[硕士论文精品]基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现 捅姜 步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件 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 在众多领域中 获得了广泛的应用 为了得到性能优良的控制结果 出现了很多步进电机控制系 统 其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用 很多这种控制 系统在步进电机的驱动上已经做的非常好 比如细分驱动技术 但是有的系统比 较复杂 和一些相对比较简单的控制过程不相吻合 投入上也不经济 有的系统 在操作上不是很方便 交互性不强 而且 有感于目前的职业教育的专业教材各 种技术太过泾渭分明 由此带来的实习也是比较零散 没有把一些在工程实践中 应该结合在一起的技术有机结合起来 因此本文的研究内容就是设计一套硬件系 统较简单 经济 但功能较为齐全 适应性强 操作方便 可靠性高的 能够有 机地把电子技术 单片机技术 电机的控制技术结合起来步进电机控制系统 本 文首先简要描述了步进电机的发展 应用情况 以及常见的控制系统采用的方案 常见的驱动技术 而且还分析了步进电机的工作原理 然后以单片机为主控制器 提出了整个系统的硬件设计方案 在此基础上对各个模块的电路进行详细的设 计 接着阐述了步进电机软件控制开发的流程和程序设计 关键词 步进电机单片机动态扫描恒流斩波看门狗 浙江 t 业大学硕士学位论文 d e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h es t 印p i n gm o t o rc o n t r 0 1 a b s t r a c t s y s t e mb a s e d o ns c m s t 研 p i n gm o t o ri sak i n do fc o m p o n e n tu s i n ge l e c t r i cp u l s es i 印a 1t oc o n 仃0 1 w i n d i n ge l e m e l l t st or e a l i z e 柚g u l a rd i s p l a c e m e n t c o m p a 血gw i t l lo l e re l e c t r i c m o t o r i ti se a l s i e rt or e a l i z ea c c u r a t ec o n n 0 1 n oa c c l m u l a t e de 盯o ra i l ds 0o ns of o r 山 t h u s i ti sg o te x t e n s i v ea p p l i c a t i o n i i lo r d e rt og a i ne x c e u e n tm 撕p u l a t i v er e s u l t t h e r e 印p e a ral o to fs t 印p i n gm o t o rc o n t m ls y s t e i n s a m o n gm e m m es y s t e mu s i n g s c ma st h ec o r ep 硪o f t h ec o m r o ls y s t e mi su s e dw i d e l y m a i l y sk i n do fc o n 仃o l s y s t e r i l sh a v ed o n ea b s 0 1 u t e l yg o o da t l es t e pm o t o ri l r i v e s u c ha sm et e c m q u eo f 吼l b d i v i s i o no fd r i v e b u ts o m es y s t e m sa r eal i t t l eb i tc o m p l i c a t e d w l l i c hd o e sn o t m a t c hw i t l ls o m ec o m p a r a t i v e l ys i m p l ec o n t r o l c a u s i n gs o m ew a s t eo ni n v e s t i n e n t s o m es y s t e l ni sn o te a s yt oo p e r a t e w e a ki na l t 锄a t i o n f u 曲e n n o r e t ec m q u e si n t o d a y sv o c a t i o n a lt e a c k n gm a t e r i a l sa r ee i l t i r e l yd i 豫玎 t l e a d i n gt os o m eh n d so f c l l a o si nt h e e x e r d t a t i o n n o t c o m b i i l i n gs o m et e c q u e sw h i c hs h o u l db e c o n s e q u e n t l y t h i st h e s i sf o c u s e so nh o wt od e s i 霉皿as i m p l es t e pm o t o rc o n t r o ls v s t 瞰l w h i c hh a sc o n l p l e t e 劬c t i o n g 昀n ga