步进电机控制系统设计与实现毕业设计论文.doc

编号： （ ）字 号 本科生毕业设计 题目： 姓名： 学号： 班级： 步进电机控制系统设计与实现 xxx xxxxxxxx 电气工程与自动化 2006-4 班 中 国 矿 业 大 学 本科生毕业设 计 姓 名： xxx 学 号： x xx xx xx xx xx xx xx x 学 院： 信息与电气工程学院信息与电气工程学院 专 业： 电气工程与自动化电气工程与自动化 设计题目： 步进电机控制系统设计与实现步进电机控制系统设计与实现 专 题： 指导教师： xxx 职 称： 教授教授 2004 年 6 月 徐州 中国矿业大学毕业设计任务书 学院信电学院专业年级电气工程与自动化 2010-4 班学生姓名王晋凯 任务下达日期：任务下达日期： 2003 年年 12 月月 30 日日 毕业设计日期：毕业设计日期： 2003 年年 12 月月 30 日至日至 2004 年年 6 月月 10 日日 毕业设计题目：毕业设计题目： 步进电机控制系统设计与实现步进电机控制系统设计与实现 毕业设计专题题目：毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求：毕业设计主要内容和要求： 1. 弄清并理解关于步进电机的工作原理、分类及特点等基本知识； 2. 理解有关步进电机的控制技术，并提出自己针对步进电机的控制方案； 3. 利用 proteus 仿真环境，绘制基于 at89c51 单片机的步进电机控制系统硬件原理电路； 4. 利用 c 语言编制基于 at89c51 的步进电机控制软件，实现步进电机速度、方向、复位、 点动的计算机控制； 5. 搭建硬件电路，实现系统的功能； 6. 撰写论文。 院长签字： 指导教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书 指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容 的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及 建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决 实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总 体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩 答 辩 情 况 回 答 问 题 提 出 问 题 正 确 基 本 正 确 有 一 般 性 错 误 有 原 则 性 错 误 没 有 回 答 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩： 学院领导小组负责人： 年 月 日 摘摘 要要 步进电机又称为脉动电机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功能是将脉冲电信号 变换为相应的角位移或直线位移。步进电机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速； 能够快速启动、反转和制动。它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采 用微型计算机控制。步进电机与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优 点，在生产生活特别是精密控制领域获得了广泛的应用。 步进电机不可以直接连接交流电源或直流电源，只能通过脉冲电源驱动。使用单片机对 步进电机进行控制，能够自动并精确控制复杂的控制过程，使控制精度不受失步、震荡的影 响，接口电路的灵活性和通用性也大大提高，并且显示电路、键盘电路、复位电路等外围电 路可以很好的结合起来，系统交互性好。本次设计首先对步进电机和控制与驱动芯片的性能 做了一个细致的了解与认识，用单片机对步进电机进行正反转，加减速，复位和点动运行的 控制，在 proteus 仿真环境中进行仿真，调试成功后，再进行硬件电路的焊接在包板上实现， 将理论联系到实践。 关键字：步进电机；单片机；驱动芯片；仿真 abstract the pulse motor is also called a stepper motor , the control system is a digital actuator . its function is converted into an electric signal pulse corresponding angular displacement or linear displacement . stepper motor speed control can be in a wide range by varying the pulse frequency ; fast start , reverse and brake . it does not transform the digital pulse signal can be directly converted to angular displacement , it is suitable for the use of microcomputer control. stepper motor compared with other types of motor control with easy-to-open-loop accurate , error -free accumulation of advantages , such