基于MCS51单片机的步进电机驱动器.docx

1、基于MCS51单片机的步进电机驱动器 编号: 毕业论文(设计)题 目 基于MCS-51单片机的步进电机控制器指导教师 孙秀云 学生姓名 张恒凯 学 号 200411702076 专 业 自动化 教学单位 德州学院机电工程系 （盖章） 二OO八年五月二十三日德州学院毕业论文（设计）开题报告书2008年03月10日院（系）机电工程系专 业自动化姓 名张恒凯学 号200411702076论文（设计）题目基于MCS-51单片机的步进电机控制器一、选题目的和意义步进电机是电机家族中近年来发展较快、具有广阔应用前景的重要一员，它能将输入的电脉冲信号转换成相应的微步直线运动。步进电机是旋转步进电机电磁拓扑的

2、变种，由于省去了旋转类步进电机必需的丝杠和链条等机械转换装置，结构大为简化，在需要直线驱动的场合从定位精度、工作效率和能源节约等方面显示出愈来愈明显的优势。随着微机技术和集成电路的发展、步进电机本体的日臻完善、驱动控制技术的不断提高以及直线运动应用领域的逐渐增多,步进电机正朝着其它电机驱动装置不能满足和使用旋转电机有困难的领域发展，步进电机的发展前景将更加广阔。二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势在电气时代的今天,电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产还是在日常生活中的家用电器,都大量地使用着各种各样的电动机。因此对电动机的控制变得越来越重要了。电动机的控制技

3、术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了翻天覆地的变化。其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制。国内，许多高校、业内人员也对步进电机驱动系统的控制系统进行了研究，并取得了很大的进展，单片机的应用使电器控制技术发生了根本的变化。随着我国电脑工业的发展,步进电机驱动系统已逐步国产化,我国许多科研生产单位都投入到开发生产的行列。三、课题设计方案 主要说明：研究（设计）的基本内容、观点及拟采取的研究途径和方法。 课题研究的基本内容：a)驱动系统总体方案

4、设计及选用；b) 单片机的选用与设计；c)驱动方案的选择；d) 键盘与显示的硬件连接与功能设定；e）其他辅助器件的设计。传统的步进电机系统，通常的做法是：事先确定好模拟信号，由操作人员控制进程。本设计用单片机控制的步进电机驱动系统。在系统的设计中，主要使用了单片机简便、高效的有点，电机驱动系统的设计中，使用了细分驱动控制技术,选用MCS-51单片机，SH-2H057M型驱动器以及光电脉冲发生器等设备。利用驱动器对单片机信号的功率放大作用，将单片机的信号传递到步进电机。该系统成本低，功能使用适用，且留有扩展余地。四、计划进度安排 主要说明：起止时间及分阶段的进度要求。起止时间：2008年02月2

5、5日2008年5月14日进度安排：2008年02月25日2008年3月15日： 开始着手准备开题的有关资料，有不懂的问题经常和指导老师联系请教。 2008年03月16日2008年03月20日： 完成开题报告，在指导老师指导下进一步修改完善。 2008年3月21日2008年03月25日： 开始整篇论文的设计工作，经过多方面查找资料，确定整篇论文的设计思路，并制定出设计方案。20 2008年03月26日2008年03月31日： 按照设计方案进行硬件的设计。21 2008年04月01日2008年04月06日： 按照设计要求编写软件程序。 2008年04月07日2008年4月20日： 开始整篇论文的设

6、计整理以及论文细节上的充实、修改与完善。 2008年04月21日2008年05月14日：根据指导老师提出的定稿意见做最后的完善，检查论文的格式和文字等细节，按照论文的统一格式排版并将最终的论文定稿打印、装订，同时提交论文的电子版给老师，参加论文答辩。（不用写这么满吧）五、主要参考文献1 李玲娟，多细分二相混合式步进电机驱动器的研制，2007.5232 章烈剽，基于单片机的高精度步进电机控制研究，2007.09103 黄俊，王兆安.电力电子技术M.北京:机械工业出版社，2003.1101234 王幸之.单片机应用系统抗千扰技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2000.1461695 张毅刚.单

