步进电机毕业论文小型四相步进电机驱动.doc

微机原理与接口技术课程设计 题 目: 小型四相步进电机驱动 班 级: 机械类11206 姓 名: 同组者: 张文龙 任梦灵 黄运 陈志超 机械工程与自动化学院基于单片机的步进电机升降频控制摘 要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。由于步进电机是靠输入脉冲来控制其运转的，本文采用单片机来控制步进电机。单片机将各种功能部件集成在一块芯片上，可靠性和抗干扰能力比较强，其输出的高低电平易于实现对步进电机的控制。采用单片机控制既能减少硬件开销，也克服了硬件设计中一些元器件不能灵活变动和容易变值的缺点。大量实践证明，对于不同功率的步进电机，简单统一的直线升频技术，不能够让电机工作在最佳效率状态下，本设计采用程序控制的指数曲线升降频，能够方便地与不同电机的机械特性很好地适配，减少电机升降频所用的时间，提高生产效率。本次设计使用AT89C51单片机产生脉冲信号来控制35BY48S03型步进电机的运行。在升降频过程中，我们专门设计了一个数据区，这个数据区中的数据确定了电机在升降频过程中按指数曲线规律变化。我们改变电机时，只要根据电机的特性改变数据区的一些数据，即可使曲线很好的与电机适配。该方法能使电机以较高的效率运行。关键词：步进电机，单片机，升降频，步长 目录前言1第1章 步进电机简介31.1 步进电机工作原理及分类31.2 步进电机的各种指标术语41.2.1 静态指标术语41.2.2 动态指标及术语41.4 单片机控制步进电机的升降频6第2章 步进电机控制系统硬件电路92.1 单片机及其外围电路介绍92.1.1 CPU芯片92.1.2 控制键电路112.1.3 步进电机驱动电路122.2 步进电机控制系统硬件电路图13第3章 步进电机控制系统软件设计143.1 步进电机控制系统应用流程图143.1.1 主流程图143.1.2 升频流程图143.1.3 降频流程图153.1.4 走一步子程序流程图163.2 步进电机数据区设计163.3 程序源代码1924前言步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用 。上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。经过不断改良，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。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。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中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。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。本文第一章介绍了步进电机的一些基本知识，包括步进电机的分类，各种技术指标和步进电机的驱动简介，确定电机型号，介绍了如何用单片机控制步进电机的升降频，说明了用软件控制步进电机的优越性。第二章确定硬件电路方案。介绍了单片机最小系统，键盘电路及步进电机驱动电路，给出了整体控制系统的硬件电路图。第三章给出了软件设计的程序流程图，升频和降频数据区设计方法和详细的程序设计。大多控制系统中的步进电机升降速控制一般不考虑电机及负载的个性统一采用慢速直线升频，这样不仅使电机的转矩性能不能够很好的发挥，而且加长了步进电机的升降时间，降低了加工效率。本文采用软件控制的升降频方法，设置一数据区描述电机的升降曲线，利用数据区内容可以方便更改的特性，针对不同的电机和负载，调试出最适配的曲线。使步进电机在最短的时间内以较大的输出转矩升到设定的速度，从而提高加工效率。 第1章 步进电机简介1.1 步进电机工作原理及分类步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（即步进角）。您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；同时您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。步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器.步进电机的结构与步进电机所含的相数有关.步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛地用于工业机械的数字控制。从步进电机的矩-频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带动负载的能力越差。当启动频率较高时，启动时会造成失步，而停止时由于惯性作用又会发生过冲，所以在步进电机控制中必须要采取升降速控制措施。本文根据步进电机的动力学方程和矩-频特性曲线建立系统的数学模型，采用指数规律的升降速算法，对升降速的过程进行离散处理，用定时器控制发出脉冲的时间间隔，采用查表和计算相结合的方法实现了步进电机的升降速过程的控制。本设计采用以单片机为核心的系统对步进电机进行控制。常见的步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，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。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；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。这种步进电机的应用最为广泛3。此外，按照电机驱动架构又可分为单极性和双极性步进电机。 单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人混淆又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。双极性步进电机的驱动电路使用八颗晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的成本。双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。1.2 步进电机的各种指标术语常见步进电机的指标可分为: 静态指标术语和动态指标术语1.2.1 静态指标术语相数：产生不同对磁极N、S磁场的励磁线圈对数。常用m表示。电机相数不同，其步距角也不同。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，以三相电机为例，有三相三拍运行方式即AB-BC-CA-AB，三相六拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*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=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。1.2.2 动态指标及术语 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。