as , in particular, precise control of production and living areas to obtain a wide range of applications. stepper motor can not be directly connected to ac or dc power , can only be driven by a pulsed power supply . the use of single-chip stepper motor control, can automatically and precisely control the complex control process , the control accuracy is not out of step , the impact of the shock , the flexibility and versatility of the interface circuit is also greatly improved , and the display circuit , keyboard circuit, reset circuit and other peripheral circuits can be well combined, system interaction is good. the first design and performance of the stepper motor and drive control chip made a detailed understanding and knowledge , using scm stepper motor reversing control acceleration and deceleration, reset and single-step operation, in proteus simulation environment the simulation , debugging success , then the hardware circuit board soldered package implementation, will integrate theory into practice . keywords : stepper motor; microcontroller ; driver chip; simulation 目 录 1 绪论绪论1 1.1 课题背景及意义1 1.1.1 课题的目的和意义1 1.1.2 国内外对步进电机研究的现状、水平和发展趋势1 1.2 国内外较为常见的步进电机控制系统 .1 1.2.1 基于电子电路的步进电机控制系统1 1.2.2 基于 plc 的控制.2 1.2.3 基于单片机的步进电机控制3 13 论文研究的目的和内容 3 14 论文安排 4 2 元器件介绍元器件介绍5 2.1 步进电机5 2.1.1 步进电机的特点.5 2.1.2 步进电机的分类.5 2.1.3 步进电机的主要性能指标.6 2.1.4 步进电机的工作原理.7 2.1.5 本设计所选的步进电机.9 2.2 89c51 单片机.10 2.2.1 主要性能.10 2.2.2 at89c51 的定时器结构11 2.2.3 系统端口分配.14 2.3 l297 工作原理.14 2.4 l298 简介.17 2.5 本章小结17 3 硬件设计硬件设计18 3.1 l297 和 l298 组合电路18 3.2 方案设计18 3.3proteus电路仿真设计20 3.3.1 控制电路.20 3.3.2 驱动电路.21 3.3.3 显示模块.21 3.3.4 时钟与复位部分.22 3.3.5 总体电路图.22 3.4 proteus仿真结果.23 3.4.1 proteus 仿真步进电机正反转23 3.4.2 proteus 仿真步进电机加速24 3.4.3 proteus 仿真步进电机减速26 3.4.4 proteus 仿真步进电机单步运行28 3.4.5 proteus 仿真步进电机复位30 3.5 本章小结30 4 软件设计软件设计31 4.1 软件设计描述31 4.1.1 主程序的设计方案.31 4.1.2 定时中断设计.33 4.1.3 外部中断设计.33 4.2 源程序33 4.3 本章小结33 5 系统实现系统实现34 5.1 硬件电路的可行性实验 .34 5.2 硬件电路的焊接 .35 5.2.1 锡焊工具.35 5.2.2 锡焊条件.35 5.2.3 锡焊步骤.35 5.2.3 焊接自我检查.36 5.3 硬件调试38 5.4 本章小结 .38 6 总结与思考总结与思考.39 参考文献参考文献40 文献翻译文献翻译41 英文原文41 中文译文47 致致 谢谢53 附附 录录54 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 1 页 1 绪论 1.1 课题背景及意义 1.1.1 课题的目的和意义课题的目的和意义 步进电机在机电一体化中是一种非常重要的执行元件，其良好的伺服性能使得步进电机 在数控领域被广泛的应用，步进电机控制系统是控制步进电机运行的关键组成，它由步进电 机控制器、驱动器、系统软件等部件构成，步进电机的运行状态主要由步进电机控制系统来 实现。步进电机可在非常广的范围内通过改变脉冲频率来实现调速，它还可以快速启停、正 反转、自锁等，这使得步进电机组成的开环系统简单、廉价、可靠。所以，它被广泛地应用 于数控机床、绘图机、计算装置、自动记录仪、工人机器人、无损检测等系统和装置中。 