基于单片机的步进电机控制毕业设计论文.docx
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基于单片机的步进电机控制毕业设计论文
2015届电子工程学院
毕业设计选题审批单
年级12专业电子班级1
学生姓名
蔡春雨
学号
1220090122
选题
单片机控制步进电机设计
选题性质
□设计□报告□其他
选题论证：
指导教师初审意见：
签名：
年月日
毕业设计工作领导小组审批意见：
签名：
年月日
2015届电子工程学院
毕业设计开题报告及进度要求
年级2012班级1
学生姓名
蔡春雨
学号
1220090122
指导教师
桑红
选题性质
□设计□报告□其他
选题
单片机控制步进电机设计
选题的目的和意义：
选题研究的主要内容和技术方案：
毕业设计工作时间
2015年月日至2015年月日
毕业设计工作日程安排
时间段
工作内容
指导教师意见：
成果要求：
签字：
年月日
摘要
步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
本文应用单片机AT89C51和脉冲分配器PMM8713，步进电机驱动器，光电隔离器4N25等，构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。
通过AT89C51和脉冲分配器PMM8713完成步进电机的各种运行控制方式，实现步进电机在3相6拍的工作方式下的正反转控制和加减速控制。
并通过步进电机丝杠连动，带动XY工作台的直线运动，实现从起点A点到预定点B点的位移控制。
整个系统采用模块化设计，结构简单，可靠，通过人机交互换接口可实现各功能设置，操作简单，易于掌握。
该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等大多数场合。
实践证明，基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更好的性能，更加简单、方便、可靠。
本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执行器件——步进电机。
关键词：
步进电机、单片机、正反转控制、加减速控制、XY工作台
第一章绪论
1.1步进电机及其发展
步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。
随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。
步进电机的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。
1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。
到20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。
步进电机往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。
在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。
1.2步进电机在我国的发展应用及前景
我国步进电机的研究及制造起始于本世界50年代后期，从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。
我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。
中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。
70年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。
70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。
至80年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。
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。
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。
1.3本文研究内容
本设计主要是研究基于单片机的步进电机控制，采用单片机AT89C51和脉冲分配器PMM8713控制步进电机在三相六拍工作方式下的启停控制，正反转控制和加减速控制，以实现基于步进电机的XY工作台两点间的位移控制。
第二章步进电机的分类、结构、工作原理及特性
2.1步进电机的概念
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
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（及步进角）。
我们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；同时我们也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。
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。
从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。
2.2步进电机的特点
1.一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。
2.步进电机外表不允许较高的温度。
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.步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。
5.由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。
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。
6.步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。
7.速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。
8.步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。
2.4步进电机的结构及工作原理
2.4.1结构
步进电机分为转子和定子两部分：
1.定子：
由硅钢片叠成的，定子上有6大磁极，每2个相对的磁极（Ｎ，S）组成一对，共有3对。
定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
0、1/3π、2/3π,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以π表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3π，C与齿3向右错开2/3π，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）。
2.转子：
由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿相同，并且小齿的大小相同，间距相同。
2.4.3工作原理
电机的U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。
如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 。
以反应式步进电机为例：
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。
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1/3π，此时齿3与C偏移为1/3π，齿4与A偏移（π-1/3π）=2/3π。
