步进电机的原理与应用方案设计书.docx

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步进电机的原理与应用方案设计书

步进电机

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。

研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

步进电机是一种能够将电子脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步进电动机。

单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。

多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。

使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转为多相脉冲信号，在经过功率放大后分别送入步进电机各项绕组。

每输入一个脉冲信号，电动机电动机各项的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度，也就是步距角。

正常情况下步进电机转过的总角度和输入的脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。

由于步进电机能直接接受数字量的输入，所以特别适合微机控制。

步进电机的一些特点：

1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2．步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：

空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下，启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

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。

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。

步进电动机有如下特点：

1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。

因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。

2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。

4）速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。

5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。

6）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。

国内控制器的研究起步较晚，运动控制技术为一门多学科交叉的技术，是一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领域。

如电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等，运动控制技术是这些技术的有机结合体。

总体上来说，国内研究取得很大的进步，但无论从控制器还是从控制软件上来看，与国外相比还是具有一定差距。

在国内，步进电机驱动器是从五十年代开始发展，实际上进入七十年代后才开始有较大进展至今己有较好的基础和一定的规模。

七十年代，我国曾经花费了很大的力量来发展采用步进电动机系统的数控机床。

众所周知，那次的发展很不成功，主要是控制系统的不可靠、不稳定所造成的。

其中，步进电动机的驱动器性能较差、价格昂贵、可靠性低是一个重要的原因。

八十年代末开始在我国发展的经济型机床控制系统，它是一种用单板计算机和步进电机开环系统构成的简易型控制装置。

由于采用了单板机控制，使得控制部件的稳定性、可靠性大为提高，成本下降。

而步进电机及其驱动器仍基本上停留在较低的水平，成为这种系统发展的主要障碍。

电动机的理论、设计和制造技术相对较强，驱动器的发展则是一个薄弱的环节，一方面在我国步进电机的驱动器多采用传统线路结构，性能落后。

另一方面还表现在缺乏驱动器专业生产。

目前我国许多厂家已研制生产出步进电机的驱动器，其技术设计基本上是引进国外的专用芯片，且其性能还存在许多不足（如节能、稳定性等），与国外产品相比还有一定距离.

而对于控制器的研究国内起步较晚，运动控制技术为一门多学科交叉的技术，是一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领域。

如电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等，运动控制技术是这些技术的有机结合体。

对于步进电机控制系统，运动控制器就像是它的中枢神经系统，指挥着它的每个动作。

控制器接收相应指令，并根据指令向各进给电机发出控制信号，各个电机的驱动器则将控制信号转变成直接驱动电机的电信号。

开放式运动控制己成为运动控制的发展方向，因此对控制器也有更高的要求。

目前控制系统在实际应用中多采用如下方案之一构成:

（1）基于PC和微处理器.由单片机等微处理器为核心部件，加上存储器、编码器信号处理电路以及D/A转换电路等组成控制器，其控制算法的程序固化在存储器中。

而上位机基于PC的控制系统，由于联动插补算法较复杂，有大量浮点运算，对实时性要求又较高，选用PC来完成粗插补运算和数值运算。

同时可利用丰富的PC软件来改善控制系统的图形显示、动态仿真、编程和诊断功能。

（2）基于微控制器设计的专用集成电路，如美国国家半导体公司生产的LM628,惠普公司的HCPLl100等。

用一个芯片即完成速度曲线规划、PID伺服控制算法、编码器信号的处理等多种功能。

一些需要用户经常更改的参数如电机位置、速度、加速度、PID参数等均在芯片内部的RAM内，可由计算机用指令很方便的修改。

但由于受到运算速度的限制，复杂的控制算法和功能很难实现。

（3）基于PC总线的开放式系统控制器和可编程数字逻辑器件。

可编程器件具有:

高性能、高集成度、高灵活性、简化电路等优点。

而现在的奔腾、奔腾II、奔腾III微处理器计算速度和运算能力很强大，以其为基础的控制器已经能同专用的控制器相媲美。

但这个方案采用元器件较多，可靠性低，体积比较大，软件设计工作量较大。

而系统中各个坐标轴电机还需具备位置控制功能，位置控制实时性很强，当控制轴数较多时，任务与插补共用一个CPU会导致系统主机负担太重，实时性不易保证，而且故障风险过于集中。

