速与输入

脉冲的频率同步,改变脉冲的频率可以改变转速,故可以进行无级调速,调速范围

广。

另外,改变通电顺序,即改变定子磁场旋转方向,就可以控制电机正转或者反

转。

步进电机的转速可用齿矩角来表示。

当脉冲频率一定时,步矩角越小,电机转速就越低,因而输出功率也就越小,

所以从提高加工精度上要求应该选用小的步矩角,但是从提高输出功率上要求时,

一般步矩角根据系统中的应用情况进行选取.步进电机控步矩角不能取的太小

制示意图如图1-2所示

图1--2控制步进电机示意框图

1.2步进电机的指标

1.2.1步进电机的术语

1（相数

产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。

常用m表示。

2（拍数

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一

个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方AB-BC-CD-DA-AB，

四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3.步距角

对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。

θ=360度（转子齿

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数J为运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。

四拍运行时步距

角为1.8?

（俗称整步），八拍运行时步距角为0.9?

（俗称半步）。

4.定位转矩

电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机

械误差造成的）。

5.静转矩

电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

此

力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减

小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械

噪音。

三相反应式步进电机,定子有六个极,不带小齿,几种工作方式的相序如下:

三相单三拍A---B---C---A三相六拍A---AB---B---BC---C---CA---A三相双三拍AB---BC---CA---AB三相是指步进电机具有三相定子绕组;“三拍”是指三次换接为一个循环,第四次换接为第一次的情况。

1.2.2步进电机的动态指标

1、步距角精度

步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。

用百分比表示:

误差

/步距角*100%。

不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时

应在15%以内。

2、失步

电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

称之为失步。

3、失调角

转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生

的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4、最大空载起动频率

电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接

起动的最大频率。

5、最大空载的运行频率

电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

6、运行矩频特性

电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩

频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

如下图

1-3所示:

图1-3力矩与频率关系的曲线

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其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。

电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取

决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越

大，即电机的频率特性越硬。

如图1-4所示:

图1-4电机力矩频率和负载的关系

其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负

载的交点为负载的最大速度点。

要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用

小电感大电流的电机。

步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。

步进电机转速越高，力

距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。

电压对力矩影响如图1-5

所示:

图1-5电压对力矩影响7.电机的共振点

步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在

180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机

驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，

反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均

应偏移共振区较多。

8.细分驱动器

细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的

夹角来控制步进电机运转的。

1.3步进电机驱动控制模块

步进电机驱动控制系统的硬件电路由脉冲发生单元,脉冲分配器,微机控制

单元和功率放大器几个部分组成.示意框图如1-6所示:

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图1-6步进电机驱动控制框图

1.脉冲信号的产生:

脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占

空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

2.信号分配:

脉冲分配器的作用就是在步进脉冲的激励下产生步进脉冲.利用移

位寄存器可以实现脉冲分配.如图1-7利用4位移位寄存器74LS194可以构成脉

冲分配器.

图1-774LS194管脚图

感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八

拍二种，具体分配如下:

二相四拍为,步距角为1.8度;二相八拍为,步距角为

0.9度。

四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8

度;四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,（步距角为0.9度）。

3.功率放大:

功率放大是驱动系统最为重要的部分。

步进电机在一定转速下的

转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。

平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机

的反电势。

因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般

有以下几种:

恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。

为尽量提高

电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。

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第2章步进电机的控制方案

2.1步进电机的控制类型简介

采用单片机微机对步进电机进行控制，方法有开环控制和闭环控制两种。

2.1.1开环控制

开环控制包括串行控制和并行控制

串行控制中，单片机与步进电机功率驱动接口之间只需两条控制线，一条是

用来发送走步脉冲（CP），另一条是用来发送指定旋转方向的电平信号，如图3.9

所示。

串行控制的功率接口电路内部含有一个环行分配器电路。

环行分配器电路

的作用是将CP脉冲转换成多相循环变化的脉冲。

图2-1是使用CH250工作三相六拍状态的接线图。

通过设置引脚（1，2和

14，15）的电平，可使CH250按双三拍、单三拍、单双六拍以及相应的正反共六

种状态工作。

图2-1CH250三相六拍脉冲

2是L298步进电机控制器的原理图。

其中包括:

图2-

（1）译码器（即是环行分配器）它将时钟脉冲、正/反转信号、半/整步信号

综合后，产生所要求的各相通断信号。

（2）由比较器、触发器和振荡器组成。

用于检测电流采样值和参考值，并进

行比较。

由比较器输出信号来开通触发器，再由振荡器决定频率并实现斩波。

（3）输出逻辑输出逻辑综合了分配信号与斩波信号，产生ABCD四相信号。

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图2-2L298内部电路原理图

在实际应用中，利用EPROM和可逆计数器组合，可以构成通用型分配器，如

3所示。

这种环形分配器的工作原理是:

设置计数器的计数长度等于电机运图2-

行的拍数（或拍数的整数倍）。

计数器的输出端接到EPROM地址线上，并使用EPROM总处于读出状态。

这样，计数器每一个输出状态都对应EPROM的一个地址，EPROM地址单元中的内容就可以确定其数据输出端的某一种状态。

只要根据要求设定计数长度和固化EPROM中的内容，就能完成所要求的环形分配器的输入输出逻辑关系。

改变EPROM的页地址，可以设定不同的逻辑关系，从而实现诸如:

正转、反转、二相、三相、四相各种拍数的控制逻辑的通用环形分配器功能。

图2-3通用环形分配器

在并行控制中，单片机用数条输出线直接去控制步进电机各相绕组的驱动线路。

很显然，电机功率接口中不包含环形分配器，环形分配器的功能必须由单片机来完成。

而单片机实现脉冲分配的功能又有两种方法，一种是纯软件方法，即是全部用软件来实现相序配，直接输出各相导通或截止的信号。

另一种方法是软件与硬件结合的方法，

2.1.2步进电机的闭环控制

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采用单片机微机对步进电机进行开环控制，方法有串行控制和并行控制两种。

闭环控制有反馈环节，通过反馈系统是系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统.开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高,使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统.开环控制是控制装置与被控对象之间只有按顺序工作，没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正或补偿的能力。

所以闭环控制有更好的优越性能，所能达到的精度、速度和动态特性优于开环控制，即可对信号的误差进行调整，但是闭环控制系统也是有误差的，原因有很多，检测元件，监测方法等都能对输出造成影响。

2.2步进电机的加减速定位控制

所谓点位控制，就是控制电动机拖动负载从一个位置到另一个位置。

对步进电机而言，就是控制电动机从一个锁定位置运行若干步到达另一个位置进入锁定状态。

着里要求电动机实际的步数一定要与设定相符，不允许有误差。

用微机实现对步进电机的点位控制一般需要在系统内设置两个坐标系，一个是绝对坐标系，一个是增量坐标系。

所谓绝对坐标系，实际上是整个系统设点的坐标系，即是电动机转角代表的系统的位置系统的位置坐标，电动机运行过程中，系统的绝对坐标值，即是电动机的转角代表的系统的位置坐标，电动机运行的过程中，绝对坐标值一直跟踪系统位置的变化。

姿态还需对坐标值经常进行检测，坐标值为负号。

系统在运动之前，增量坐标值最大，在开始运行后，增量坐标值一旦发现越限故障，即发出报警信号。

坐标值为正号;如向负方向运动，则增量递减，当减至增量坐标值为零时，说明系统已经走完需要的步数，停止运行。

增量坐标值的符号，实际上就是电动机运行的方向标志。

电动机运行的每一步都需要对绝对坐标值和增量坐标值进行计算。

这些技术程序都安排在中断服务子程序中。

步进电机的最高的启动频率一般比最高的运行频率低许多，所以直接按最高的运行频率启动将产生丢步或根本不运行的情况。

而对于正在快速运行的步进电机，若在到达终点附近，立即停发脉冲，令其立即锁定，也是难以实现的，由于旋转系统的惯性，会发生冲过终点的现象。

因此，在点位控制过程中，运行速度要有一个加速恒速减速低恒速锁定的过程，如图2-4所示，图中，纵坐标是频率，其实质是转速，它的单位是步/S;横坐标是步数，其实质是距离。