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。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。1.3 步进电机驱动控制系统的组成负载脉冲信号信号分配功率放大步进电机使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如1-1所示：图1-1 步进电机驱动控制1.脉冲信号的产生脉冲信号一般由单片机或CPU产生，脉冲的数量决定旋转的总角度，脉冲的频率决定旋转的速度。一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。2.信号分配常见感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为AB-B-A-AB，步距角为1.8度；二相八拍为AB-B-B-A-A-AB，步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB，步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB，(步距角为0.9度）。3.功率放大功率放大是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、细分驱动等。步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如图1-2所示：图1-2 电压对力矩的影响 步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。本次设计选用35BY48S03型步进电机。35BY48S03型步进电机是一种永磁式步进电机，电机共有四组线圈，将COM端标识为C，只要AC、C、BC、C，轮流加电就能驱动步进电机运转。35BY48S03型步进电机主要参数如下： 步距角：7.5 相数：4 电压：12 V 电流：0.26A 电阻：47 最大静转距：180Nm 定位转距：65Nm转动惯量：2.5N有了这些参数，可以设计出控制电路.1.4 单片机控制步进电机的升降频一些控制简单或要求低成本的运动控制系统中，经常用步进电机做执行元件。步进电机在这种应用场合下最大的优势是：可以开环方式控制而无需反馈就能对位置和速度进行控制。但也正是因为负载位置对控制电路没有反馈，步进电机就必须正确响应每次励磁变化。如果励磁频率选择不当，电机不能够移到新的位置，那么实际的负载位置相对控制器所期待的位置出现永久误差，即发生失步现象或过冲现象。因此步进电机开环控制系统中，如何防止失步和过冲是开环控制系统能否正常运行的关键。步进电机作为执行元件的一个显著特点是速度启停能力，若符合不超过步进电机所提供的动态转矩值，就能迅速是步进电机启动或停止，一般步进电机的步进速度为1001000步/秒，如果步进电机是以逐渐加速到最大值然后逐渐减速到零的方式工作，其速度可增加到2-8倍，而不失步。在实际应用中，在大多数时候需要步进电机及负载的机械惯性以最优化的曲线升频和降频，即步进电机启动时，以低于相应频率Fe的速度运行，然后慢慢加速到一定速度后，就以此恒速运行，当快到终点时慢慢减速至Fe以下，直至停机并走完一定的步数。这样步进电机就可以很快的走完全程且不失步。失步和过冲现象分别出现在步进电机启动和停止的时候。一般情况下，系统的极限启动频率比较低，而要求的运行速度往往比较高。如果系统以要求的运行速度直接启动，因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动，轻则可能发生丢步，重则根本不能启动，产生堵转。系统运行起来以后，如果达到终点时立即停止发送脉冲串，令其立即停止，则由于系统惯性作用，电机转子会转过平衡位置，如果负载的惯性很大，会使步进电机转子转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置，并在该位置停下。实验表明，图1-3所示的指数曲线是步进电机最合理的升频曲线，最符合电机和负载的惯性规律。且步进电机在启动时，由于其静态惯性大，需以较小的加速升频，当电机转动越来越快时，其运动惯性逐渐增大，可以较大的加速度升频。如果我们简单的将其设计成直线，就不能使步进电机在最短的时间内升到最高的频率，且保证力矩最大。同理降频时应为反指数曲线。为实现步进电机的升降频，在系统设计中，一般采用硬件设计和软件设计，硬件使用积分电路和微分电路实现，其元件参数一经选定，曲线形状就固定不变，因为每个电机及其负载的机械特性不同，所以他不能最好地与所有的电机适配。而且随着系统使用的时间越来越长，元器件会发生变值，造成电机升降频在的阻尼。为克服硬件设计中这些不能灵活变动和元器件变值的特点，我们采用程序来实现升降频。软件控制比硬件来说，具有运行可靠，改动方便的特点，而且可以降低成本。针对不同电机的机械特性，我们专门设计了一个数据区，这个数据区中的数据即确定了指数曲线的形状，我们改变电机时，只要根据电机的特性改变数据区的一些数据，即可使曲线很好的与电机适配4。图1-3 步进电机升降频运行曲线第2章 步进电机控制系统硬件电路本文采用目前国内比较常用的单片机用与整个回路的控制，单片机选用51系列的AT89C51芯片，芯片及其外围时钟电路和复位电路组成单片机最小系统，按键SW1-SW4做为输入控制，ULN2003做为步进电机驱动器件。硬件电路总体框图:图2-1 硬件电路总体框图2.1 单片机及其外围电路介绍2.1.1 CPU芯片 AT89C51是主机板的核心，接收各部分信息并向各部发出命令，控制电机运行的各种工作状态。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，在本次设计中不需要外扩存储器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。目前，可用于MCS-51系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，所以ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，因其高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用， 成为在工业生产中必不可少的器件，而且在日常生活中发挥的作用也越来越大，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。单片机最小系统电路图如图2-2所示：图2-2 单片机最小系统电路图 管脚说明：P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。本次设计中，P0口作为键盘输入口。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。本次设计中，P1口作为脉冲输出口，与步进电机驱动电路相连接。RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。 VCC:供电电压。 GND:接地。 /VPP:当保持低电平时，选用外部程序存储（0000H-FFFFH），当端保持高电平时，用内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。