d a p 切b i l i 吼e a s yt oo p e r a t e h i 曲d 印e n d a b i l i 吼 m i i n ge l e c 仃 1 1 i ct e c l l l l i q u e s c mt e 曲面q u ea n dm o t o rc o n t l l d lt e d m i q u e t 1 1 i s 廿1 e s i s w i l l6 r s t l yi r 巾 o d u c et l l ed e v e l o p m e l l ta i l da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fs t 印p i n gm o t o ra 1 1 d s o m ec o m m o nc o n t r 0 1s y s t 锄sa 1 1 dd r i v et e c h n i q u e s w h a t sm o r e i tw i l li l l u s 仃a t et h e w o r 虹n gp r i n c i p l eo fs t 印m o t o r t h e n u s i n gs c m a sam a i nc o n 仃o l l e rt op mf o n a r d t h ew h o l es y s t e mb l u ep r i n to ft h eh a r d w a r ed e s i 鼬 b a s e do nm i s a 1 1s p e c i f i cd e s i 距s o ne l e c t r i c a lc i r c u i t si ne v e r ym o d u l ew i l lb ef o l l o w e d f i n a l l v i l l u s 觚t et h es t e p so f h o wt od e v e l o pt h es o f h a 1 o fc o n t r o ls y s t e r na n dp r o 霉 m n m e dd e s i 霉口 k e y w o r d s s t 印p i n gm o t o r s c m d i l 锄i cs c a l l c u r r e l l tc h o p p w 缸c hd o g i l 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所提交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行 研究工作所取得的研究成果 除文中已经加以标注引用的内容外 本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料 对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人承担本声明的 法律责任 氢劣甏辛醐渺m 咖 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密吖 请在以上相应方框内打 作者躲习罨寺眺沙名i p 月忱日 刷帷轹勺弘但日 矿 j 洲 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 历史证明 一个国家的制造业水平在很大程度上可以体现国家的实力 国家 的发展也在很大程度上依赖于先进的制造业 所以大多数国家都非常重视大力发 展制造业 二战后 计算机控制技术 微电子技术 信息和自动化技术有了迅速 的发展 并在制造业中得到了愈来愈广泛的应用 先后出现了数控 n c 计算机 数控 c n c 柔性制造单元 f m c 柔性制造系统 f m s 计算机辅助设计与制造 c a d c a m 计算机集成制造系统 c i m s 等多项先进制造技术与制造模式 推动 着世界制造业进入一个崭新的阶段 1 而在这些技术环节中 具有很多优点的步 进电机就是一个重要角色 比如在数控技术中 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机 国外一般称为s t e p p i n g m o t o r p u l s em o t o r 或s t e p p e rs e r v o 其应用发展已有约8 0 年的历史 可以说步进电 动机天生就是一种离散运动的装置 是纯粹的数字控制电动机 步迸电机驱动器 通过外加控制脉冲 控制步进电动机各相绕组的导通或截止 从而使电动机产生 步进运动 就是说给一个电脉冲信号 电动机就转过一个角度或者前进一步 其 输出转角 转速与输入脉冲的个数 频率有着严格的比例关系 这些关系在负载 能力范围内不随电源电压 负载大小 环境条件等的变化而变化 在非超载的情 况下 电机的转速 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而不受负载 变化的影响 同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差 精度高 步进电动 机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速 快速起停 正反转控 制等 这是步进电动机最突出的优点 2 正是由于步进电机具有突出的优点 所以成了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 3 比如在数控系统中就得 到广泛的应用 目前世界各国都在大力发展数控技术 我国的数控系统也取得了 很大的发展 