步进电机与其控制驱动系统密不可分，当步进电机驱动器技术较为滞后时，就会使得步 进电机系统在接近工作频率时产生共振，在低速运行中平稳性差，在高速运行中快速响应能 力差，容易产生不同步现象，并且伴有震荡和较差的矩频特性，出现弊端。基于以上理论， 步进电机控制系统的设计就显得尤为重要。 1.1.2 国内外对步进电机研究的现状、国内外对步进电机研究的现状、水平水平和发展和发展趋势趋势 步进电机是数字控制系统的执行元件。随着计算机控制系统的发展，数字控制技术迅速 地崛起，步进电机的应用越来越广泛。步进电机是把电脉冲信号转换成相应角位移的执行元 件，它的驱动器是步进电机控制系统中的一部分，步进电机与其驱动器是一个不可分割的整 体，步进电机的运行与驱动器密切相关，随着晶体管技术的应用，使驱动器向小型化得到了 很大的发展。 驱动器技术在 20 世纪 70 年代进入鼎盛时期，步进电机与其相应的驱动器脱颖而出，如 日本的 emp 系列、美国的 m 系列、德国的 ibs/ibc 系列等。功放驱动元件除了用到晶体管 以外，还用到了晶闸管，电源线路采用两种不同电压等级的驱动器而不再是采用单一电压等 级的驱动器。 随着微电子和计算机技术的应用和发展，步进电机的需求量与日俱增，其驱动器也在日 新月异的发展完善和提高，驱动电路集成化也发展到了较高的技术水平。以美国为例，它生 产的步进电机驱动器体积小，在功能上可驱动较大的步进电机，且工作发热低，电机工作平 稳，可靠性高。驱动技术目前应用较多的有斩波驱动、升频生压驱动等。步进电机驱动技术 的一个有极具发展优势的方向是微步驱动技术，又称为步进电机细分驱动技术。 1.2 国内外较为常见的步进电机控制系统 在长期的步进电机发展过程中，涌现出了多种步进电机的控制方案。 1.2.1 基于电子电路的步进电机控制系统基于电子电路的步进电机控制系统 该方法采用电脉冲信号来控制步进电机，而电脉冲信号的相关变化（包括脉冲信号的产 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 2 页 生、分配和放大等）则主要通过电子元器件的动作来实现。鉴于脉冲控制信号通常只具备很 弱的驱动能力，因此系统中必须额外增加有功功率放大驱动电路。然后将步进电机、控制电 路以及功率放大驱动电路进行组合，就可以组成步进电机的驱动系统。整部系统可以划分为 三大主要部分，如图 1.1 所示。即： 1）脉冲信号的产生电路；2）脉冲信号的分配电路；3）实现功率放大功能的驱动电路。 图1.1 基于电子电路的控制系统 优点：优点： 这种控制方案的控制电路相对而言设计起来比较简单，通常来讲，大多数的步进电机任 务都可以完成。根据实际生产的需要，该控制方案既可实现开环控制，也可实现闭环控制。 当实现开环控制的时候，它的造价比较低，且设计起来非常简单，并且平稳性能很好，但是 该系统此时将无法完成高精度细分。使用闭环控制的时候，可以实现高精度细分及其无级调 速。闭环控制可以连续地通过直接或间接的方法检测到转子的位置及其速度，然后通过反馈 环节把检测到的信息进行反向输送并进行及时的处理，这时系统会自动给出脉冲链，通过控 制信号控制步进电机的每一步运转，即可实现只要控制策略是正确的，电机就不会发生失步 现象。 缺点：缺点： 该控制电路的脉冲输出频率及其脉冲输出数主要是通过使用一些大规模集成电路来进行 控制；方案可以实现的功能较少；一旦控制方案需要稍加改变，就必须进行重新设计，缺乏 必要的灵活性。 1.2.2 基于基于 plc 的控制的控制 plc 是一种工用计算机，俗称可编程控制器。它的优点是：通用性好、实用性强、硬件 配套齐全、编程简单易学和可靠性高。因此可以在自动控制系统中有着非常广泛的应用。 步进电机控制系统的组成有以下几个部分，即 plc、环形分配器和功率驱动电路。各部 分功能如下：plc 主要是为控制系统产生控制脉冲，调整控制脉冲频率的强弱即可改变步进 电机的转动速度，从而控制伺服机构的进给速度，而它所输出的方波脉冲则可以控制步进电 机的转角进给量而控制伺服机构的进给量；将 plc 输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序 分配到相应的绕组是环形脉冲分配器的主要功能，它主要有软件环形分配器和硬件环形分配 器两大类，软件环形分配器是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，硬件环 形分配器则是用硬件组成的环形分配器。相对而言，硬件环形分配器的结构比较复杂，但它 占用的 plc 资源较少，所以目前被用在多种芯片中，相对的，软件环形分配器则会占据较 多的 plc 资源，但是可以控制多相步进电机，比较适合用于大型生产线；步进电机功率驱 动电路的主要功能就是放大 plc 输出的控制脉冲，使驱动能力增强，从而驱动步进电机1。 脉冲控制器 环形分配器 驱 动 电 路 步 进 电 机 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 3 页 出于降低硬件成本的考虑，我们利用 plc 的定时器产生速度脉冲信号，再用软件产生 环形脉冲信号控制步进电机，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器。但这样的组成有一个 缺点，就是步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制，并且在速度较高时，相应的控 制精度会降低，这是因为 plc 的扫描周期通常为千分之几秒到百分之几秒，相应的频率就 能达到几百赫兹2。 1.2.3 基于单片机的步进电机控制基于单片机的步进电机控制 将步进电机用单片机进行控制时，可以使用软硬件相结合的控制方法。