1. AT89C51单片机的时钟电路：AT89C51单片机的时钟信通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。本设计由内部振荡方式产生。如图2-2中所示，在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)，就构成了内部振荡方式。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。两个电容器起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。当晶振频率的值为12MHZ时内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中应用较多。2. 单片机复位电路：当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由于电容的充电作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键后松开，也能使RST保持一段时间的高电平，从而实现通电时的自动复位操作，系统运行过程中的开关复位操作。2.1.2 控制键电路键盘是由若干按钮组成的开关矩阵，它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。按键是一种常开型按钮开关。由于按钮是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会有抖动，这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对计算机来说，则是完全能感应到的，因为计算机处理的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级，对计算机而言，这已是一个“漫长”的时间了。为使CPU能正确地读出输入口的状态，对每一次按钮只作一次响应，就必须考虑如何去除抖动，常用的去抖动的办法有两种：硬件办法和软件办法。单片机系统中常用软件法。就是在单片机获得P0口为低的信息后，不是立即认定按键已被按下，而是延时10毫秒或更长一些时间后再次检测P0口，如果仍为低，说明按键的确按下了，这实际上是避开了按钮按下时的抖动时间。按键与控制系统P0口键连接，其连接如下表：表2-1 P0口与控制键连接启动升频降频停止KW1KW2KW3KW4P0.0P0.1P0.2P0.2控制键电路图如图2-3所示：图2-3 控制键电路图2.1.3 步进电机驱动电路AT89C51控制电机运行的各种工作状态。但不能直接驱动步进电机，这需要由功率电路来扩展输出电流以满足被控元件的电流、电压。 ULN2003达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件。ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管成的驱动芯片。它是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时，ULN2003输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平。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芯片如图2-4所示：图2-4 ULN2003芯片ULN2003芯片输入端与控制系统P1口连接，其连接方式如表2-2所示：表2-2 ULN2003芯片输入端与控制系统P1口键连接P1.0P1.1P1.2P1.31B2B3B4BULN2003芯片输出端与步进电机连接，其连接如表2-3所示：表2-3 ULN2003芯片输出端与步进电机连接1C2C3C4CA+A-B+B-2.2 步进电机控制系统硬件电路图(见附录1)第3章 步进电机控制系统软件设计3.1 步进电机控制系统应用流程图3.1.1主流程图（见附录2）3.1.2 升频流程图图3-1升频流程图3.1.3降频流程图图3-2降频流程图本文以35BY48S03步进电机为例，首先根据步进电机的特性设计一个数据区，再编写程序对此数据的的数据进行调试。设计的最小启动频率为100HZ，在升频过程中每按一次升频键，步进电机升频后匀速运行，这样易于发现因数据区的数据不合理而导致电机出现失步的状况。降频阶段可采用升频区的数据进行反指数降频。3.1.4 走一步子程序流程图图3-3 走一步子程序流程图3.2 步进电机数据区设计步进电机带负载时的运行频率低于起动频率时，步进电机能以运行频率直接起动，并以该频率连续运行。需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零速。而当步进电机的运行频率为负载启动频率或负载过大时，易出现丢步或堵转的现象；停止时频率过高，又易出现过冲的现象，造成位置精度降低。因此，需要对步进电机采用升降频控制，以使电机从启动频率中或者低于启动频率的某个合适的值（此值与负载和步进驱动有关）开始启动，逐渐加速升到运行频率然后进入匀速运行。最后的降频可以看作是升频的逆过程。采用51系列单片机进行升降频控制时，设单片机的晶振频率12MHZ，经过升频达到目标频率，在升频的第n个台阶的频率为F(n)。设定定时器工作设置在方式1。为了达到精确定位的目的，在编程时，将频率F(n)的保持时间换算为步数，并对步数Z(n)进行计数。每次计满时，定时器重装下一频率的初值。开始下一次升降频。以AT89C51单片机，频率100HZ为例，进行数据区设计。如图3-4所示，我们设频率最高升至1000HZ，用时为5S，依此确定纵坐标每一小格所对应的频率，横坐标每一小格对应的时间。图3-4 升频曲线当频率为100HZ时，对应横坐标时间为：T=(10/60)*5=0.83s两步之间定时时间t0 (s)为：t0=0.01（s）=10000（s）步数为：BC=T/ t0 =0.83/0.01=83以此方法可以得到如表3-1所示的升频数据区：表3-1升频数据区频率步数频率步数100834201401301085201301801206501502301158502002901451000100350145以升频曲线的反指数曲线可以得到如表3-2所示的降频数据区表3-2降频数据区频率步数频率步数10007506802309707255801509207004501408704352506081040510010750310AT89C51有两个定时/计数器，本系统选用T1作为定时器使用。T1的模式存放在模式控制寄存器TMOD中（T1作为16位定时器，为模式1）计数器方式 定时器方式选通位方式字为：10H工作模式控制位模式1中，定时器寄存器TH1和TL1是以全16位参与操作，作为计数器使用，计数输入信号内部时钟脉冲，每个机器周期使寄存器值增1，当计数值由全1再增1变为全0时，便TF1置1请求中断。定时常数为：t0(H)=65536- t0/(t0*C)=605363.3 程序源代码系统详细设计程序如下：StepMot.h文件：include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/引脚定义sbit Start=P00;sbit SpeedUp=P01;sbit SpeedDown=P02;sbit Stop=P03;sbit AP=P10;