7、片机原理及应用M.高等教育出版社，2006.159178指导教师意见及建议： 签名： 年 月 日教学单位领导小组审批意见： 组长签名： 年 月 日德州学院毕业论文（设计）中期检查表院(系)：机电工程系 专业： 自动化 2008年 04月 07日毕业论文（设计）题目：基于MCS-51单片机的步进电机控制器学生姓名张恒凯学 号200411702076指导教师孙秀云职 称讲 师计划完成时间：2008年5月14日 毕业论文（设计）的进度计划：2008年02月25日2008年03月15日，开始着手准备开题的有关资料，有不懂 问题经常和指导老师联系指教。 2008年03月16日2008年03月20日，完成

8、开题报告，在指导老师指导下进一 步修改完善。2008年03月21日2008年03月25日，开始整篇论文的设计工作，经过多方面 查找资料，确定整篇论文的设计思路，并制定出设计方案。2008年03月26日2008年03月31日，按照设计方案进行硬件的设计。2008年04月1日2008年04月06日，按照设计要求编写软件程序。2008年04月07日2008年04月20日开始整篇论文的设计整理以及论文细节上的充实、修改与完善。2008年04月21日2008年05月10日根据指导老师提出的定稿意见做最后的完善，检查论文的格式和文字等细节，按照论文的统一格式排版并将最终的论文定稿打印、装订，同时提交论文的

9、电子版给老师，参加论文答辩。完成情况：2008年3月中旬，通过这一阶段收集、阅读、分析资料和文献，在指导老师的帮助下完成论文的开题报告，经过进一步的收集、分析资料，理顺了思路，依据评阅后的开题报告，于2008年4月中旬撰写论文初稿，根据导师提出的论文修改和完善意见，对论文做了进一步的充实、修改与完善。指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页） 签 名： 年 月 日备 注：目 录摘要 01引言 12步进电机的运行原理 12.1 步进电机的一些基本参数 22.2 步进电机的一些特点 23 驱动原理与驱动方案的选择 33.1 常用的步进电机驱动控制方法 33.2 驱动方案的选择 44控制

10、系统硬件 54.1 硬件连接原理 54.2 单片机的选择 54.3步进电机驱动器的选择 74.4 过流保护电路 134.5 键盘和显示电路 144.6 光电脉冲发生器 155 控制系统软件 155.1 软件设计总体方案 155.2系统主程序 165.3 匀速子程序 175.4 键盘/显示子程序 186结论及建议 19参考文献 20谢 辞 21基于单片机的步进电机控制器 张恒凯（德州学院机电工程系，山东德州 253023）摘要：本文介绍了基于MCS-51单片机的步进电机控制系统的设计，现代化的工业步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，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

11、目的，针对步进电机的特点，应用单片机控制，达到转速控制的效果。关键词： MCS-51单片机；步进电机；转速控制1引言步进电机又称脉冲电动机，是数字控制的一种执行元件。它是随着计算机控制系统发展而发展起来的，利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者线位移的电动机。步进电机驱动器是其控制系统中的一部分。而步进电机与它的驱动器是一个整体的不可分割的两部分，统称为“步进电动机单元”。因而步进电机与驱动器关系密切。晶体管技术的应用，使驱动器向小型化前进了一步。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

12、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，比如从硬件上要能实现电机的位置控制、速度控制，从软件上配有功能完备的控制软件，具有完善的运动轨迹插补功能和软件控制功能且能方便地与机床、机器人等设备联接，能迅速地建立高层应用程序与设备之间的控制以及测试数据交换等。综合考虑步进电机各种驱动控制技术的利弊，结合步进电机的工作特点，功率放大是步进电机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

13、量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的驱动方式，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。独立自行开发步进电机的驱动器即功率放大单元很难达到比较理想的要求，我们选用了合适的步进电机和配套的步进电机驱动器模块。这样一来，对步进电机的控制就变得非常简单了。2步进电机的运行原理 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，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

14、速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差-精度为100%的特点，广泛应用于各种开环控制。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或15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，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而五相步进角一般为0.72

15、。这种步进电机的应用最为广泛,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。2.1 步进电机的一些基本参数电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8(表示半步工作时为0.9 整步工作时为1.8)这个步距角可以称之为“电机固有步距角”它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.7

16、2。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 保持转矩： 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。 由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。2.2 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

17、积。2.步进电机外表允许的最高温度。3.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130以上，有的甚至高达200以上，所以步进电机外表温度在80-90完全正常。4.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。5.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。6.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