我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次 的数控系统 其中华中数控系统解决了 五轴联动 为 神州 系列飞船顺列 升空立下了汗马功劳 虽然与发达国家相比 我们我国的数控技术方面整体发展 浙江工业人学硕 学位论文 水平还比较低 但已经在我国占有非常重要的地位 并起了很大的作用 我国数控系统在初期就是以单板机或单片机为数控核心 以步进电机为执行 元件 由于其结构简单 价格便宜 只需一万元左右就可以装备一台经济型数控 机床 很适合我国中小型企业使用 采用步进电机作为伺服执行元件 不仅可以 应用于经济型数控伺服系统 而且也可以辅以先进的检测和反馈元件 组成高精 度全闭环数控系列 从而达到很高的加工精度 4 除了在数控系统中得到广泛的应用 近年来由于微型计算机方面的快速发 展 使步进电机的控制发生了革命性变革 优点明显的步进电机被广泛应用在电 子计算机的许多外围设备中 例如打印机 纸带输送机构 卡片阅读机 主动轮驱动 机构和存储器存取机构等 步进电机也在军用仪器 通信和雷达设备 摄影系统 光 电组合装置 阀门控制 数控机床 电子钟 医疗设备及自动绘图仪 数字控制系统 工 具机控制 程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用 5 因而 对于步进 电机控制的研究也就显得重要了 为了得到良好的控制性能 对步进电机的控制的研究就一直没有停止过 许 多重大的技术得以实现 上世纪8 0 年代以后 由于微型计算机以多功能的姿态 出现 步进电动机的控制方式变得更加灵活多样 原来的步进电机控制系统采用 分立元件的控制回路 或者集成电路 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 不利于系统的改进 升级 基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机 能够更好地发挥 步进电机的潜力 因此 用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势 也符合数字化的时代发展要求 还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平 稳性的要求 出现的步进电机细分驱动技术 就包括振荡器 环行分配器控制的 细分驱动 基于单片机斩波恒流驱动 基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动 方式 除上述三种步进电机的驱动方案之外 目前报道的驱动方案还有根据汇编 语或c 语一言进行软件开发 在w i n d o w s 平台下利用v i s u a l c 6 o 提供的串 行通信控件m s c o n i n 来实现p c 机与步进电机控制器之间的数据通讯 最终实 现由p c 机直接控制步电机的方法 在w i n d o w s 平台下和单片机配合控制步进 电机 6 p l c 控制的脉冲驱动方案等等 但是在有些应用场合 并不需要高精度的控制 而是需要在满足一般工作要 求的情况下 尽量使控制系统做到 2 浙江t 业大学硕十学位论文 系统硬件结构简单 成本低 功能较为齐全 适应性强 电机各种运行状态指示一目了然 操作方便 系统抗干扰和可靠性高 本论文就是采用这个思路进行设计 一般步进电机控制器都用硬件实现 虽 然电路可以做到了高集成度 可价格较贵 功能相对较单一 并且设计要求有所 改变 就得改变整个硬件电路 比较麻烦 而采用单片机的软件和硬件结合进行 控制 运用其强大的可编程和运算功能 充分利用单片机的各种资源 能灵活的 对步进电机进行控制 实现其不同模式 步数 正反转 转速等控制 如果需改 变控制要求 一般只需改变软件就能适应新的环境 并且在本设计中利用动态扫 描技术 把显示电路和键盘电路有机的结合起来 节约了单片机的端口 能做到 一定的人机交换 而且为了抗干扰 提高可靠性 加入看门狗电路m a x 8 1 3 在 软件设计上加入去抖动 因此具有一定的应用价值 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国内外常见步进电机控制系统 在步进电机的发展过程中 出现了多种控制方案 1 基于电子电路控制 步进电机受电脉冲信号控制 电脉冲信号的产生 分配 放大全靠电子元器 件的动作来实现 由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱 因此必须有功率放 大驱动电路 步进电机与控制电路 功率放大驱动电路组成一体 构成步进电机 驱动系统 此种控制电路设计简单 功能强大 可实现一般步进电机的细分任务 这个系统由三部分组成 脉冲信号产生电路 脉冲信号分配电路 功率放大驱动 电路 系统组成如图卜1 所示 脉环驱 步 冲形 动 进 控 分电 电 制 配 路 机 器 器 图卜1 基于电子电路控制系统 浙江t 业大学硕十学位论文 此种方案即可为开环控制 也可闭环控制 开环时 其平稳性好 成本低 设计简单 但未能实现高精度细分 采用闭环控制 即能实现高精度细分 实现 无级调速 闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度 然后通过反馈 和适当的处理 自动给出脉冲链 使步进电机每一步响应控制信号的命令 从而 只要控制策略正确电机不可能轻易失步 7 该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数 功 能相对较单一 如需改变控制方案 必须需重新设计 因此灵活性不高 2 基于单片机控制 采用单片机来控制步进电机 实现了软件与硬件相结合的控制方法 