步进电机控制系统的设计

东 北 石 油 大 学 课 程 设 计课 程 单片机课程设计 题 目 步进电机控制系统的设计 院 系 电气信息工程学院测控系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 刘霞 张岩 步进电机控制系统的设计12012 年 3 月 19 日步进电机控制系统的设计1东北石油大学课程设计任务书课程 单片机课程设计 题目 步进电机控制系统的设计 专业 测控技术与仪器 姓名 学号 一、任务设计一款基于 AT89C51 单片机的步进电机控制系统，实现对步进电机转速、方向控制。二、设计要求1 采用 AT89C51 单片机，完成对步进电机转速、方向控制的设计方案。2 写出详细的设计报告。3 给出电路原理图和软件程序源代码清单。三、参考资料1 张家生.电机原理与拖动基础M.北京：北京邮电大学出版社，2006. 2 马淑华，王凤文，张美金.单片机原理与接口技术M. 北京：北京邮电大学出版社，2007.3 顾德英，张健，马淑华.计算机控制技术M.北京：北京邮电大学出版社，2006.4 华成英，童诗白 .模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2008.5 张靖武，周灵彬.单片机系统的 PROTEUS 设计与仿真M. 北京：电子工业出版社，2007.完成期限 2012.3.19 至 2012.3.30 指导教师 刘霞 张岩 专业负责人 曹广华 2012 年 3 月 18 日步进电机控制系统的设计2目录第 1 章 绪论 .11.1 引言 .11.2 步进电机及其发展 .11.3 研究的内容 .2第 2 章 总体方案论证与设计 .32.1 步进电机原理及控制技术 .32.2 方案论证 .52.3 总体硬件组成框图 .52.4 元器件介绍 .6第 3 章 系统硬件设计 .93.2 最小系统 .103.3 驱动电路 .103.4 显示电路 .113.5 总体电路图 .12第 4 章 系统的软件设计 .134.1 主程序设计 .134.2 定时中断设计 .144.3 外部中断设计 .15第 5 章 系统调试与测试结果分析 .175.1 软件调试记录 .175.2 硬件调试记录 .17结 论 .18参考文献 .19附录 1 程序 .20附录 2 仿真效果图 .23步进电机控制系统的设计1第 1 章 绪论1.1 引言单片机是现代电子技术、计算机技术的新兴领域，以单片机为代表的嵌入式系统的出现标志着现代电子系统时代的到来。采用嵌入式系统集成器件，将电子系统的设计从单纯的硬件设计变为智能化的硬、软件设计，从而使现代电子系统软硬结合，具有智能化、系统功能，具有柔韧性及激励-运行-响应等特点。目前，单片机的价格己很低廉，这使得单片机的应用更为广泛，因此就有可能比较普遍地应用微机来控制各类电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制，例如在适当的时刻让小型电动机起动、制动或反转之类，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电动机的动作。至于复杂的控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。例如传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电动机的调速性能很好，但带有机械换向器。有机械磨损及换向火花等问题，交流电动机，不论是异步电动机还是同步电动机，结构都比直流电动机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而又经济地调节。交流电机采用正弦脉宽调制方式进行变频调速是比较理想的，但若要用普通的模拟电路或数电路完成这一任务，电路相当复杂，用微机控制就简单多了。若要进一步提高调速精度及动态性能，可采用矢量控制方案，它的调速性能将与直流电动机相当。但矢量控制比较复杂，用传统的模拟电路或数电路很难做到，而应用微机控制则能方便地实现。1.2 步进电机及其发展步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为 Stepmotor 或 Stepping motor， Pulse motor，Stepper servo，Stepper 等等。目前，随着电子技术拉制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。这是机电一体化元件组件的必然趋势。就传统的步进电机来说，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里而静止的电动机。从广义上讲，步进电机是一种受电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步进电机控制系统的设计2脉冲频率同步的同步电机。步进电机的机理是基于基本的电磁铁作用，其原始模型起源于 1830 年至 1860 年间。1870 年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氮弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。不久又在缺乏交流电源的船泊和飞机等独立系统中广泛应用。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，步进电机迅速地发展并成熟起来，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。传统的步进电机一般可分为永磁式步进电机(PM Step Motor)，反应式步进电机(VR Step Motor)和混合式步进电机(Hybrid Step Motor )三种。永磁式步进电机类似于永磁转子的同步电机，转子上安装有永磁体，但定子一般为集中式绕组。反应式步进电机靠变磁阻原理运行，没有永磁体。混合式步进电机最初是作为一种低速驱动用的交流同步电机而设计的，后来发现如果各相绕组通以直流脉冲，这种电机也能步进运动。它的转子嵌有轴向充磁磁钢，主要依靠定转子磁场相互作用产生转矩，由于它特殊的结构，它的步距角远小于永磁式步进电机，也可看成是一种极对数很多的永磁式转子同步电机。我国步进电机的研究及制造始于本世纪 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。自本世纪中叶，步进电机的应用渗进到数控制的各个领域，尤其在（数控）机械中广泛利用其开环拉制的特点。近十几年来，步进电机在 FA 机器(Factory Automation)和计算机外部设备等领域作为控制用电动机和驱动用电动机而广泛使用。