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基于单片机的步进电机控制系统
基于单片机的步进电机控制系统
摘要
步进电机是一种通过电磁脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，其有易于开环精确控制、无累积误差等特点，在各个领域中获得了广泛的应用。
目前步进电机控制技术已经比较成熟，在高校教学中也越来越得到重视。
有感于目前高校步进电机实验系统通常过于复杂昂贵，很难有效地使学生了解步进电机的控制方法并且亲自动手完成实验，因此本文研究的内容就是一套硬件系统比较简单、经济，但功能齐全、适应性强、操作方便，能够把数字电路、模拟电路、单片机技术、电机控制技术结合起来的步进电机教学实验系统。
本文首先描述了步进电机的发展应用情况，以及常见的控制方式。
然后以单片机为主控制器设计了一整套的控制方案，以及完整的程序流程以及设计。
关键词：
步进电机单片机教学平台控制方式
TheSteppingMotorControlSystemBasedonSCM
Abstract:
Steppingmotorisakindofcomponentusingelectricpulsesignaltocontrolwindingelementstorealizeangulardisplacement.Itiseasytorealizeaccuratecontrol,noaccumulatederroransoon.Thus,itisgotextensiveapplication.
Steppermotorcontroltechnologyhasnowmoremature.Anditmoreandmoretakenseriouslyinteachingincollege.Feelingthesteppermotortestsystemincollegeareusuallytooexpensiveandcomplicated.Itisdifficulttomakestudentsunderstandtheprincipleofsteppermotorandfulfilltheexperiment.Therefore,thecontentsofthispaperisdesignasimplestepmotorcontrolsystem,whichhascompletefunction,strongadaptability,easytooperate,highdependability,missingelectronictechnique,SCMtechniqueandmotorcontroltechnique.Thispaperdescribesthesteppermotorapplicationdevelopment,andcommoncontrolfirst.Then,usingSCMasamaincontrollertoputforwardthewholesystem,andthecompleteprocessflowanddesign.
Keywords:
SteppingMotor,SCM,EducationPlatform,Control
目录
1.1步进电机的应用及发展前景4
1.2国内步进电机发展现状5
1.3课题背景及意义7
1.4主要技术指标7
第二章总体方案设计7
2.1系统工作原理8
2.1.1步进电机工作原理8
2.1.2步进电机控制方式8
2.2系统控制方案论证9
2.2.1控制系统选择9
2.2.2控制电路选择9
2.2.3单片机控制信号方式选择10
2.2.4外围设备方案选择11
2.2.5键盘的选择11
第三章系统硬件设计12
3.1系统框图12
3.2硬件选择与设计12
3.2.1控制器选择12
3.2.2AT89S51外部电路15
3.2.3步进电机驱动芯片18
3.2.4光电编码器20
3.2.5光电编码器与单片机间数据传输单元22
3.2.6电源设计22
第四章系统的软件设计23
4.1总体设计思想23
4.1.1系统的工作过程23
4.1.2程序设计方法选择23
4.1.3编程语言的选择24
4.2程序的设计26
4.2.1各功能程序设计方案26
4.2.2主程序37
总结38
致谢39
参考文献40
附录1：
部分程序清单41
附录2：
硬件电路原理图47
第一章绪论
1.1步进电机的应用及发展前景
步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。
1950年代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。
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。
步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。
传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。
可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。
为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。
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。
步进电机的特征：
1）高精度的定位：
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。