用软件 代替环形分配器 达到了对步进电机的最佳控制 系统中采用单片机接口线直接 去控制步进电机各相驱动线路 由于单片机的强大功能 还可设计大量的外围电 路 键盘作为一个外部中断源 设置了步进电机正转 反转 档次 停止等功能 采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 环形分配器其功能由单片机系统实现 采用软件编程的办法实现脉冲的分配 8 本方案有以下优点 1 单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控 制和精确控制 避免了失步 振荡等对控制精度的影响 2 用软件代替环形分 配器 通过对单片机的设定 用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动 大 大提高了接口电路的灵活性和通用性 8 3 单片机的强大功能使显示电路 键 盘电路 复位电路等外围电路有机的组合 大大提高系统的交互性 基于以上优点 本次设计采用基于单片机的控制方案 3 基于p l c 的控制 p l c 也叫可编程控制器 是一种工业上用的计算机 p l c 作为新一代的工业 控制器 由于具有通用性好 实用性强 硬件配套齐全 编程简单易学和可靠性 高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中 步进电机控制系统有p l c 环 形分配器和功率驱动电路组成 控制系统采用p l c 来产生控制脉冲 通过p l c 编 程输出一定数量的方波脉冲 控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量 同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度 进而控制伺服机构的进 给速度 环形脉冲分配器将p l c 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 p l c 控制的步进电机可以采用软件环形分配器 也可采用硬件环形分 4 浙江工业大学硕十学位论文 配器 采用软件环形分配器占用p l c 资源较多 特别是步迸电机绕组相数大于4 时 对于大型生产线应该予以考虑 采用硬件环形分配器 虽然硬件结构稍微复 杂些 但可以节省p l c 资源 目前市场有多种专用芯片可以选用 步进电机功率 驱动电路将p l c 输出的控制脉冲放大 达到比较大的驱动能力 来驱动步进电机 采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号 并用p l c 中的定时器来产生速 度脉冲信号 这样就可以省掉专用的步进电机驱动器 降低硬件成本 但由于p l c 的扫描周期一般为但由于p l c 的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒 相应的频率 只能达到几百赫兹 因此 受到p l c 工作方式的限制及其扫描周期的影响 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 由于受到扫描周期 的影响 相应的控制精度就降低了 l o 1 2 2 步进电机驱动技术基本类型 步进电动机上个世纪就出现了 它的组成 工作原理和今天的反应式步进电 动机没有什么本质区别 也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩 上世纪 8 0 年代以后 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 方式变得更加灵活多样 步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来 实现对步进电机各相绕组的通电和断电 同时也是对绕组承受的电压和电流进行 控制的技术 到目前为止 步进电机驱动技术通常分为单电压驱动 单电压串电 阻驱动 高低压驱动 斩波恒流驱动 升频升压驱动和细分驱动等 1 1 单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性 该驱动方式 早在六十年代初期国外就已大量使用 它的优点是结构简单 成本低 缺点是串 接电阻器的做法将产生大量的能量损耗 尤其是在高频工作时更加严重 因而它 只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动 单电压串电阻驱动是在 单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻 用以改善电路的时间常数以 提高电机的高频特性 它提高了步进电机的高频响应 减少了电动机的共振 也 带来了损耗大 效率低的缺点 这种驱动方式目前主要用于小功率或启动 运行 频率要求不高的场合 高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少 在导通相的前沿用高电压供 电来提高电流的上升沿斜率 而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流 即采 用加大绕组电流的注入量以提高出力 而不是通过改善电路的时间常数来使矩频 性能得以提高 但是使用这种驱动方式的电机 其绕组的电流波形在高压工作结 浙江工业大学硕士学位论文 束和低压工作开始的衔接处呈凹形 致使电机的输出力矩有所下降 这种驱动方 式目前在实际应用中还比较常见 为了弥补高低压电路中电流波形的下凹 提高输出转矩 七十年代中期研制 出斩波电路 该电路由于采用斩波技术 