将环形分配器用 软件代替，即可实现对步进电机的最佳控制。步进电机的各相驱动电路是使用单片机接口进 行直接控制的。鉴于单片机具有非常强大的功能，我们还可以设计大量的外围控制电路，将 键盘作为外部中断源，对步进电机的一系列的功能进行设置，如正转、反转、档位、停止等； 利用单片机的软件编程完成脉冲分配，从而实现环形分配器的功能；使用中断和查询相结合 的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度 等状态3。 单片机控制的步进电机具有很多优点，以下简单地列写如下： （1）编程使用单片机软件，能够自动并精确控制复杂的控制过程，从而有效控制精度不受 失步、震荡的影响； （2）将环形分配器用软件代替，然后设定单片机，可以完成同一电路控制并驱动多相步进 电机的功能，使得接口电路的灵活性和通用性大大提高； （2） 单片机可以使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路很好的结合起来，使系统的 交互性得以提高，故采用单片机完成本次设计方案。 13 论文研究的目的和内容 本文的研究目的有两个：作为一个电气自动化学生，在日常学习过程中我总感觉到目前 的教材各种知识技术太过泾渭分明，无法把一些学过的课程知识点和实践活动有机结合起来， 所以我始终希望自己的毕业设计能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术等几 门课程综合起来，并着力于相应的生产实践；第二个目的就是运用自己所学习的知识致力于 完善步进电机的控制与设计，能亲自设计出来一套较简单、经济、实用的硬件系统，且适应 性强、操作方便、交互性强并且可靠性高的步进电机控制系统。出于以上两个目的，在毕业 设计的这半年多时间里，按照模块化的思想，完成了毕业设计的内容，完成了这篇论文。 整个论文的内容包括： 1. 弄清并理解关于步进电机的工作原理、分类及特点等基本知识； 2. 理解有关步进电机的控制技术，并提出自己针对步进电机的控制方案； 3. 利用 proteus 仿真环境，绘制基于 at89c51 单片机的步进电机控制系统硬件原理电 路； 4. 利用 c 语言编制基于 at89c51 的步进电机控制软件，实现步进电机速度、方向、点 动、复位的控制； 5. 搭建设计模型； 6. 撰写论文。 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 4 页 14 论文安排 本文开篇首先介绍了步进电机设计的背景及意义，然后介绍了步进电机的发展现状及趋 势，在此基础上，提出了自己的设计目的及论文任务。接着开始详细地介绍步进电机原理、 分类、控制技术及特点，然后对设计所用元器件，如 at89c51、l297、l298 等进行介绍， 最后用模块化思想对所要设计系统的硬件部分进行描述，最后对软件设计进行阐述，并得到 仿真结果，最后完成实物的焊接与调试。具体的安排如下： 第一章为绪论，介绍设计步进电机的背景及意义，进而介绍了步进电机的发展现状及其 趋势，又列举了步进电机的几种控制方案，并分析了各种方案的优势和不足，提出了自己的 设计目的和内容； 第二章是对步进电机和设计所需元器件的概述，步进电机的介绍主要包括步进电机的工 作原理、分类、特点，元器件则主要是 at89c51、l297、l298 等，为后面的硬件设计和软 件设计提供必须的理论基础； 第三章是硬件设计部分，首先提出框架，然后根据模块化思想对系统的控制电路、最小 系统、驱动电路、显示电路四大部分进行具体地描述； 第四章为软件设计部分，分别对主程序、定时中断、外部中断设计进行软件设计，通过 流程图及部分程序展现如何对步进电机进行控制的过程，包括中断的优先级等； 第五章是实物的焊接，整体功能的展现。 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 5 页 2 元器件介绍 2.1 步进电机 步进电机也叫脉冲电机，是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。其功能是将脉冲电 信号转换为相应的角位移或直线位移，即当步进驱动器接受到一个脉冲信号，它就驱动步进 电机按照设定的方向转动一个步进角。 步进电机的角位移量 或线位移量 s 与脉冲数 k 成正比；它的转速 n 与脉冲频率 f 成 正比。在负载范围内这些关系不随电源电压、负载大小、环境条件的变化而变化。可以通过 控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的；也可以通过控制脉冲频率来控制电机 转速和加速度，达到调速的目的。步进电机可以在开环系统中作为执行元件，使控制系统变 得简化。并且可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率加速减速；能够快速启动、反转和制动。 由于步进电机能直接接收数字量的输入，特别适合采用单片机来进行控制。 2.1.1 步进电机的特点步进电机的特点 1. 步进电机不积累误差，一般步进电机的精度为步进角的 3%5%； 2.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 摄氏度以上，有的甚至高达 200 摄氏度以上，所以步进电机外表温度在 80 摄 氏度到 90 摄氏度完全正常； 3.步进电机的调节域非常广，可以在很大范围内进行调节，这样一来，就可以保证在步 进电机转速很低的情况下，仍然可以获得非常大的转矩，因此，这个时候就可以在没有减速 器的情况下去直接的进行负载驱动23； 4. 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。