以5相步进电机为例：
其定位基本单位（分辨率）为0.72°（全步级）/0.36°（半步级），是非常小的；停止定位精度误差皆在±3分（±0.05°）以内，且无累计误差，故可达到高精度的定位控制。
（步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度）
2）位置及速度控制:
步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制（位置控制），并可得到与该脉冲信号周波数（频率）成比例的回转速度。
3）步进电机在停止状态下（无脉波信号输入时），仍具有激磁保持力，故即使不依靠机械式的剎车，也能做到停止位置的保持。
4）动作灵敏：
步进电机因为加速性能优越,所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。
5）开环系统控制、不必依赖传感器定位：
步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转速发电机）及位置传感器（SENSOR），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。
6）中低速时具备高转矩：
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。
7）高信赖性：
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。
8）小型、高功率：
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。
由于不仅电机的以上特点，使得步进电机控制成本低廉，硬件简单并可靠，因此在需要精确控制角度的大量应用，如数控机床、绘图仪等。
1.2国内步进电机发展现状
步进电机行业整体运行态势良好.国产步进电机产业经过40多年的发展，特别是改革开放20多年以来的快速发展，取得了长足进步。
目前，国步进电机生产及配套厂家在1000家以上，并且以每年8%的速度递增，产量已占世界产量的60%以上，已成为国民经济和国防建设中不可缺少的基础性工业。
国民经济与科学技术的发展，为电机传统产业提供了无限的发展空间。
世界电机制造基地正在快速地向中国转移。
当前，经济全球化和科技高新化这两大趋势正向们迎面扑来，全球步进电机年需求量在50亿台以上，随着全球经济一体化进程的加快，步进电机生产的国际化已基本形成。
加入wto后，国家对中小企业的保护政策如进口关税逐步降低，直到取消关税，国外电机凭借其优越的品质和低廉的价格进入国内市场，而出口到国外的电机各国行业协会或政府纷纷设置了许多技术壁垒，更让国产的电机全面卷入与世界电机的争夺战之中。
因此，质量将成为竞争的核心和焦点。
目前，步进电机在国内的生产厂家主要集中在东南沿海的江、浙、沪、闽、粤等五省市和华北地区，全国步进电机企业约1000多家，由国有企业、民营企业、外资或合资企业等多种经营成分共同组成，其中85%以上为中小型民营企业和部分外资或合资企业。
经过多年的发展和技术改造，企业的整体实力得到了增强，生产技术水平有较大提高，质量管理体系比较健全，产品质量明显提高，在国内外市场上具有较强的竞争力，发展势头强劲。
步进电机产业在国的发展分两个阶段。
第一阶段，顺应国家电业发展的需要，应用于风扇、空调器、冰箱、洗衣机、排油烟机、小家电、保健器具等产品的步进电机，国内企业通过技术引进、设备引进吸收，已缩小了同发达国家的差距，部分产品的技术水平已达到国际先进水平，企业具有了很强的自主研发能力、自主知识产权，也形成了一些具有广泛市场知名度的产品品牌。
电机产品在自身大量出口欧美等国际市场的同时也随着风扇、空调器等家电主机产品畅销国际市场，成为国机电出口业务的主要部分。
第二阶段，随着汽车工业的快速发展，车用步进电机的需求也迅速增长，带动了以永磁直流和无刷直流电机为主体的车用功能型步进电机的兴起。
但是，由于这些产品具有相对技术难度大、设备投入大、品种规格变化大的特点，另外，电机本身产品的技术质量直接关系到整车的可*性及品牌声誉。
针对这种情况，国内一些步进电机主导企业主动出击，通过技术引进、国际合作和技术攻关，逐步掌握了这类产品的生产技术，其产品已逐渐被世界知名汽车制造企业所接受，正在成为世界汽车制造业的主要供应商。
尽管步进电机的生产厂家众多，市场竞争激烈，但正在向生产相对集中的方向发展。
随着国体制改革的不断深入，以长江三角洲和珠江三角洲为主体的步进电机产业密集带正在逐步形成，步进电机的龙头企业的市场占有率不断提高。
以空调用送风电机为例，国内生产厂家主要有卧龙控股集团、杭州松下电机、广东威灵、江苏天马等几家企业，占据了国内60%左右的市场份额。
这些厂家具有一定的投资规模，装备先进，生产工艺成熟，技术设计较为领先，品种规格齐全，产品质量档次高，具有很强的市场竞争能力。
特别是卧龙集团最近与日本松下公司合资，在新品开发和技术升级方面取得领先优势，在未来3年内可发展成为世界最大的空调电机生产企业。
步进电机兼有技术密集型和劳动密集型的双重特点，日本、欧美等工业发达国家将产品转移到国外生产，我国因具有巨大的市场潜力和丰富廉价的劳动力优势，已经成为欧、美、日等发达国家产业转移的主要接受地区，使步进电机产业的发展在今后相当长时间内具有良好的发展前景，可以充分利用先进的技术、管理手段、原材料及劳动力等有利条件，逐步发展成为全球步进电机制造中心。
而且我国主要的几家行业龙头企业生产的步进电机均符合iec国际标准。
国步进电机的发展现状呈现如下的特点：
1）一批具有一定规模和实力的企业已经涌现。