18、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。 本课题选择23HS2003两相步进电机，其性能指标如表1所示：表1 23HS2003性能指标型号相数步距角相电流驱动电压最大静转矩相电阻相电感重量空载启动转速配套驱动器23HS20032

19、1.83DC（24V-40V）0.88Nm2.03.4mH0.65kg 450转/分SH-2H057M3 驱动原理与驱动方案的选择3.1 常用的步进电机驱动控制方法 直线步进电机是典型的机电一体化元件。直线步进电机本体、直线步进电机驱动器和控制器是构成直线步进电机系统不可分割的三大部分。当直线步进电机本体确定后，系统的性能主要取决于驱动控制器的优劣。驱动控制原理：直线步进电机受脉冲信号控制，接收到一个脉冲控制信号，就改变一次励磁状态，驱动器按设定方向驱动电机走一个固定步距。脉冲输入越多，走过的步距越多，即走的距离越长；输入脉冲频率越高，速度越快；励磁状态改变的顺序不同，电机运行的方向就不同。因

20、此通过控制脉冲有无，可控制电机的启动、停止；通过控制脉冲个数可控制电机位移量，达到准确定位的目的；通过控制脉冲频率可控制直线步进电机的速度，达到调速的目的；通过控制励磁状态改变的顺序，可控制电机的运行方向。常用的驱动控制技术主要有以下四种：(1)常规驱动主要指单电压串电阻驱动、双电压驱动和高低压驱动。主要通过串电阻和提高启动电压等简单方法使绕组导通电流上升的前端变陡，改善电机高频特性，提高电机的高频响应。主要优点是：电路简单、成本低。缺点是：能量消耗大，电机低频运行不平稳，噪声较大，控制精度不够高。(2)恒流斩波驱动技术恒流斩波驱动控制技术采用脉冲调制(PWM)等方式，使相绕组电流基本保持恒定

21、。优点是：能够保证电机牵出转矩的平均值基本恒定。同时，电机的高频响应得以提高，共振现象减弱。不足是：不能解决步进电机本身所固有的低频振动问题。(3)细分驱动控制技术细分驱动也称微步驱动。其基本思想是：在每次输入脉冲切换时，不将相绕组电流全部通入或切除，而只改变相应绕组中额定电流的一部分，这样电机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行角度也只有步距角的一部分。利用电流控制技术可以实现步进电动机的微步驱动，提高步进电动机系统分辨率和运行平稳性，解决低频振动问题，进一步改善系统的牵出特性。(4)加减速升降频控制技术加减速升降频控制是指步进电机以较低的速度启动，通过逐渐加速达到较高工作速度，

22、然后稳定运行，停止时逐渐减速到较低速度，然后以低速停止。目的是：避免因失步无法启动或启动时失步，停止时过冲。此外，对于要求高的场合需采用有位置、速度反馈的闭环控制，但成本较高。3.2 驱动方案的选择综合考虑步进电机各种驱动控制技术的利弊，结合步进电机的工作特点，功率放大是步进电机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。独立自行

23、开发步进电机的驱动器即功率放大单元很难达到比较理想的要求，我们选用了合适的步进电机和配套的步进电机驱动器模块。这样一来，对步进电机的控制就变得非常简单了。4控制系统硬件4.1 系统总体结构PG图1 硬件组成图本系统总体结构如图1所示，其中键盘用于步进电机运行方式和参数的设定，显示器配合键盘显示设定内容或当前的工作状态、转速等内容，电源给各部分电路提供所需电压，保护电路实现对步进电机和驱动器的保护，控制单元通过执行程序控制各部分完成相应功能。4.2 单片机的选择 单片机以其体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等优点，在各个领域都获得了广泛的应用，在我国，近几年单片机也得到了广泛的应用特别是在工业

24、控制、智能仪表等方面。而其中MCS-51系列单片机更是以抗干扰能力强、对环境要求不高、灵活性强以及即使非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统等这些别的系统所不具备的优点获得了更好的应用。故在本次设计中采用了80C51单片机。其主要包括：1、中央处理器（CPU）2、内部数据存储器（内部RAM）外时钟源 外部事件计数 程序存储器8KB ROM可编程全双工串行口可编程I/O64KB总线扩展控制线216位定时器/计数器数据存储器256B RAM/SFRTMP87P809N振荡器和时序 外中断 控制 并行口 串行通信图2 单片机系统图3、内