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1/3π，此时齿4与A偏移为1/3π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1/3π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）1/3π,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1/3π改变为1/6π。
甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3π变为1/12π，1/24π，这就是电机细分驱动的基本理论依据。
不难推出：
电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……（m-1）/m,1。
并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。
只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
2.4.4工作方式（三相）
1.单三拍：
通电顺序为ABC；
2.双三拍：
通电顺序为ABBCCA；
3.三相六拍：
通电顺序为AABBBCCCA。
这三种工作方式的区别，如下表所示：
表2.1反应式步进电机三种工作方式的性能比较
工作方式
单三拍
双三拍
六拍
步进周期
T
T
T
每相通电时间
T
2T
3T
走齿周期
3T
3T
6T
相电流
小
较大
最大
高频性能
差
较好
较好
转矩
小
中
大
电磁阻尼
小
较大
较大
振荡
容易
较容易
不容易
功耗
小
大
中
由表2.1可以看出这三种工作方式中，六拍的性能最好，单三拍的性能最差，因此，在步进电机的控制应用中，选择合适的工作方式非常重要，本文主要研究的是三相六拍工作方式。
2.5步进电机的常用术语
1.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。
θz=2π/Z（Z是转子的齿数）
2.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。
θb=θz/N=2π/NZ（N是工作拍数，Z是转子的齿数）
3.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。
4.失调角：
指转子偏离零位的角度。
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
5.零位或初始稳定平衡位置：
指不改变绕组通电状态，转子在理想空载状态下的平衡位置。
6.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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.单步响应：
指步进电机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转子由起动到停止的运动轨迹。
2.6步进电机的振荡和失步
步进电机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运行，因此要尽力去避免。
2.6.1振荡
步进电机的振荡现象主要发生于：
步进电机工作在低频区，步进电机工作在共振区，步进电机突然停车时。
当步进电机工作在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电机表现为单步运行，当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动，到达平衡点时，电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大，由于惯性，转子冲过平衡点，这时电磁力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动。
当转子反转过平衡点后，电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动。
如此下去，形成转子围绕平衡点的振荡。
由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰弱振荡，最终稳定在平衡点。
当步进电机工作在共振区时，步进电机的脉冲频率接近步进电机的振荡频率fo或振荡频率的分频或倍频，这会使振荡加剧，严重时造成失步。
振荡失步的过程可描述如下：
在第一个脉冲到来后，转子经历了一次振荡。
当转子回摆到最大幅值时，恰好第2个脉冲到来，转子受到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆，接着第3个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点，这样，转子经过3个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了三步。
当步进电机工作在高频率区时，由于换相周期短，转子来不及反冲，同时，绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个工作区中不会产生振荡。
减少步距角可以减少振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。
2.6.2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。
步进电机失步的原因有2种：
1.转子的转速慢于旋转磁场的速度（或者说慢于换相速度）。
例如，步进电机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。
因此，步进电动机有一个启动频率启动时，肯定会产生失步。
注意，启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、减少负载转动惯量、减少步距角都可以提高步进电机的启动频率。
2.转子的平均速度大于旋转磁场的速度。
这主要发生在制动和突然换向时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。
2.7阻尼方法
消除振荡是通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼法和电子阻尼法两大类。
其中机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器，电子阻尼法则有多种。
1.多相励磁法：
采用多相励磁会产生电磁阻尼，会削弱或消除振荡现象。
2.变频变压法：
步进电机在高频和在低频时转子所获得的能量不一样，在低频时绕组中的电流上升时间长，转子获得的能量大，因此容易产生振荡，在高频时则相反。
所以，可以设计一种电路，使电压随频率的降低而减少，这样使绕组在低频时的电流减少，可以有效地消除振荡。
3.细分步法：
细分步法是将步进电机绕组中的稳定电流分成若干阶段，每进一步时，电流升一级。
同时，也相对地提高步进频率，使步进过程平稳进行。
4.反相阻尼法：
这种方法用于步进电机制动，在步进电机转子要过平衡点之前，加一个反向作用力去平衡惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实现准确制动。
第三章步进电机的驱动
步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。
驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。
3.1单电压功率驱动接口
单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电，它的特点是电路最简单。
步进电机使用脉冲电源工作，脉冲电源的获得可通过下图说明，开关管T是按照控制脉冲的规律“开”和“关”，使直流电源以脉冲方式向绕组L供电，这一过程我们称为步进电机的驱动。
实用电路如下图所示。
在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。
一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。
Rs对步进电动机单步响应的改善如图3.1所示：
图3.1单电压功率驱动接口电路图
在图3.1中，电路中只有一个电源V，电路中的限流电阻R1决定了时间常数，但R1太大会使绕组供电电流减小。