当步进电机的转速若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机难以获得较大 转矩，超载时会失步。步进电机的力矩会随转速的升高而下降； 5.步进电机动态响应快，易于启动停止、正转反转和加速减速；带惯性载荷的能力强； 6.通常来讲，步进电机的开环控制系统主要是由步进电机和步进电机的驱动电路两大部 分组成的，不仅方便便宜，并且满足可靠性高的优点。同时，它也可以由一个角度反馈环节 构成闭环数控系统； 7.步进电机工作时，每相绕组按一定的规律轮流通电。步进电机的运行只能通过脉冲电 源驱动，不可以直接使用交流电源或者直流电源； 8.步进电机的可靠性很高，这是因为与普通电机相比较，步进电机没有电刷等，不至于 造成很大损耗，从而可以大幅度地去提高轴承的使用寿命； 9.能源利用率低，同等功率的电机，步进电机体积和重量大； 10.如果控制不当容易产生共振。 2.1.2 步进电机的分类步进电机的分类 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 6 页 步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（variable reluctance，vr） 、永磁式 （permanent magnet,pm）和混合式（hybrid stepping,hs） 。下面简要说明这三种类型的步进 电机。 1.反应式步进电机： 该种步进电机的定子上安有绕组，它的转子材料是软磁。此种步进电机具有很多的优点， 比如说，相对而言，它的结构简单、成本比较低，控制精度高，最小步距角可达 1.2 度；当 然，它也具有很多其他方面的缺点，比如说动态性能差、效率低且发热较为严重，这样一来 可靠性就难以得到必要的保证了。 2.永磁式步进电机： 顾名思义，永磁式步进电机的转子材料是由永磁材料制成的。此种步进电机有一个特点， 就是转子的极数和定子的极数是相同的。永磁式步进电机的优点是输出转矩很大，可以在没 有减速器的情况下驱动负载，并且动态性能也很好。它的缺点就是精度很差，无法实现高精 度控制，步距角通常为 15 度或者 7.5 度。 3.混合式步进电机： 混合电机就是反应式步进电机和永磁式步进电机的综合。具体来讲，就是定子有多相绕 组，转子是由永磁材料制成，为了提高控制的精确度，在转子和定子上安有许多个小齿。这 样一来，它就集合了永磁式和反应式的双重优点，也就是说它具有输出扭矩大，动力性能好， 步距角小的优点，但是，这也同样使得混合式步进电机的结构比较复杂，制造成本也比较高。 如果我们按照定子上的绕组来划分步进电机，则可以分为两相、三相和五相等系列的步进电 机。为了改变步进电机控制的精度和效果，我们可以给步进电机配置不同细分的驱动器。举 个例子来说，两相的混合式步进电机，这种电机的步距角大约是每步一点八度，假如我们给 该电机配置半步驱动器，那么步距角就会减少为 0.9 度，而配置细分驱动器时，它的步距角 可以达到 0.007 度每微步。 当然，在实际的生产生活中，往往由于一系列的影响因素，如摩擦力和制造精度等，实 际的控制精度达不到理想状态，实际精度会比较低一点。并且，由失调角产生的误差，采用 细分驱动并不能解决。 2.1.3 步进电机的步进电机的主要性能指标主要性能指标 1.步距角。步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次, 转子转 过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机 的步距角一般为。步距角越小，数控机床的控制精度越高； 2.矩角特性、最大静态转矩和启动转矩。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指 步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。最大静态转矩是指步进电机在规定通电相数 下矩角特性上的最大转矩值。启动转矩是能够使步进电机转动起来的最小转矩； 3.启动频率。空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最 高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。 空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率； 4.连续运行的最高工作频率。步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行 的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 7 页 了步进电机的最高转速； 5.加减速特性。步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率 到静止的加减速过程中, 定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动 到大于突跳频率的工作频率时, 变化速度必须逐渐上升; 同样, 从最高工作频率或高于突跳 频率的工作频率停止时, 变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不 能过小, 否则会出现失步或超步。 2.1.4 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 图2.1 反应式步进电机的结构示意图 以三相反应式步进电机为例。