1.3 研究的内容本论文研究的是反应式步进电动机驱动控制系统，以 MCS-51 系列单片机8951 为核心控制器，采用分频和频率选择控制电机速度，采用细分驱动控制方式，选用 8713 脉冲分配器，它可以驱动三相、四相反应式步进电动机。本设计内容主要是基于单片机的反应式步进电动机驱动控制系统硬件设计，包括控制部分硬件设计、驱动部分硬件设计、电源供电部分的设计和系统软件部分设计。步进电机控制系统的设计3第 2 章 总体方案论证与设计2.1步进电机原理及控制技术由于步进电机是一种将电脉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，而必须使用专业设备步进电机控制驱动器，典型步进电机控制系统如图 2-1 所示：图 2-1 步进电机运行过程中频率变化曲线控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍 3 种，其基本原理如下：1换相顺序的控制通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式下，其各相通电顺序为 ABCA，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A、B、C 相的通断。三相双三拍的通电顺序为 ABBCCAAB ，三相六拍的通电顺序为 AABBBCCCAA 。 2步进电机的换向控制步进电机控制系统的设计4如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍，即 AABBBCCCAA。如果按反序通电换相，即AACCCBBBAA，则电机就反转。其他方式情况类似。 3步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。 4步进电机的起停控制步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。 5步进电机的加减速控制在步进电机控制系统中，通过实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于惯性跟不上电信号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。所有步进电机在启动时，必须有加速过程，在停止时波形有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率” ，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，有了这些数据，才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程有突然施加的脉冲启动频率f0。步进电机的最高启动频率（突跳频率）一般为 0.1KHz 到 34KHz，而最高运行频率则可以达到 N*102KHz，以超过最高启动频率的频率直接启动，会产生堵转和失步的现象。 在一般的应用中，经过大量实践和反复验证，频率如按直线上升或下降，控制效果就可以满足常规的应用要求。用 PLC 实现步进电机的加 P 减速控制，实践上就是控制发脉冲的频率。加速时，使脉冲频率增高，减速则相反。如果使用定时器来控制电机的速度，加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。速度从 v1v2 变化，如果是线性增加，则按给定的斜率加 P 减速；如果是突变，则按阶梯加速处理。在此过程中要处理好两个问题： (1)速度转换时间应尽量短。为了缩短速度转换的时间，可以采用建立数据表的方法。结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率，就可以建立一个连续的数据表，并通过转换程序将其转换为定时初始表。通过在不同的阶段调用相应的定时初值，就可控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的，步进电机控制系统的设计5并不占用中断时间，保证电机的高速运行。 (2)保证控制速度的精确性。要从一个速度准确达到另一个速度，就要建立一个校验机制，以防超过或未达到所需速度。 6步进电机的换向控制 步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内在换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速换向加速 3 个过程。 步进电机有如下特点： (1)步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。 (2)由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，也非常可靠。同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 (3)步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 (4)速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，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，它不能直接用交流电源或直流电源。 (6)步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强。 2.2方案论证从该系统的设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向，速度应该有增减 变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要 2 根口线，再加上一根方向线盒一根启动信号线共需要 4 根输入线。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。这里选进电机，该电机共有四相绕组，工作电压为+5V，可以个单片机共用一个电源。步进电机的四相绕组用 P1 口的 P1.0P1.3 控制，由于 P1 口驱动能力不够，因而用一片 2803 增加驱动能力。用 P0 口控制第一数码管用于显示正反转，用 P2 口控制第二个数码管用于显示转速等级。数码管采用共阳的。 2.3总体硬件组成框图总体硬件组成框图如图 2-2 所示。步进电机控制系统的设计6AT89C51单片机状态显示电路电源及时钟电路复位电路键盘控制电路ULN2803启动电路步进电机图 2-2 总体硬件组成框图2.4元器件介绍1步进电机 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信