（4）基于数字信号处理器（DSP）型.20世纪90年代以来，随着计算机技术和电子技术的发展，将运算高速、功能强大的数字信号处理器应用于控制器。

许多公司研制了以DSP为微处理器的控制器，这些控制器一般以IPC或兼容机为硬件平台，以DOS或WINDOWS为软件平台，采用开放式开发手段，使用很方便。

美国DeltaTauPMAC一PC以DataSystem公司推出的PMAC系列伺服控制器比较有代表性。

Motorola公司的DSP56001为微处理器，主频20/30MHz,60/40微秒/轴的伺服更新率，36位位置范围，16位DAC输出分辨率，10/15MHz编码计数率，每秒可处理多达500条程序，可以完成直线或圆弧插补，"S曲线”加速和减速，三次轨迹计算、样条计算。

利用DSP强大的运算功能实现1-8轴的多轴实时控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；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。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相：

两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。

本次驱动方案所选用的步进电机是永磁式步进电机。

步进电机主要的技术指标有：

1）步距角指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。

目前国产商品化步进电机常用步距角为：

0.36、0.6、0.72、0.75、0.9、1.2、1.5、1.8、2.25、3.6、4.5度等。

2）齿距角相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。

3）失调角失调角是指转子偏离零位的角度。

4）精度步进电机的精度有两种表示方法，一种用步距误差最大值来表示，另一种用步距累计误差最大值来表示。

最大步距误差是指电动机旋转一周内相邻两步之间的最大步距角和理想步距角的差值，用理想步距的百分数表示。

最大累计误差是指任意位置开始经过任意步之间，角位移误差的最大值。

5）转矩步进电机转矩是一个重要的指标。

它又包括定位转矩、静转矩、动转矩。

定位转矩是指在绕组不通电时电磁转矩的最大值。

通常反应式步进电机的定位转矩为零，混合式步进电机有一定的定位转矩。

静转矩是指不改变绕组通电状态，即转子不转时的电磁转矩。

它是绕组电流及失调角的函数。

对应某一失调角时静转矩最大，称为最大静转矩。

动转矩是指转子转动情况下的最大输出转矩值，它与运行频率有关。

在一定频率下，最大静转矩越大，动转矩也越大。

6）响应频率在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。

通常用启动频率来作为衡量的指标，它是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率，称为极限启动频率。

7）运行频率指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。

课题的研究意义和目的

步进电机可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，这是步进电动机最突出的优点.由其组成的开环系统简单、廉价、可靠。

因此，它被广泛的运用于数控机床、绘图机、计算装置、自动记录仪、工业机器人、无损检测等系统及装置中。

步进电机的性能在很大程度上取决于步进电机控制系统，而步进电机控制系统由步进电机控制器、驱动器、系统软件等几部分组成，控制系统的每一部分对步进电机的运行性能息息相关。

步进电机与它的控制驱动系统是不可分割的两部分，由于步进电机驱动器的不完善，使得步进电机系统表现出一些重大的欠缺。

接近工作频率的低频共振，低速运行平稳性较差，高速运行的快速响应能力差、容易失步、效率低、能耗大、发热量大等.从应用的角度来看，严重制约步进电动机的问题就是失步、振荡和较差的矩频特性。

基于以上理论，步进电机的控制驱动系统的设计就非常必要。

现举一个设计，本控制系统的设计，由硬件设计和软件设计两部分组成。

其中，硬件设计主要包括单片机最小系统、键盘控制模块、步进电机驱动模块、数码显示模块等功能模块的设计，以及硬件电路在电路板上的实现。

软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。

本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。

设计的步进电机控制系统有以下功能：

1.步进电机的启停控制

2．步进电机的正反转控制

3.步进电机的加速控制

4.步进电机的减速控制

5.步进电机转速的动态显示

1、步进电机的选择

方案一：

选择反应式步进电动机（VR）。

采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。

方案二：

选择永磁式步进电动机（PM）。

转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。

用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。

它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。

方案三：

选择混合步进电动机（HB）。

这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。

此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。

由于永磁式步进电机的动态性能比较好，而且结构相对比较简单，价格适中，是电子业余爱好者中常用的步进电机。

故在此选用永磁式步进电机。

2、单片机的选择

方案一：

选择ARM7TDMIS3C44BOX单片机

S3C44BOX单片机包含ARM7TDMI处理器。

ARM7TDMI处理器是ARM公司通用的32位微处理器家族的成员之一，是一种高性能、廉价、低功耗的RISC处理器，同时又具有非常丰富的片上资源，非常适合嵌入式产品的开发。