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图2-4点位控制的加、减过程

当然短距离点位控制，加减速过程没有意义;对于中等的运行距离，电动机

可能只需加速和减速而没有恒速过程。

对于最佳的点位控制，应该是尽可能增加

恒速度运行时间，缩短加速、减速过程的时间。

为此升速的起始速度应取等于或

小于系统的极限起动频率，而不是从零开始。

减速过程结束时的速度一般应等于

或略小于低于起动速度，再经数步低速运行后停止。

升速规律有两种选择，一是按指数规律，它更接近步进电机输出转矩随转速

变化的规律;另一种是按直线规律升速，它更显简练。

用微机对步进电机进行加

减速控制，实际是控制每次换向的时间间隔。

升速时，使脉冲串逐渐加密，减速时则反之。

当微机利用定时器中断方式来

控制电动机变速，实际上就是不断的改变定时器的装载值的大小。

为了减少每步

计算装载值的时间，可以用阶梯近理想升降曲线。

这样，每次装载，软件系统可

以通过查表方法，查出所需要的装载值。

从而大幅度减少占用CPU的时间，提高

系统的响应速度。

fminfmax例如，系统要求的最低转速为=100pps，最高转速为=10000pps，将整

fs个速度范围为100档，用速度字s表示速度的档次，各档速度=（1+s）100pps。

f0f1f99s=0时,=100pps，s=1时,=200pps,s=99时，=10000pps，阶梯升速如图

2-5所示。

利用上面介绍的计算方法，将各档定时器装载值固化在程序存储器中，

例如从8F00H开始存放，每档速度的装载值占两个字节，先存低位字节再存高位

字节。

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2—5阶梯升速图

系统在执行升降速的位置过程中，对加减速过程的控制还需要准备下列数据:

（1）加减速的斜率。

在直线加速过程中，速度不是连续的变化，而是按上述分

档阶段变化，为与要求的生速斜率相逼近，必须确定每个速度台阶上运行的时间，

见图。

时间越小，升速越快，反之渐慢。

的大小可由理论分析或实验确定，以升

NS,,,速最快而又不丢步为原则。

则每台阶运行的步数为=f,t=sN,N反映了

每个速度台阶运行步数与速度字s之间的关系。

程序在执行的过程中，每次速度

升一档，然后以递减方式检查，当减至零是表示该档速度运行完毕，ss+1,升

入又一档速度。

（2）升速过程的总步数。

电动机升速过程中，一直对这个总步数进行递减操作，

当减至零时表示升速过程完毕，转入恒速运行。

（3）恒速运行总步数。

电动机恒速运行中，一直对总步数进行递减操作，当减

至零是表示恒速过程完毕，开始转入减速运行。

（4）减速运行的总步数。

这个步数可以取与升速总步数相同。

减速过程的规律

也与升速过程相同，只是按相反的顺序进行即可。

2.3基本方案的确定

对步进电机的控制和驱动方案:

方案一:

使用多个功率放大器件驱动电机，通过使用不同的放大电路和不同参数

的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。

但是由于使

用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做

到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复

杂。

方案二:

使用L298N芯片驱动电机，可以直接通过电源来调节输出电压;可以直

接用单片机的IO口提供信号;而且电路简单，使用比较方便，选择了方案二。

显示部分的方案:

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方案一:

串行接法设计中要显示4位数字，用74LS164作为显示驱动，其中带锁

存，使用串行接法可以节约I,O口资源，发送数据时容易控制。

方案二:

并行接法，使用并行接法时要对每个数码管用I,O口单独输入数据，

占用资源较多。

由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，选择了方案一。

另外，使用锁存

也起到节约资源的作用。

键盘控制部分的方案:

考虑到对控制功能的扩展，我们使用了4*4的键盘

第3章硬件设计

3.1步进电机的选择

步进电机的选择由步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大

要素组成。

一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1、步距角的选择

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到

电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小

/0.72度（五相电机）、于此角度。

目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度

0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

2、静力矩的选择

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。

静力

矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。

单一

的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时（一般由低速）时二种负

载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一

般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及

长度便能确定下来（几何尺寸）

3、电流的选择

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频

特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）

4、力矩与功率换算

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡

量，力矩与功率换算如下:

其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧

PMn,,,,,,2/60,PnM,,2/60,度，n为每分钟转速，M为

综上所述选择电机一般应遵循以下步骤:

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图3-1步进电机选择框图

步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

根据设计的要求和需要我们选用了35BY48S03型四相步进电机,图3-2是35BY48S03型步进电机的外形图，要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。

将COM端标识为C，只要AC、C、BC、C，轮流加电就能驱动步进电机运转，加电的方式可以有多种，如果将COM端接正电源，那么只要用开关元件（如三极管），将A、B、C轮流接地。

图3-235BY48S03型步进电机

下表列出了该电机的一些典型参数见表3-1:

型号步距相数电压电流电阻最大定位转动

角静转转距惯量

距

35BY48S037.54120.2647180652.5

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3.2单片机的选择

本设计采用AT89S51，它是低功耗、高性能的单片机，其特性如下:

（1）4KB可编程的Flash存储器