国内企业通过第一阶段的发展，无论是在企业经营机制变革、管理制度创新、技术创新能力突破及全球化竞争能力提高等诸方面，都已经形成了自身的特色，特别是在第一阶段中发展而成长起来的一些行业优势企业，市场占有率较大，具有较高的顾客满意度、较大规模、较强综合实力及很好的品牌知名度。
2）新产品开发能力不断提升，拥有一大批自主知识产权。
近几年各企业都投入大量资金进行技术改造，引进不少国外先进制造设备和测试设备，如有多台数控高速冲床、各种先进的自动绕线机以及各种国外先进的检测设备，大大提高了产品的质量和一致性。
新产品开发能力有较大提升，拥有一大批自主知识产权，仅卧龙控股集团有限公司就拥有57项专利，并形成了批量生产能力。
有的企业已建立批量生产无刷电机、振动马达、家电用电机、步进电机、汽车电机等各类新型电机的生产线。
3）零部件专业化生产水平不断上升。
为了降低生产步进电机的成本，提高竞争力，步进电机生产日趋社会化分工，生产规模化、专业化是一个发展趋势。
近几年，国步进电机零部件专业化生产水平有长足进步，许多企业都引进和添置许多设备，以确保大批量生产的品质。
近年来，外资企业大量移师中国，为降低成本，都希望零部件本地化，这也大大促进国步进电机零部件制造水平不断提升。
国已出现一批较高水平的零部件制造厂家，产品除与国内配套外，还远销海外。
过去，国步进电机关键材料的自制能力不足，不少材料还要依赖国外进口。
近几年，这种状态有很大变化，相当部分材料都能自己生产，并形成一定规模。
1.3课题背景及意义
由于步进电机的独有的特性，其在工业中的应用场合越来越多。
然而目前高校在步进电机教学实验中通常采用集成试验台，这样的方式缺点有二：
1）集成实验台价格昂贵，集成度高维修困难，难以大量配备造成学生无法人手一机影响教学效果。
2）实验台使用便利，但内部封闭，导致学生难以观察实际的控制电路，对动手能力与理论实践结合能力提高有限。
而本课题就是要设计一种通用性强，可以根据要求随时扩展。
强、成本低廉、开源、可随意扩展的步进电机控制系统，并且系统硬件结构简单，完全由程序的控制方式使学生在编写程序的过程中完全理解步进电机的控制原理。
1.4主要技术指标
1、能使电机运行于三相双三拍和三相单双六拍的方式。
2、运行模式有单步、连续和预置步数三种。
3、预置步数运行模式时，步数设置范围为0-999步。
4、连续运行模式速度256档可调。
5、步进控制脉冲输出频率范围：
15.3HZ-3.9KHZ.
第二章总体方案设计
2.1系统工作原理
系统采用51单片机作为处理器控制步进电机运动，以下详细介绍步进电机的控制方式。
2.1.1步进电机工作原理
图2-1步进电机结构示意图
如图2-1，电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60º。
各磁极上套有线圈，按图1连成A、B、C三相绕组。
转子上均布40个小齿。
所以每个齿的齿距为θE=360º/40=9º，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。
由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，这就产生了所谓的齿错位的情况。
若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3º。
因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。
若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3º；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。
接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3º。
依次类推，当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3º的规律步进式转动起来。
若改变通电顺序，按A→C→B→A顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3º的规律转动。
2.1.2步进电机控制方式
1）单三拍控制方式
先给绕组A通电，转子齿与绕组A对齐，再给绕组B通电，转子齿与绕组B对齐，电机旋转，再给绕组C通电，转子齿与绕组C对齐，电机再次旋转，依次重复给绕组ABC通电，电机即可连续旋转。
单三拍控制方式是最基本的步进电机控制方式。
2）双三拍控制方式
同时给绕组A、B通电，A与B同时获得磁性，转子锯齿与A、B两相中间对齐，再给B、C同时通电，转子锯齿与B、C两相中间对齐，再给C、A同理。
双三拍控制方式时，转子总是同时受到两个磁极合力影响，所以稳定性好。
3）六拍控制方式
六拍控制方式是单双三拍控制方式结合的控制方法，具体为先给A相通电，电机旋转，再给A、B同时通电，电机旋转，依次类推。
通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA，六拍控制方式由于将步距角减少一半，可以提高控制精度。
2.2系统控制方案论证
2.2.1控制系统选择
1.开环控制：
开环控制时没有位置反馈，不需要光电编码器之类位置传感器，因此控制系统的价格比较便宜。
为了保证定位不出错，系统设计时步进电机的驱动脉冲频率不能设计的太高，电机的机械负载不能太重。
2.闭环控制
闭环控制则要采用光电编码器之类位置传感器将电动机的实际位置反馈给计算机，万一步进电动机失步，计算机发现电动机的实际位置没有达到给定值，就补发脉冲，直到电动机的实际位置和给定值一致或相当接近为止。
