步进电机课程设计.docx

步进电机课程设计.docx

《步进电机课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《步进电机课程设计.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

步进电机课程设计

摘要：

步进电机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速启停、正反转控制等。

本设计的硬件电路包括最小系统、驱动电路、按键控制电路、状态显示电路四大部分。

最小系统是为了使单片机正常工作，包括晶振电路和复位电路。

驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动按键控制电路由开关和按键组成，由操作者根据工作需要进行相应的操作。

状态显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。

关键词：

步进电机；启停；正反转；调速

Abstract：

Steppermotoristheelectricpulsesignalcontrol,electricalpulsesignalwillbeconvertedintothecorrespondingangulardisplacementorlinedisplacementofthemicromotor,itsmostprominentadvantageiscaninabroadfrequencyrangebychangingthepulsefrequencytoachievethespeed,quickstartandstop,positivecontrol.Thedesignofthehardwarecircuitincludesfourparts:

theminimumsystem,drivecircuit,controlcircuitandastatusdisplaycircuit.Minimumsystemistomakethecomputerwork,includingcrystalcircuitandresetcircuit.DrivecircuitismainlytoSCMpulsepoweramplifier,therebydrivingmotortorotatethekeycontrolcircuitbyswitchesandkeys.theoperatorcanoperatetheseswitchesandkeysaccordingtotheneedsofthework.Statusdisplaycircuitismainlyinordertodisplaytheworkingstatusofthemotorandthespeed.

Keywords:

Steppermotor；Start/stop；Positiveinversion；timing

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为Stepmontor或Steppingmotor,Pulsemontor,Stepper等等。

就传统的步进电机来说，步进电机可以简单地定义为，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（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电机。

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

步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原如模型起源于1830年至1860年间。

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。

这被认为是最初的步进电机。

此后，在电话自动交换中广泛使用了步进电机。

不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。

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，而半导体技术的发展则推进了步进电机在众多领域的应用。

在近30年间，步进电机迅速地发燕并成熟起来。

从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机、以及同步电机并列，从而成为电机的一种基本类型。

我国步进电机的研究及制造起始于本世纪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。

这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。

70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。

除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个·较高水平。

70年代中期至80年年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。

自80年代中期以来，由于对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。

随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。

因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。

直流电机广泛应用于计算机外围设备（如硬盘、软盘和光盘存储器）、家电产品、医疗器械和电动车上,无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢,并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。

步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以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，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在机械、钢铁、化工等多个行业都有着重要作用，有效的电机控制，提高其运行性能有着十分重要的现实意义。

因此，搭建基于Proteus的步进电机控制系统仿真平台，对步进电机控制系统作分块研究，给出丰富的实验观察接口，较好的分析研究步进电机控制系统中存在的问题，能

够有效的提高其运行性能，对电机控制系统的修改和完善都起到重要作用。

搭建基于proteus的步进电机控制系统硬件仿真平台，对步进电机控制系统作分块仿真研究，给出了丰富的实验观察接口，仿真验证了大部分程序模块运行效果，为实际硬件实验平台的搭建奠定基础。

采用基于proteus步进电机控制运动仿真，不仅能真实的反映实际控制效果，也能很好的节约设计时间和成本，为科研开发过程提供有效的实践理论依据。

1.2课程设计任务及要求

任务：

1.查阅资料，了解步进电动机的工作原理；

2.通过单片机给步数控制电机的转动；

3.通过按钮可控制启停及正反转；

4.创新功能:

顺时针加速旋转，顺时针减速旋转，逆时针加速旋转和逆时针减速旋转，喇叭提示音。

要求：

进行步进电机控制系统硬件电路设计，画出电路原理图、元器件布线图、实验电路图；绘制程序流程图，进行步进电机控制程序设计（采用C语言）。

1.3软硬件运行环境及开发工具

硬件：

keilc和protues软件、PC机一台

开发语言：

C语言

第2章步进电机简介

2.1步进电机的结构原理

步进电机本质上是一个数字角度转换器。

以三相电机为例,其结构原理见图1。

各相夹角为120°的定子磁极上均匀分布了5个矩形小齿,没有绕组的转子圆周上也均匀的分布着40个小齿（相邻齿夹角为9°）。

利用电磁学的性质,在某相绕组通电时,相应的磁极产生磁场,与转子形成磁路如此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐,则在磁场作用下,转子就转动一定角度,达到齿的对齐。

在单三拍控制方式下,若A相通电,B、C相不通电,在磁场作用下使转子齿和A相定子齿相对假设此时为初态并且令与A相中心对齐的转子齿为0号齿,因为B相与A相相差120°，可知120°/9°=133⁄9,不为整数,即此时转子齿与B相不对齐,只是13号齿靠近相的中心,且相差3°。

如果此时突然变为B相通电,而A、C相都不通电,那么,13号齿会在磁场的作用下转到与相中心对齐的位置,这就是常说的走一步,此时,转子转了。

这样,按照A一B一C一A顺序通电次,可以使转子转动9°。

那么步进电机的步距角Q=（360/NZ）°（式中N=MC为运行拍数；M为控制绕组相数；C为状态系数,单三拍或双三拍时C=1,单六拍或双六拍时C=2为转子齿数）。

2.2步进电机的特征及参数

步进电机的特征如下：

1、一般步进电机的精度为步进角的3%-5%，且不积累。

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）的增大而相电流减少，从而导致力矩下降。

4、步进电机低速时可以正常转动，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。

步进电机的参数：

（一）步进电机的静态指标术语

1、相数：

产生不同对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，有四相四拍运行方式即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（转子齿数*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θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（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。