图 2.1 是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均 匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，联法如图所示。 下面介绍反应式步进电动机单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。所谓“三相”， 是指此步进电机具有三相定子绕组；“单”是指每次只有一相绕组通电；“三拍”指三次换 接为一个循环第四次换接重复第一次的情况。反应式步进电机的工作原理是利用了物理上的 “磁通总是力图使自己所通过的路径的磁阻最小“所产生的磁阻转矩，使电机一步步转动的。 一、单三拍通电方式的基本原理 当 a 相控制绕组通电，而 b 相和 c 相不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小的路径 的特点，所以转子齿 1 和 3 的轴线与定子 a 级轴线对齐。同理，当断开 a 相接通 b 相时， 转子便按顺指针方向转过 30，使转子齿 2 和齿 4 的轴线与定子 b 级轴线对齐。断开 b 相， 接通 c 相，则转子再转过 30，使转子齿 1 和 3 的轴线与 c 级轴线对齐。如此按 acba顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步一步地按顺时针方向连续转 动，如图 2.2 所示。 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 8 页 (a)a 相通电 (b) b 相通电 (c) c 相通电 图 2.2 单三拍通电方式时转子位置 其转速取决于输入的脉冲频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述电机通电 次序改为 abca则电机转向相反。 二、六拍通电方式的基本原理 三相六拍运行的供电方式是 aabbbccaca这时，每一循环换接 6 次， 总共有 6 种通电状态，这 6 种通电状态中有时只有一相绕组通电，有时有两相绕组同时通电。 图 2.3 表示按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形。 开始单独接通 a 相，转子齿 1 和 3 的轴线与定子 a 级轴线对齐，如图 2.3(a)所示。当 a 相和 b 相同时接通时，转子的位置应当兼顾到使 a、b 两对磁极所形成的两路磁通在气隙 中所遇到的磁阻同样程度地达到最小。这时，相邻两个 a、b 磁极与转子齿相作用的磁拉力 大小相等且方向相反，使转子处于平衡。按照这样原则，当 a 相通电后转到 a、b 两相同时 通电时，转子只能按顺时针方向转过 15，如图 2.3(b)所示。这时，a 级与 b 级对转子齿所 产生的磁拉力互相平衡。当断开 a 相使 b 相单独接通时，在磁拉力作用下继续按顺时针方 向转动，直到转子齿 2 和齿 4 的轴线与定子 b 级轴线对齐为止，如图 2.3(c)所示。这时，转 子又转过 15。依此类推，如果下面继续按照 bccaca的顺序换接，那么步进 电机就不断地按逆时针方向旋转，当接通顺序改为 aacccbbbaa时，步 进电机就反方向即按顺时针方向旋转4。 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 9 页 (a)a 相通电; (b)a、b 相通电; (c)b 相通电; (d)b、c 相通电 图 2.3 六拍通电方式时转子位置 三、双三拍通电方式的基本原理 三相双三拍的运行方式是按 abbccaab方式供电。这时，与单三拍运行时 一样，每一循环也得换接三次，总共有 3 种通电状态，但不同的是每次换接都同时有两相绕 组通电，如图 2.3(b)、(d)所示，步距角为 30。 因此一台步进电机可以采用不同的供电方式，步距角可以有两种不同数值，如上面这台 三相步进电机三拍运行时步距角为 30，六拍运行时为 15。 2.1.5 本设计所选的步进电机本设计所选的步进电机 混合式步进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。本设计所用的步进电机是的常州市运控电子有限公 司生产的 35bygh 1.8步进电机，它就是单极两相四线的步进电机。如图 2.4 所示： 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 10 页 图 2.4 步进电机 表 2.1 步进电机参数相关参数 步矩角精度：5%（整步，无负 载） 电阻精度在：10% 电感精度：20%环境温度：-10-+50 转轴径向跳动：0.02max转轴轴向跳动：0.08max 电流范围：0.160.8a力矩范围：0.62.8kg.cm 电压范围：2.612v电机极数：两相 步进电机机械尺寸和绕线图如图 2.5，2.6 所示 ： 图 2.5 步进电机机械尺寸图 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 11 页 图 2.6 步进电机绕线图 2.2 at89c51 单片机 at89c51 简介 at89c51 单片机是一种低功耗、低电压、高性能的 8 位单片机，它采用 cmos 和高密 度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与 mcs-51 兼容；片内的 flash rom 允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除 cpu 外，还包括 256 字节 ram，4 个 8 位并行 i/o 口，5 个中 断源，2 个中断优先级，2 个 16 位可编程定时 计数器，at89c51 单片机是一种功能强、 灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统 设计需要。 