为了达到控制精度，并且作为实验平台需要体现出更多的控制方法，故选用闭环控制方式。
2.2.2控制电路选择
1）电子电路控制系统
驱动步进电机的脉冲信号由脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路提供，这种控制方式成本低，电路简单，稳定性好。
但扩展能力低，一旦需求改变，需要重新设计整个电路，功能单一。
适合不需要扩展的工业场合使用。
2）基于PLC的控制系统
PLC也叫可编程控制器，是一种应用于工业的逻辑控制器。
其通用性好，使用方便，硬件扩展性强。
可通过程序控制PLC输出脉冲控制步进电机运动，并由PLC内部的定时器控制输出脉冲频率以控制步进电机转速。
系统具有充分的可扩展性。
但由于PLC采用循环扫描方式，当不转速较高时，控制精度降低，并且由于PLC成较高，适合需求转速不高的大型工业场合。
3）基于单片机的控制系统
单片机控制步进电机，可以使用程序代替大部分电路功能，单片机输出脉冲，通过ULN2003升压控制步进电机，使用程序控制正转、反转、加速、减速、停止等功能。
采用单片机可以通过程序精确控制，避免失步。
用软件代替电路控制能提高系统的灵活性，并且通过单片机能建立显示功能，提高系统的交互性。
以上优点，本次设计采用基于单片机的控制系统。
2.2.3单片机控制信号方式选择
1）串行控制方式
串行控制中，微机与步进电动机的功率接口之间只要两条控制线：
一条用以发送走步脉冲串（CP），另一条用以发送控制旋转方向的电平信号。
串行通信方式信号流程图如下：
图2-2
脉冲分配器的作用是将单路脉冲转换成多相循环变化的脉冲。
它有一路输入，多路输出。
随着一个个脉冲的输入，各路输出电压轮流变高和变低
利用单片机的P1.1输出方向电平，P1.0输出走步触发脉冲。
产生走步脉冲只要先对P1.0进行清零，过一会儿再进行一次置位就可以了。
由于任何脉冲分配器对触发脉冲的最小脉宽都有一定的要求，所以在清零和置位之间插入的延时时间应有适当的长度。
2并行控制
在并行控制中，微机通过数条并行口线，直接发出多相脉冲波信号，再通过功率放大后，送入步进电动机的各相绕组。
这样就不再需要脉冲分配器。
脉冲分配器的功能可以由微机用纯软件的方法实现，也可以用软件和硬件结合的方法实现
图2-3
串行控制的优点在于节省控制器资源，但成本较高，并行行控制方式占用控制器资源较多，但不需要外接脉冲分配器，成本较低且外部电路简单。
综合考虑本系统采用并行输出方式。
2.2.4外围设备方案选择
1）显示设备选择
显示设备为控制系统对用户输出信息的重要途径，单片机的显示系统通常使用数码管（LED）和液晶屏（LCD），下面会讨论两者的优缺点。
由半导体发光二极管组成的数码显示器（简称LED）是最常用的输出显示设备。
它以价廉、可靠、耐用，对电流、电压要求低等优点，在计算机应用系统中获得广泛的应用。
LED在脉冲工作状态下亮度较强，一般每秒可导通100—500次，每段发光二极管需要串接限流电阻，改变阻值可调亮度。
单片机系统中LED为最常用的显示输出手段。
LCD液晶显示模块可以显示汉字、数字、图形等用户需要的大多数输出形式，但成本高，消耗控制器资源较多，需要编写复杂的驱动程序。
虽然LED成本低，使用方便，但由于本系统需要用汉字显示步进电机运动状态，故选用LCD作为显示设备。
2.2.5键盘的选择
键盘选择方案有：
矩阵式按键，独立式按键。
矩阵键盘由行线和列线组成，按键设置在行、列线交点上，行列线分别接在按键开关两端，行线通过上拉电阻接到+5V电源上。
平时按键无动作时，行线处于高电平状态，当键被按下时行线电平状态由与此行线相连的列电平决定，因此各键之间彼此相互发生影响，所以必须将行列信号配合起来做适当的处理，才能确定闭合键的位置。
而按键采用扫描识别方法：
先将行线全部置0，当有键盘按下时，该列信号被拉至低电平。
可判断有键盘按下，再依次给行信号送低电平，查看所有列信号，记录为0的那里，行列交叉点即为键盘位置。
据此分析，很容易得出矩阵键盘的识别方法，分两步进行：
第一步，识别键盘有无键被按下，第二步，如果有键被按下，识别该建的位置。
独立式按键就是各按键相互独立每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。
因此，通过检测输入线的电平可以很容易判断哪个按键被按下了。
独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。
但每个按键需要占用一根输入线，在按键数量较大时，将占用较多输入口，电路结构就显得复杂。
故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。
由于本系统需要的按键较多，且需要扩展空间，所以选择矩阵式按键。
第三章系统硬件设计
3.1系统框图
图3-1
系统工作流程：
用键盘选择步进电机的工作模式，然后读取光电编码器测得电机转子当前位置，经过74LS165将并行信号转成串行信号反馈给单片机，经过单片机处理，发送步进电机驱动信号,经过ULN2003芯片驱动步进电机。
并在LCD上显示步进电机工作状态、转速等信息。
步进电机转动位置由光电编码器检测得到。
3.2硬件选择与设计
3.2.1控制器选择
本方案选择单片机作为控制器，单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。
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