方案二：

选择AT89S52单片机

AT89S52是一种带8K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。

它的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

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AT89S52的结构简单、价格适中、高性能，故在此选择AT89S52单片机。

3、步进电机驱动电路的设计

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ULN2803八NPN达林顿连接晶体管驱动电机

ULN2803八NPN达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路（如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其他类似负载间的接口的理想器件。

广泛用于计算机，工业和消费类产品中。

所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。

ULN2803的设计与标准TTL系列兼容。

由于ULN2803八NPN达林顿连接晶体管的结构简单而且能为步进电机提供脉冲信号，进而将脉冲转化为步进角度，从而能控制步进电机转动。

故选择ULN2803八NPN达林顿连接晶体管作为所需单片机。

4、数码管显示电路的设计

方案一：

共阳极接法。

把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。

当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。

方案二：

共阴极接法。

把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。

每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。

当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。

在本设计中所采用的是共阳极LED数码显示器，其内部结构如图所示：

LED数码管结构图

在本设计中，数码显示电路通过交替向P2.6和P2.7输出低电平，使得与这两个端口连接的三极管交替导通，从而为数码管提供电源，也实现了数码管的动态扫描。

通过P1口输出段选信号，控制了数码管显示的内容。

5硬件设计思路

步进电机控制系统共分为四个模块：

单片机最小系统模块、键盘控制模块、数码显示模块、步进电机驱动模块。

单片机最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。

复位电路为单片机系统提供可靠复位，使单片机能正常启动。

时钟电路采用外部时钟方式，保证单片机个功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。

键盘控制模块包括启停键、方向控制键、加速键和减速键，分别与单片机的P2.0、p2.1、p2.2和P2.3相连。

实现对步进电机的控制。

并且键盘上连接有发光二极管，以指示键盘状态。

数码显示模块采用共阳极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度。

利用三极管为数码管的com端提供高电平。

单片机的P1口提供数码管的段选信号，P2.6和P2.7控制数码管的位选信号。

步进电机驱动模块选用八NPN达林顿连接晶体管2803为步进电机提供脉冲信号，驱动步进电机转动。

该模块与单片机的P3.4—P3.7相连。

说明如下：

1.单片机接受键盘信息，改变系统内部变量值。

2.单片机输出脉冲信号，控制步进电机转动。

3.单片机根据步进电机实际转动值，控制数码管显示。

AT89S52单片机

8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。

很多公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品。

同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如ATMEL的89S52，PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（华邦）等，我们常说的89S52指的是ATMEL公司的AT89S52单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由Flash（程序存储器的内容至少可以改写1000次）存储器取带了原来的ROM（一次性写入），AT89S52的性能相对于8051已经算是非常优越的了。

AT89S52是一种带8K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。

它的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

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AT89S52是一种高效微控器，AT89S52单片机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。

单片机内部结构图为如图所示：

1．主要特性：

•与MCS-51单片机产品兼容

•8K字节可编程flash存储器

•寿命：

1000写/擦循环

•全静态工作：

0Hz-33Hz

•三级加密程序存储器

•256*8位内部RAM

•32可编程I/O线

•三个16位定时器/计数器

•八个中断源

•全双工UART串行通道

•低功耗空闲和掉电模式

•看门狗定时器

•双数据指针

2．管脚说明：

VCC：

供电电源。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如表2-1所示：

表2-1P3口的部分功能口

口管脚

备选功能

P3.0RXD

串行输入口

P3.1TXD

串行输出口

P3.2/INT0

外部中断0

P3.3/INT1

外部中断1

P3.4T0

记时器0外部输入

P3.5T1

记时器1外部输入

P3.6/WR

外部数据存储器写选通

P3.7/RD

外部数据存储器读选通

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位信号输入端。

当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于两个机器周期的高电平是，就可以完成复位操作。

下图所示的复位电路兼有上电复位和按钮复位的双重功能，并且在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，增强了复位电路的抗干扰能力，二极管的起到快速泄放电容电量的作用，满足短时间多次复位操作的需求。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3．振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

4．芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89S52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

因此在本次设计中用AT89S52来作为该系统的核心处理芯片