使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动 流过绕组的有效电流相应增加 故电机的输出转矩增大 而且不需外接电阻 整 个系统的功耗下降 效率较高 因而恒流斩波电路得到了广泛应用 本文正是应 用恒流斩波技术实现了驱动控制 为改善恒流驱动方式的低频特性 设计一个低速时低电压驱动 高速时高电 压驱动的电路 使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电 源 在低速运行时 电子控制器调节功率开关管的导通角 使线路输出的平均电 压较低 电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象 从而避免产生明显的振荡 当运行速度逐渐变快时 平均电压渐渐提高以提供给 绕组足够的电流 调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路 但实际运行中需 要针对不同参数的电机 相应调整其输出电压与输入频率的特性 细分驱动是指在每次脉冲切换时 不是将绕组的全部电流通入或切除 而 是只改变相应绕组中电流的一部分 电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部 分 细分驱动时 绕组电流不是一个方波而是阶梯波 额定电流是台阶式的投入或 切除 比如 电流分成n 个台阶 转子则需要n 次才转过一个步距角 即n 细分细 分驱动最主要的优点是步距角变小 分辨率提高 且提高了电机的定位精度 启动 性能和高频输出转矩 其次 减弱或消除了步进电机的低频振动 降低了步迸电机 在共振区工作的几率 可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个 飞跃 1 2 1 3 论文研究的目的和内容 本课题的研究目的之一就是设计一套硬件系统较简单 经济 但功能较为齐 全 适应性强 操作方便 交互性强 可靠性高的步进电机控制系统 另一个目 的就是作为一个专业课教师 在日常教学中我总感觉到目前的教材各种技术太过 泾渭分明 由此带来的实习也是比较零散 没有把一些在工程实践中应该结合在 一起的技术有机结合起来 所以我始终希望自己开发一套系统 这套系统能够有 机地把电子技术 单片机技术 电机的控制技术结合起来 通过这套系统得到最 6 浙江工业大学硕士学位论文 大的教学效果 基于以上两个目的 在一年多的时间里 按照模块化思想 完整 的设计了基于单片机的步进电机控制系统 完成了这篇论文 整个任务包括 1 设计一套完整的步进电机斩波驱动电路 并通过理论及仿真的方法对所设 计的斩波驱动电路进行验证 2 设计一套完整的包括键盘电路 显示电路 看门狗电路在内的外围电路 3 完成对整个控制系统的控制软件编制 1 4 论文安排 本论文首先简单介绍了步进电机的应用和发展的历史 然后介绍了步进电机 常见的控制系统方案和常见的驱动方案 在这个基础上提出了自己的设计目的 即设计一套硬件系统较简单 经济 但功能较为齐全 适应性强 操作方便 交 互性强 可靠性高 而且能在目前的职业教学中得到事半功倍的教学效果的步进 电机控制系统 接着用较大的篇幅介绍了步进电机的特点 分类和工作原理 然 后用模块化的思想分别阐述了所要设计的系统的功能和操作 硬件设计 软件设 计 具体安排如下 第一章为绪论 介绍了步进电机的应用和发展的历史 然 后介绍了步进电机常见的控制系统方案和常见的驱动方案 了解各种方案的优缺 点 提出自己的思路和设计目的 第二章步进电机的概述 阐述步进电机的特 点 分类和工作原理 为后面的硬件 软件设计提供必须的理论基础 第三章为 步进电机控制系统概述 在框架结构上对整个系统进行介绍 而且重点阐述基于 单片机的控制系统的一般框架 为自己的设计提供有力的支持 接着介绍了本论 文要设计的控制系统的功能特点 及要实现的操作方式 第四章为系统硬件设计 先提出框架 然后分别阐述单片机端口分配 外围电路 驱动电路的设计 第五 章为系统软件设计 按照模块化的思想 主要阐述主流程 初始化流程及几种模 式下的不同的控制流程 具体的程序在附录中体现 7 浙江工业大学硕十学位论文 第二章步进电机概述 2 1 步进电机的特点 步进电机又称脉冲电机或阶跃电机 国外一般称s t 印m o t o r 或s t 印p i n g m o t o r p u l s em o t o r s t 印p e rm o t o r 等 目前 随着电子技术 控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 就传统的步进电机来说 步进电机可以简单地定义为 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置而静止的电动机 从广义上讲 步进电机是一种受电脉冲 信号控制的无刷直流电动机 也可看作是在一定频率范围内转速与脉冲频率同步 的同步电动机 1 3 步进电机具有其自身的特色 归纳起来有 1 可以用数字信号直接进行开环控制 整个系统简单廉价 2 直接接收数字信号 不必进行数模转换 使用方便 3 位移与输入脉冲信号数相对应 步距误差不长期积累 可以组成结构较 为简单而又具有一定精度的开环控制系统 也可以要求更高精度时组成 闭环控制系统 4 无刷 电动机本体部件少 可靠性高 5 易于起动 停止 正反转及变速 响应性也好 6 停止时 可有自锁功能 7 步距角选择范围大 可在几十角分至1 8 0 度大范围内选择 在小步距情 况下 通常可以在越低速下以高转矩运行 因而可以不经减速器直接驱 动负载工作 8 速度可以相当宽范围内平滑调节 同时用一台控制器控制几台步进电机 可使它们完全同步运行 9 不能直接使用普通的交流电源驱动 