这一矛盾不能解决时，会使电动机的高频性能下降，可在R1两端并联一个电容，以使电流的上升波形变陡，来改善高频特性，但这样做又使低频性能变差。
R1在工作中腰消耗一定的能量，所以这个电路损耗大，效率低，一般只用于小功率步进电机的驱动。
3.2双电压功率驱动接口
用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样就产生了双电压驱动。
双电压驱动有两种工作方式：
双电压法和高低压法。
双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH驱动。
这种功率接口需要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。
图3.2中，功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。
当Uh低电平，TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。
反之Uh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。
这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。
其电路图如下所示：
图3.2双电压功率驱动接口电路
虽然这方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好的高频特性，但仍没有摆脱单电压驱动的弱点，在限流电阻R上仍然会产生损耗和发热。
3.3高低压功率驱动接口
高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。
这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。
高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，高压管VTH的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。
一般可取1~3ms。
（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。
高低压驱动电路如下图所示：
图3.3高低压驱动接口电路图
高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法，由于这种驱动在低频时电流有较大的上冲，电动机低频噪声较大，低频共振现象存在，使用时要注意。
第四章步进电机的单片机控制
4.1步进电机控制系统组成
图4.1用微型机控制步进电机原理系统图
与传统步进控制器相比较有以下优点：
1.用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。
2.只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。
3.根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。
4.2步进电机控制系统原理
4.2.1脉冲序列的生成
图4.2脉冲的生成
脉冲幅值：
由数字元件电平决定。
TTL0～5V
CMOS0～10V
接通和断开时间可用延时的办法控制。
要求：
确保步进到位。
4.2.2方向控制
步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。
三相六拍，通电顺序为:
正转：
AABBBCCCA
反转：
AACCCBBBA
改变通电顺序可以改变步进电机的转向
4.3脉冲分配
实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：
软件法和硬件法。
4.3.1通过软件实现脉冲分配
软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的IO向驱动电路发出控制脉冲，下面以三相六拍为例。
上面提到了三相六拍工作方式通电换相得正序为A-AB-B-BC-C-CA-A，反序为A-AC-C-CB-B-BA-A。
图4.3用软件实现脉冲分配的接口示意图
注：
P1.0：
A相驱动
P1.1：
B相驱动
P1.2：
C相驱动
三相六拍控制字如下表所示：
表4.1三相六拍工作方式的控制字
通电状态
P1.2
P1.1
P1.0
控制字
A
0
0
1
01H
AB
0
1
1
03H
B
0
1
0
02H
BC
1
1
0
06H
C
1
0
0
04H
CA
1
0
1
05H
注：
0代表使绕组断电，1代表使绕组通电
在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1口，步进电机就会转动一个齿距角，每送一个控制字，就完成一拍，步进电机转过一个步距角。
软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPU时间，可能使单片机无法同时进行其他工作（如监测等），所以，人们更喜欢用硬件法。
4.3.2通过硬件实现脉冲分配
所谓硬件法实际上就是使用脉冲分配器8713，来进行通电换相控制。
8713是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电机，我们选择的是三相六拍工作方式。
8713可以选择单时钟输入或双时钟输入，具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监视等功能，所有输入端内部都设有斯密特整形电路，提高抗干扰能力，使用4~18V直流电源，输出电流为20mA。
本例选用单时钟输入方式，8713的3脚为步进脉冲输入端，4脚为转向控制端，这两个引脚的输入均由单片机提供和控制，选用对三相步进电机进行六拍方式控制，所以5、6脚接高电平，7脚接地。
如下图所示：
图4.489C51单片机系列和8713脉冲分配器的接口图
由于采用了脉冲分配器，单片机只需提供步进脉冲，进行速度控制和转向控制，脉冲分配的工作交给8713来自动完成，因此，CPU的负担减轻许多。
4.4步进电机与微型机的接口电路
由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。
驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。
总之，只要按一定的顺序改变8713脉冲分配器的13脚～15脚三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。
由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器（一是抗干扰，二是电隔离。
）以防强功率的干扰信号反串进主控系统。
电路图如下所示：
图4.5单片机与步进电机的接口电路图
1.图中K1、K2、K3、K4按钮分别控制步进电机正转、反转、加速、减速。
2.因为我们讨论的是三相六拍的工作方式，所以P0.4和P0.6接高电平，P0.7接低电平。
3.P0.0输出步进脉冲。
4.P0.1控制步进电机的转向。
第五章步进电机的运行控制
5.1步进电机的速度控制
步进电机的速度控制是通过单片机发出的步进脉冲频率来实现，对于软脉冲分配方式，可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速，对于硬脉冲分配方式，可以控制步进脉冲的频率来实现调速。
控制步进电机的速度的方法可有两种：
1.软件延时法：
改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率，但这种方法CPU长时间等待，占用大量的机时，因此没有实践价值。
2.定时器中断法：
在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速，这种方法占有的CPU时间较少，在各种单片机中都能实现，是一种比较实用理想的调速方法。
定时器法利用定时器进行工作，为了产生步进脉冲，要根据给定的脉冲频率和单片机的机器周期来计算定时常数，这个定时器决定了定时时间，当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变P1
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