图2.7 at89c51的引脚排列 2.2.1 主要性能主要性能 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 12 页 主要性能如下56： 1与 mcs 一 5l 产品兼容； 2具有 2k 的可编程 flash rom； 3耐久性：1000 次写、擦除； 4276v 的电压操作范围； 5全静态操作：024mhz； 6两级加密程序存储器； 7128b*8 的内部 ram； 815 条可编程 io 引线； 9两个 16 位可编程定时器计数器； 105 个中断源； 11直接 led 驱动输出； 12片内模拟比较器； 13低功耗空载和掉电方式。 2.2.2 at89c51 的定时器结构的定时器结构 图 2.8 所示是 at89c51 的定时器的结构图。其中，我们可以看到有两个单芯片的 16 位定时器/计数器，也就是下图的定时器 t0 和定时器 t1。它们实际上是一个 16 位的加 1 计 数器。t0 是由两个 8 位的特殊功能寄存器 th0 和 tl0 所构成得; 而 t1 由 th1 和 tl1 构成。 下面简单介绍下引脚的功能。 图2.8 at89c51定时器结构 每个定时器都可以有许多种的设置方式。比如用软件定时工作方式或者是工作计数方式 以及其他的一些可控的、相对灵活的方式进行设置。以上所说的这些功能都是由特殊功能寄 存器 tmod 和 tcon 来进行控制的。 一、工作模式寄存器 tmod tmod 用于控制 t0 和 t1 的工作模式，tmod 不能位寻址，只能用字节传送方式设置 定时器的工作模式，低半字节设置 t0，高半字节设置 t1。 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 13 页 tmod 各位定义及具体意义如下图 2.9 所示。 图2.9tmod各位定义及具体的意义 1.gate 门控位 当设置 gate=0 时，无论 int0（或 int1）的电平是高电平还是低电平，只要软件将 tr0（或 tr1）设置为 1，就可以让计时器开始启动了。 而当把 gate 设置为 1 的时候，只有当把 int0（或 int1）的引脚设置为高电平时，再 用该软件将 tr0（或 tr1）设置为 1，才能启动定时器。 2.c/t计数器/定时器方式选择位 c/t=0，设置为定时方式。定时器计数 8051 片内脉冲，即对机器周期计数。 c/t=1，设置为计数方式。计数器的输入来自 t0（p3.4）或 t1（p3.5）端的外部脉冲。 3.m1 和 m0操作模式控制位 m1 和 m0 是操作模式控制位。它们位可形成四种编码，对应于四种模式， 00，10，01，11。 表2.2 m1和m0操作模式控制位 m1 m0 工作模式功能描述 0 0 模式 0 13 位计数器 0 1模式 1 16 位计数器 1 0模式 2自动再装入 8 位计数器 1 1 模式 3 定时器 0：分成二个 8 位计数器 定时器 1：停止计数 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 14 页 二、控制器寄存器 tcon tcon 除可字节寻址外，各位还可位寻址。系统复位时，tcon 的所有位被清 0。 tcon 各位定义及具体的意义归纳如图 2.10 所示。 图2.10 tcon各位定义及具体的意义 1.tf1（tcon.7) t1 溢出标志位 当 t1 溢出时，由硬件自动使中断触发器 tf1 置 1，并向 cpu 申请中断；当 cpu 响应 中断进入中断服务程序后，tf1 由硬件自动清 0。tf1 也可以用软件清 0。 2.tr1(tcon.6)t1 运行控制位 可通过软件置 1（tr1=1）或清 0（tr1=0）来启动或关闭 t1。在程序中用指令 “setb tr1”使 tr1 位置 1，定时器 t1 便开始计数。 3.tf0（tcon.5）-t0 溢出标志 其同 tf1 的功能和操作。 4.tr0(tcon.4)t0 运行控制位 其功能和操作情况同 tr1。 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 15 页 5.ie1，it1，ie0，it0（tcon.3tcon.0）外部中断 int1，int0 的中断请求和触发控 制位 三、定时器工作模式 本实验所搭模型中定时器工作在模式 2，模式 2 的逻辑电路结构如下图所示： 图2.11 t0（或t1）模式2结构8位计数器 该模式把 tl0(tl1)配置成一个可以自动重装载的 8 位定时器/计数器。 工作时，tl0 用作 8 位计数器，th0 用以保存初值。 tl0 计数溢出时，不仅使溢出中断标 志位 tf0 置 1，而且还自动把 th0 中的内容重新装载到 tl0 中。 在程序初始化时，tl0 和 th0 由软件赋予相同的初值。用于计数工作方式时，计数长度最 大为：28=256(个外部脉冲) 该模式可省去软件中重装常数的语句，并可产生相当精确的定时时间，适合于作串行口 波特率发生器。 计数工作过程：通过引脚 t0（p3.4）和t1（p3.5）的外部脉冲信号进行计数器的计数 控制。当由落下1-0产生的输入脉冲信号时计时器的值就会加 1。cpu检测到由一到零， 过渡的过程大约需要 2个机器周期，1/24的振荡频率为最大的计数频率。 