2 2 步进电机的分类 步进电动机的种类很多 从广义上讲 步进电机的类型分为机械式 电磁式 和组合式三大类型 按结构特点电磁式步进电机可分为反应式 v r 永磁式 p m 和混合式 h b 三大类 按相数分则可分为单相 两相和多相三种 目 浙江工业大学硕士学位论文 前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机 1 4 1 反应式步进电机 l r i a b l er e l u c t a n c e 简称v r 反应式步进电机的转子 是由软磁材料制成的 转子中没有绕组 它的结构简单 成本低 步距角可以做 得很小 但动态性能较差 反应式步进电机有单段式和多段式两种类型 2 永磁式步进电机 p e 肌a n e i l tm a 印e t 简称p m 永磁式步进电机的转子 是用永磁材料制成的 转子本身就是一个磁源 转子的极数和定子的极数相同 所以一般步距角比较大 它输出转矩大 动态性能好 消耗功率小 相比反应式 但启动运行频率较低 还需要正负脉冲供电 3 混合式步进电机 h y b r i d 简称h b 混合式步进电机综合了反应式和永 磁式两者的优点 混合式与传统的反应式相比 结构上转子加有永磁体 以提供 软磁材料的工作点 而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的 耗能 因此该电机效率高 电流小 发热低 因永磁体的存在 该电机具有较强 的反电势 其自身阻尼作用比较好 使其在运转过程中比较平稳 噪声低 低频 振动小 这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的 后来发现 如果各相绕组通以脉冲电流 这种电动机也能做步进增量运动 由于能够开环运 行以及控制系统比较简单 因此这种电机在工业领域中得到广泛应用 1 3 1 4 由 于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合 所以只采用反应式步进电机 2 3 反应式步进电机工作原理 图2 1 反应式步进电动机的结构示意图 9 浙江工业大学硕士学位论文 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 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 以三相反应式步进电机 为例 一 单三拍通电方式的基本原理 设a 相首先通电 b c 两相不通电 产生a a7 轴线方向的磁通 并通过 转子形成闭合回路 这时a a7 极就成为电磁铁的n s 极 在磁场的作用下 转子总是力图转到磁阻最小的位置 也就是要转到转子的齿对齐a a7 极的位 置 图2 2 a 接着b 相通电 a c 两相不通电 转了便顺时针方向转过3 0 它的齿和c c7 极对齐 图3 c 不难理解 当脉冲信号一个一个发来时 如 果按a c b a 一 的顺序通电 则电机转子便逆时针方向转动 这种通电方 式称为单三拍方式 彦憾 囊 a 树通跑 b b 相通电 c c 朔通电 图2 2 单三拍通电方式时转子的位置 二 六拍通电方式的基本原理 设a 相首先通电 转子齿与定子a a7 对齐 图2 3 a 然后在a 相继续 通电的情况下接通b 相 这时定子b b7 极对转子齿2 4 产生磁拉力 使转子 顺时针方向转动 但是a a7 极继续拉住齿l 3 因此 转子转到两个磁拉力 平衡为止 这时转子的位置如图2 3 b 所示 即转子从图2 3 a 位置顺时针转过 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 了1 5 接着a 相断电 b 相继续通电 这时转子齿2 4 和定子b b7 极对齐 图2 3 c 转子从图4 b 的位置又转过了1 5 其位置如图2 3 d 所示 这 样 如果按a a b b b c c c a a 的顺序轮流通电 则转子便顺时 针方向一步一步地转动 步距角1 5 电流换接六次 磁场旋转一周 转子前 进了一个齿距角 如果按a a c c c b b b a a 的顺序通电 则电 机转子逆时针方向转动 这种通电方式称为六拍方式 1 5 1 6 b 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 六拍通电时转子位置 三 双三拍通电方式的基本原理 如果每次都是两相通电 即按a b b c c a a b 一 的顺序通电 则称为双三拍方式 从图4 b 和图4 d 可见 步距角也是3 0 因此 采用单三 拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角 每走一步前进了三分之一齿距 角 采用六拍方式时 转子走六步前进了一个齿距角 每走一步前进了六分之 齿距角 因此步距角e 可用下式计算 1 5 1 6 e 3 6 0 z r m 式中z r 是转子齿数 m 是运行拍数 浙江工业人学硕十学位论文 一般步进电动机最常见的步距角是3 或1 5 所以 转子上不只4 个齿 齿距角 9 0 0 而有4 0 个齿 齿距角为9 0 由式e 3 6 0 0 z r x m 可知 转子每转过一个步距角o 就相当于转过了整 个圆周的1 z r m 圈 若控制脉冲频率为e 则转子每秒钟就转过 z r m 圈 所 以转子转速n 为 n 6 0f z r m r i i l i n 1 2 浙江丁业大学硕士学位论文 第三章步进电机控制系统概述 3 1 步进电机控制系统简介 步进电机控制系统是一个有机的完整的整体 由运动控制系统和操作控制系 统组成 