25、部程序存储器（内部ROM）4、定时器/计数器5、并行I/O口 6、串行口7、时钟电路8、中断系统9、外接晶体引脚10、复位RST91011TXD30ALE/P29PSEN16WR17RD28P2.727P2.626P2.525P2.424P2.323P2.222P2.121P2.032P0.733P0.634P0.535P0.436P0.337P0.238P0.139P0.087P1.66P1.55P1.44P1.33P1.22P1.11P1.015T114T013INT112INT09RESET18X219X131EA/VP图3 80C51引脚图4.3步进电机驱动器的选择步进电机是一种将电脉

26、冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备一步进电机控制驱动系统。典型步进电机控制驱动系统如图4所示。CP=0V方向控制图4 典型步进电机控制驱动系统框图对于驱动器，根据其所驱动的电机确定输入电源电压、输出电流模式、励磁方式及调整输出电流的大小。在步进电机的控制中，大部分的驱动器都采用单脉冲控制模式，即方向模式，所以所有的驱动器需要输入脉冲信号和方向信号。在脉冲加方向信号的控制下输出步进电机正常运转所需的脉冲。步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步进角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差(精度为100%)，所以广泛用

27、于各种开环控制。步进电机接受脉冲信号，每来一个脉冲，步进电机就走一步，它的运行要有步进电机驱动器来进行驱动，驱动器把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，也就是说，控制系统每发出一个脉冲信号，通过驱动器就是步进电机旋转一个步距角，因此步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。步进电机的工作是通过对驱动器的控制来实现的。驱动器是把计算机系统提供的弱电信号放大为步进电机能够接受的强电信号。控制系统提供给驱动器的信号主要有以下两路：1)步进脉冲信号CP：这是最重要的一路信号，因为步进电机驱动器的原理就是要把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说驱动器每接受一个脉冲信号CP，就是驱动

28、步进电机旋转一个步距角，CP的频率和步进电机的旋转速度成正比，CP的脉冲个数决定了步进电机旋转的角度。这样，控制系统通过脉冲信号CP就可以达到电机调速和定位的目的。2)方向电平信号DIR：此信号决定电机的旋转方向。比如说，此信号为高电平时电机为顺时针旋转，此信号为低电平时电机则为反方向逆时针旋转。此种换向方式叫做单脉冲方式。另外还有一种双脉冲换向方式；驱动器接受两路脉冲信号(一般标注为CW和CCW )，当其中一路(如CW)有脉冲信号时，电机正向运行，当另一路(如CCW)有脉冲信号时，电机反向运行。本文选择与23HS2003两相步进电机相匹配的SH-2H057M型驱动器，图5为其外观图。 图54

29、.3.1 输入信号接口本驱动器的输入信号共有三路，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE。它们在驱动器内部分别通过270的限流电阻接入光耦的负输入端，且电路形式完全相同，见下图（图5）。OPTO端为三路信号的公共正端（三路光耦的正输入端），三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC是+5V则可直接接入；如果VCC不是+5V则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流，参见下图（图5）和下表（表1）。 图5 输入信号接口电路信号幅值外接限流电阻R5V不加12V68024V1.8K表1 外接限流电阻R1.步

30、进脉冲信号CP步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说：驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角，CP脉冲的频率改变则同时使步进电机的转速改变，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位。这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的。本驱动器的CP信号为低电平有效，要求CP信号的驱动电流为8-15mA，对CP的脉冲宽度也有一定的要求，一般不小于5S（参见图6）。CP=5V80C51图6 CP的脉冲宽度及高低电平方式2.方向电平信号DIR方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平时，电机一个转向；此端为低电平时，电机为另一个转向。电机换向必须在电机停止后再进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出。3.脱机电平信号FREE当驱动器上电后，步进电机处于锁定状态（未施加CP脉冲时）或运行状态（施加CP脉冲时），但用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，怎么办呢？这时可以用到此信号。当此信号起作用时（低电平有效），电机处于自由无力矩状态；当此信号为高电平或悬空不接时，取消脱机状态。此信号用户可选用，如果不需要此功能，此端