（二）步进电机动态指标及术语：

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。

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。

 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。

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、电机正反转控制：

当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转。

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）。

2.3步进电机的分类

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。

反应式步进电动机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，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，但动态性能相对较差。

永磁式步进电机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，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。

一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。

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。

这种步进电机的应用最为广泛，它是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。

2.4步进电机驱动原理

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。

该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。

当定子的矢量磁场旋转一个角度。

转子也随着该磁场转一个角度。

下图为步进电机驱动原理示意图：

上图中的步进电机定子由两组线圈组成，所以又称为两相四线步进电机。

图中依次给X,Y,X',Y'加正激励，使其电机内部的磁场进行一个顺时针的转动，然后带动转子也进行顺时针方向的转动。

下图是步进电机逆时钟转动时驱动示意图：

2.5步进电机的工作原理

步进电机的驱动电流一般在几百毫伏这个量级，直接使用单片机的I/O口，显然是无法直接驱动的。

一般步进电机在驱动的时候，都会加一个驱动电路，可以使用三极管驱动电路。

但是由于一个步进电机，一般需要的驱动路数较多，如28BYJ48这个四相步进电机，至少需要4路驱动，此时，电路设计时一般使用专门的步进电机驱动芯片。

常用的步进电机驱动芯片有：

ULN2003或ULN2803。

ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。

ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。

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步进电机件。

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，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。

　　该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。

只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。

图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。

而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。

依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

　　四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：

第三章系统硬件电路设计

3.1总体设计框图

本设计的硬件电路包括最小系统、驱动电路、按键控制电路、状态显示电路四大部分。

最小系统是为了使单片机正常工作，包括晶振电路和复位电路。

驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。

按键控制电路由开关和按键组成，由操作者根据工作需要进行相应的操作。

状态显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。

系统总体设计框图如图3.1所示。

图3.1总体设计框图

3.2单元电路设计

3.2.1最小系统设计

最小系统或者称为最小应用系统，就是用最少的元件组成的可以工作的系统。

对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：

单片机、复位电路、晶振电路。

复位电路：

使用了独立式键盘，单片机的P1口键盘的接口。

该设计要求只需4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用了6路独立式键盘。

复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用30PF的电容和一个12M晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。

89C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：

内部震荡方式和外部中断方式。

在引脚XTAL1和XTAL2外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。

由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

其电容值一般在5~30pf,晶振频率的典型值为12MHz,采用6MHz的情况也比较多。

内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。

复位及时钟振荡电路如图3.2.1所示。

图3.2.1复位及时钟振荡电路

3.2.2驱动电路设计

本设计选用ULN2003芯片构成驱动电路。

ULN2003是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片。

经常在电路中使用，作为显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、伺服电机、步进电机驱动等电路中。

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

ULN2003的封装采用DIP—16或SOP—16。

ULN2003可以驱动7个继电器,具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。

每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。

ULN2003的引脚图如图3.2.2-1所示，驱动电路如图3.2.2-2所示。

图3.2.2-1ULN2003的引脚图

图3.2.2-2驱动电路

3.2.3按键控制电路设计

根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启停控制，换向控制，加速控制和减速控制按钮，分别是K1、K2、S2、S3。

通过K1、K2状态变化分别实现电机的启动和换向功能。

当K1、K2的状态变化时，内部程序检测P1.0和P1.1的状态来调用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。

根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。

对于单片机而言，主要的方法有：

软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过S2、S3的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了

步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。

按键控制电路如图3.2.3所示。

图3.2.3按键控制电路

3.2.4状态显示电路设计

在该步进电机的控制系统中，电机可以正反转，可以加减速，其中电机转速的等级分为八级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。

在显示电路中，主要是利用了单片机的P0口和P2口。

采用两个共阳数码管作显示。

第一个数码管接的a、b、c、d、e、f、g、h分别接P0.0~P0.7口，用于显示电机正反转状态，正转时显示“1”，反转时显示“0”，不转时数码管熄灭。

第二个数码管的a、b、c、d、e、f、g、h分别接P2.0~P2.7口，用于显示电机的转速级别，共八级，即从0~7转速依次递增，“0”表示转速为零。

状态显示电路如图3.2.4所示。

图3.2.4状态显示电路

3.3总体电路图

把各个模块的电路组合成总电路，如图3.3所示。

图3.3总体电路图

第4章系统软件设计

实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入速、加速信号和方向信号，因而采用中断方式效率最高，这样总共要完成4个部分的工作才能满足设计要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断0和外部中断1部分。

其中，主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测，若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率，它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。

下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。

4.1主程序设计

主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。

其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对P1口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。

若初始化P1=11H、速度和方向初始值均设为0，就意味着步进电机按四相单四拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“0”，速度值显示“0”，主程序流程图如图9所示。

图4.1主程序流程图

4.2定时中断设计

步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。

在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时的中断次数，因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。

其程序流程图如图4.2所示。

图4.2定时中断程程序流程图

4.3外部中断设计

外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。