由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号 运动控制系统随之作出反应 完成规定动作 运动控制是一门有关如何对物体位置和速度进行控制的技术 典型的运动控 制系统应由三部份构成 控制部分 驱动部分 执行部分 如图3 1 所示 图3 1 运动控制系统组成 在步进电机控制系统中运动执行部件为步进电机 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 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 进电机的运行要有一电子装置进行驱动 这种装置就是步进电机驱动器 它是 把控制系统发出的脉冲信号 加以放大以驱动步进电机 步进电机的转速与脉冲 信号的频率成正比 控制步进脉冲信号的频率 可以对电机精确调速 控制步进 脉冲的个数 可以对电机精确定位 因此典型的步进电机驱动控制系统主要由三 部分组成 步进控制器 驱动器 把控制器输出的脉冲加以放大 来驱动步进 电机 步迸电机 不同的控制方案 步进控制器 驱动器也有不同的类型 在 本论文第一章 已经对此作了介绍 下面着重介绍以单片机为控制器的步进电机 控制系统 步进电机是数控式电机 其最大特点是通过输入脉冲信号来进行控制 即电机 的总转动角度由输入脉冲数决定 而电机的转速由脉冲信号频率决定 它具有输 入脉冲与电机轴转角成比例的特征 将脉冲信号转变成角位移 即给一个脉冲信 浙江j 1 业大学硕 学位论文 号 步进电机就转动一个角度 因此非常适合于单片机控制 图3 2 单片机控制步进电机控制系统 前面已经介绍过 驱动脉冲的分配可以使用硬件方法 即用脉冲分配器实现 现在 脉冲分配器已经标准化 芯片化 市场上可以买到 但硬件方法结构复杂 成 本也较高 使用单片机以软件方式驱动步进电机 不但可以通过编程方法 在一定 范围内自由设定步进电机的转速 往返转动的角度以及转动次数等 而且还可以 方便灵活地控制步进电机的运行状态 以满足不同用户的要求 因此 常把单片机 步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器 步进电机控制 包括控制 脉冲的产生和分配 使用软件方法 即用单片机实现 这样既简化了电路 也降低了 成本 采用单片机来控制步进电机 实现了软件与硬件相结合的控制方法 用软件 代替环形分配器 达到了对步进电机的最佳控制 系统中采用并行控制 用单片机 接口线直接去控制步进电机各相驱动电路 通过软件的控制 单片机按顺序给绕 组施加有序的脉冲电流 就可以控制电机的转动 从而实现数字一角度的转换 转 动的角度大小与施加的脉冲数成正比 转动的速度与脉冲频率成正比 而转动方向 则与脉冲的顺序有关 以三相步进电机为例 电流脉冲的施加共有3 种方式 1 单相三拍方式 按单相绕组施加电流脉冲 一a b c 一正转 一a c b 一反 转 2 双相三拍方式 按双相绕组施加电流脉冲 一a b b c c a 一正转 一a c c b a b 一反转 3 三相六拍方式 单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲 一a a b b b c c c a 一正转 一a a c c c b b b a 一反转 整个系统以单片机为核心 设计出硬件系统 以其中的几个口控制驱动电路 由于步进电机工作时 电机绕组内的电流值一般都能达到数安培 而控制电机绕 1 4 浙江下业大学硕士学位论文 组内电流变化的控制信号一般都是由逻辑电路产生的数字信号 电压一般比较低 为了防止单片机或控制信号等受到后级模拟电路的干扰 通常在驱动电源的设计 时都要设计电压隔离接口 以便把数字信号和模拟信号隔离开 所以将光电隔离 电路接在驱动电路和单片机出口之间 由于单片机的强大功能 还可设计大量的外围电路 键盘作为一个外部中断 源 和单片机端口连接 设置了步进电机正转 反转 档次 停止等功能 采用中 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 环形分配器其功能由单片机系统实现 采用 软件编程的办法实现脉冲的分配 8 驱动电路按照控制要求有多种选择 在本论文的第一章就介绍了几种常见的 驱动电路 待驱动 晶振 复位 键盘 l e d 显示各个电路的设计完成之后 进 行硬件合成 就是一个完整的步进电机控制系统 系统的软件设计通常采用模块化结构 软件系统总体框架一般包括三部分 主程序 中断服务子程序以及其他相应的辅助子程序 包括正转子程序 反转子 程序 键盘子程序 l e d 显示子程序以及延时子程序 3 2 本系统特点 通过对其它步进电机控制系统的分析 结合设计目的 本论文的控制系统采 用基于单片机的控制方案 系统应用了一片a t m e l 公司的a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机 作为步进电机控制器的核心运算器件 利用单片机强大的运算能力和可编程的特 点 可以实现较为复杂的步进电机控制功能 且适应能力强 能够在不改变硬件 电路的情况下 只需对软件进行必要的修改就可以适应不同的步进电机和控制要 求 而且可以做到人机交换 使控制更加的直观和方便 各种运行状态也都有相 应的指示 使操作者随时都能对电机的运行状况进行方便的了解 一个利用单片 机来构成的步迸电机控制系统的优点是十分明显的 本系统大致想达到以下几个 特点 1 系统硬件结构要简单 把成本降到最低 2 功能要较为齐全 要能实现步进电机的正反转 变速以及控制显示功能 3 适应性强 一般情况下只需改变软件就可以适应新的要求 4 电机各种运行状态指示要一目了然 使操作方便 浙江工业大学硕士学位论文 5 系统抗干扰和可靠性要高 为了达到以上特点 