2.2.3 系统端口分配系统端口分配 表 2.3 at89c51 端口分配 引脚功能 p0.0与 l297cw/相连，控制电机的正反转 ccw p0.1与 l297相连，时钟控制端 clock p1.0-p1.7与 lm016l 液晶显示器的 d0-d7 相连，完成步进电机运转情况的显示 p2.0与 lm016l 液晶显示器的 rs 相连，实现寄存器的选择 p2.1与 lm016l 液晶显示器的 rw 相连，实现读写信号的选择 p2.2与 lm016l 液晶显示器的使能端 e 相连，控制 lm016l 工作 p2.3连接电压源，控制步进电机的启动 p3.0与外部输入开关相连，实现步进电机的点动 p3.1与外部输入开关相连，实现步进电机的复位 p3.2与外部输入开关相连，实现步进电机的加速 p3.3与外部输入开关相连，实现步进电机的减速 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 16 页 p3.4与外部输入开关相连，实现步进电机的正转 p3.5与外部输入开关相连，实现步进电机的反转 2.3 l297 工作原理 l297 是意大利 sgs 半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能产生 4 相控制信号， 可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机。芯片内的 pwm 斩波器电路可在开关模 式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。该集成电路采用了 sgs 公司的模拟/数字兼 容的 i2l 技术，使用 5v 的电源电压，全部信号的连接都与 tfl/cmos 或集电极开路的晶体 管兼容。l297 的芯片引脚特别紧凑，采用双列直插 20 脚塑封封装，其引脚见图 2.12，内 部方框见图 2.13。 图2.12 l297引脚 图2.13 l297内部方框电路图 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 17 页 在图 2.13 所示的 l297 的内部方框图中。变换器是一个重要组成部分。变换器由一个三 倍计算器加某些组合逻辑电路组成，产生一个基本的八格雷码(顺序如图 2.14 所示)。由变换 器产生 4 个输出信号送给后面的输出逻辑部分，输出逻辑提供禁止和 斩波器功能所需的相 序。为了获得电动机良好的速度和转矩特性，相序信号是通过 2 个 pwm 斩波器控制电动 波器包含有一个比较器、一个触发器和一个外部检测电阻，如图 2.15 所示，晶片内部的通 用振荡器提供斩波频率脉冲。每个斩波器的触发器由振荡器的脉冲调节，当负载电流提高时 检测电阻上的电压相对提高，当电压达到 uref 时(uref 是根据峰值负载电流而定的)，将触发 器重置，切断输出，直至第二个振荡脉冲到来、此线路的输出(即触发器 q 输出)是一恒定速 率的 pwm 信号，l297 的 control 端的输入决定斩波器对相位线 a，b，c，d 或抑制线 inh1 和 inh2 起作用。control 为高电平时，对 a，b， c，d 有抑制作用；为低电平 时，则对抑制线 inh1 和 inh2 有抑制作用。 图2.14 l297 变换器换出的八步雷格码（顺时针旋转） 图 2.15 斩波器线路 l297 能产生单四拍、双四拍和四相八拍工作所需的适当相序。3 种方式的驱动相序都可 以很容易地根据变换器输出的格雷码的顺序产生，格雷码的顺序直接与四相八拍(半步方式) 符合 ，只要在脚 19 输入一高电平即可得到。其波形图如图 2.16 所示。 图2.16 四相八拍模式波形图 通过交替跳过在八步顺序中的状态就可以得到工作全步工作方式，此时需要在脚 19 接 一个低电平，前已述及根据变换器的状态可得到四拍或者双四拍 2 种工作模式，如图 2.17、2.18 所示。 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 18 页 图2.17 单四拍模式波形图 图2.18 双四拍模式波形图 2.4 l298 简介 l298n 为 sgs-thomson microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片( dual full-bridge driver)，内部包含 4 信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用 驱动器，可同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进电机，内含二个 h-bridge 的高电压、大电流双 全桥式驱动器，接收标准 ttl 逻辑准位信号，可驱动 46v、2a 以下的步进电机，且可以直接 透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的 io 端口来提供模拟时序信号，但在本 驱动电路中用 l297 来提供时序信号，节省了单片机 io 端口的使用。l298n 之接脚如图 2.19 所示，pin1 和 pin15 可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；outl、out2 、out3 和out4 用来接步进电机；input1 到 input4 输入控制电机的正反转；enable 则控制电机停转。 中国矿业大学 2014 届本科生毕业设计第 19 页 图 2.19 l298 引脚 2.5 本章小结 本章主要是对步进电机和设计所需元器件的概述，步进电机的介绍主要包括步进电机的 工作原理、分类、特点，元器件则主要是 89c51、l297、l298 等，对包括