除了核心控制部件采用单片机外 在其它硬件的设计上 也有一些综合的考虑 键盘电路扫描输出线与显示部分的扫描线采用单片机的同 一组端口 大大节约硬件资源 单片机控制的运行方式 模式和速度方面的控制 基本涵盖步进电机的普通应用 硬件上采用了专用的系统程序运行监控电路 w t d 看门狗 软件上编写采用了冗余指令 进一步增强系统抗干扰能力 3 3 系统功能 在综合考虑各种设想之后 本设计想使此系统具有以下功能和要求 1 能使电机运行于三相双三拍和三相单双六拍的方式 亦称为半步工作方式 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 9 9 9 步 4 连续运行模式时速度2 5 6 档可调 0 2 5 5 5 可以预置转向或者在运行时改变转向 6 三位七段l e d 在相应的工作模式时显示速度档位或者步数 7 两个l e d 分别指示电机转向和运行方式 8 各种操作共有六个按键来输入 操作方便 9 设有强制复位键 当受到严重干扰 致使w t d 也失效后 可以通过强制复位键 进行手动强行复位 1 0 步进控制脉冲输出频率范围 1 5 3 h 3 9 k h 1 1 整个系统为 5 v 低电压供电 1 6 浙江工业大学硕十学位论文 第四章系统硬件设计 硬件是整个系统的平台 各种功能的实现和软件的运行都是以硬件为基础 的 所以硬件设计的合理与否从根本上决定了整个系统的质量 为了充分发挥单片机的长处 实现尽可能多的功能 使系统的成本尽量的低 工作得更可靠 操作更具备人机交互性 并且要使整个系统能真正对职业学校的 实践教学起促进作用 对硬件电路进行的精心的设计 每一个方案都经过了反复 的比较和论证 不一定最先进 但符合设计目的 4 1 系统组成 系统的组成方框图如图4 1 所示 图4 l 系统框图 本系统由电源 显示 指示 单片机 m c u 按键电路 看门狗电路和 电机驱动电路等组成 系统中采用并行控制 用单片机接口线直接去控制步进电 机各相驱动电路 键盘作为一个外部中断源 设置了步进电机正转 反转 档次 停止等功能 采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 4 2 系统核心一a t 8 9 c 2 0 5 1 4 2 1 a t 8 9 c 2 0 5 1 简介 单片机从诞生至今已经产生了许多种 新品种的也是层出不穷 从最初 i n t e l 的m c s 5 1 和p i c 系列 以及最近推出的a v r a r m 等 品种繁多 功 1 7 浙江工业人学硕士学位论文 能各异 但是就目前来说 5 1 系列的单片机仍是许多设计的首先 特别是a t m e l 公司的8 9 系列f l a s h 单片机 运用更是广泛 而且各种技术参考资料相对也 较多 通过对本设计所需资源的分析 选用a t m e l 公司的8 位单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 作为主控芯片 a t 8 9 c 2 0 5 1 是a t 8 9 c 5 1 的简化版本 只有2 0 个管脚 但仍然具 有强大的功能 a t 8 9 c 2 0 5 l 是一带有2 k bf l a s h 可编程 可擦除只读存储器 e e p r o m 的低压 高性能8 位c o m s 微型计算机 它采用a t m e l 的高密 非易失存储技术制造 并和工业标准m c s 一5 1 指令集和引脚结构兼容 使 a t 8 9 c 2 0 5 1 成为一强劲的微型计算机 它为许多嵌入式控制应用提供了高度灵 活和低成本的解决方法 1 7 1 8 a t 8 9 c 2 0 5 1 提供以下标准功能 2 k bf 1 a s h 存储器 1 2 8 字节r a m 1 5 条 i o 引线 两个1 6 位可编程定时器 计数器 1 个5 向量2 级中断结构 1 个全双 工u 趾汀口 1 个精密模拟比较器以及片内振荡器和时钟电路 此外a t 8 9 c 2 0 5 1 是用可降到0 频率的静态逻辑操作设计的 并支持两种可选的软件节电方式 空 闲方式停止c p u 工作 但允许r a m 定时器 计数器 串行口和中断系统继续 工作 方式保存r a m 内容 但振荡器停止工作 并禁止所有其它部件的工作直 到下一个硬件复位 主要性能如下 1 7 1 8 1 与m c s 一5 l 产品兼容 2 具有2 k 的可编程f l a s hr o m 3 耐久性 1 0 0 0 写 擦除 4 2 7 6 v 的电压操作范围 5 全静态操作 0 2 4 m h z 6 两级加密程序存储器 7 1 2 8 b 木8 的内部r a m 8 1 5 条可编程i o 引线 9 两个1 6 位可编程定时器 计数器 1 0 6 个中断源 1 1 可编程串行u a r t 通道 1 2 直接l e d 驱动输出 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 片内模拟比较器 1 4 低功耗空载和掉电方式 引脚功能 p 1 口 p 1 口是一个8 位双向i o 口 引脚p 1 2 一p 1 7 提供内部上拉 电阻 p 1 o 和p 1 1 还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入 a i n o 和反相 输入 a i n l p 1 口输出缓冲器可吸收2 0 r i 迭电流 并能直接驱动l e d 显示 当p 1 口引脚输入 1 时 可用作输入端 当引脚p 1 2 一p 1 7 用作输入端并被 外部拉低时 将因内部的上拉电阻而输出电流 i i l p 1 口还在f l a s h 编程和程 序校验期间