步进电机论文 ONE421.doc

1 课题背景 当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。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。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，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品（打印机、照相机、雕刻机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。控制核心采用单片机AT89S52芯片，它以其独特的低成本，小体积广受欢迎，当然其易编程也是不可多得的优点为此，本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统，可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。2 任务要求与总体设计方案2.1 设计任务与要求本次毕设的目的是设计步进电机控制系统。该控制系统可控制步进电机的正反转，加速减速等常规操作。并且可以通过按键精确设定并控制电机转动角度及速度，控制系统的状态可通过液晶显示屏显示出来。2.2 总体设计方案整个系统由步进电机驱动装置、显示装置、需求按键装置、核心处理器控制模块等部分组成，各个装置分工合作，完成对步进电机的速度及角度的控制和状态的显示，各任务均由核心处理器统一完成。图2-1为步进电机控制系统总体方案组成框图。 图2-1 步进电机控制系统总体方案组成框图3 步进电机的简介3.1步进电机的结构 图3.1 步进电机内部结构图如图3.1所示，步进电机分为转子和定子两部分：定子：由硅钢片叠成的，定子上有6大磁极，每2个相对的磁极（，S）组成一对，共有3对。定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 转子：由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿相同，并且小齿的大小相同，间距相同。3.2步进电机的工作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。 图3.2 步进电机三相接线图如图3.2所示，U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 。以反应式步进电机为例：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系，而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6，甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(vn)、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75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15，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18，而五相步进角一般为072。3.3步进电机的一些基本参数3.3.1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。3.3.2步进电机的相数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0.36/0.72。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。3.3.3保持转矩(HOLDING TORQUE)是指步进电机通电但没有转动时，定子镇住转子的力矩。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了衡量步进电机最重要的参数之一。4 硬件设计步进电机控制系统共分为,单片机最小系统模块、键盘控制模块、液晶显示模块、步进电机驱动模块和电源模块。4.1 单片机主控模块4.1.1单片机方案选择单片机体积小巧，内部包括中央处理器，数据存储器，程序存储器及输入输出设备。对于需要灵活机动，精度要求不高，有可扩展性及程序可擦写和简单成熟的编程平台等要求，单片机不失为最合适的选择。现有两种单片机AT89S52和AVR可供选择。方案一：采用常见的 AT89S52作为步进电机控制系统的控制核心。传统的AT89S52单片机具有价格低廉，输入输出接口多，使用简单等特点，容易开发。方案二：采用AVR单片机，AVR单片机在一个芯片内将增强性能的RISC 8位CPU与可下载的FLASH相结合使其成为适合于许多要求。具有高度灵活性的嵌入式高效微控制器。从步进电机控制系统的功能实现来说， AT89S52单片机与AVR单片机相比，AT89S52单片机在价格上低于AVR单片机，而且ATS52单片机具有一定的稳定性，实现起来也比较方便，因此采用方案一的ATS52单片机。4.1.2单片机主控电路设计AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。步进电机控制系统的核心主控电路的设计是以AT89S52单片机和UCN5804模块为核心，外接显示模块和电源等硬件电路。AT89S52工作在12MHZ的频率下，采用+5V的直流电源供电。图4-1为单片机最小系统设计图。 图4-1 单片机最小系统设计图4.2 步进电机驱动模块4.2.1 步进电机驱动方式方案选择方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机分压，从而达到调速目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用达林顿管组成的H型PWM 电路。控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于管子工作在饱和和截止模式下，效率非常高； H 型电路保证了可以简单地实现电机转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强。方案比较：步进电机在运行中必须不断地改变速度、方向和精确定位，这就要求电机驱动电路具有良好的电压调整特性。UCN5804芯片是一块集成步进电机驱动芯片，它的输出引脚可以接到步进电机的输入端，直接驱动步进电机工作，所以采用方案二4.2.2 UCN5804驱动电机电路设计本系统的设计目的为了高效控制步进电机的转动，因此需要将单片机发出的脉冲转化为步进角度，才能控制步进电机转动，我们在这里采用UCN5804为步进电机提供脉冲信号。UCN5804芯片是一块集成步进电机驱动芯片，它的输出引脚可以接到步进电机的输入端，直接驱动步进电机工作。其工作电路如图4-2所示。在信号输出端接一反向二极管后连接到步进电机上，芯片可以承受最大1.5A的反向电流以及最大35V的电压。图4-2 基于UCN5804芯片的驱动电路图4.3 键盘控制模块键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质是一组按键开关的集合。键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。一个电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为510ms；两次抖动之间为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定；第一次抖动前和第二次抖动后为断开状态。按键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或低电平。通过对输出电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。在本设计中，高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合状体。并且，为了能直观形象的表示按键闭合与否，还为每个按键相应增加了发光二极管，按键断开时，发光二极管灭，当有键闭合时，相应的发光二极管变亮。为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。消除按键抖动通常采用硬件、软件两种方法。由于硬件消抖电路设计复杂，本设计中没有采用，在此不再详细叙述；软件消抖适合按键较多的情况，方便简单。其原理是在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后在确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。其设计原理图如图4-3所示：图4-3按键设计原理图4.4 液晶显示模块本设计采用SMG12864G2-ZK液晶显示模块，液晶显示模块是12864 点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312 码简体中文字库（16X16 点阵）、128 个字符（8X16 点阵）及64X256 点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU 直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。本设计采用并行连接方式通过读取程序可实现控制步进电机状态的显示。图4-4为液晶显示模块的原理图。 图4-4 电机的液晶显示电路5 系统软件设计5.1.1程序设计平台考虑到程序的易读性和简练，程序设计采用C语言。程序编辑平台采用Keil。5.1.2程序设计思路步进电机控制系统的软件需要同时完成读取键盘、处理键盘、控制步进电机转动、控制液晶显示等任务。在本设计中，主程序采用查询方式扫描键盘端口，检测按键动作是否发生，若有按键动作则处理键盘，根据按键值修改相应参数值，实现键盘的实时处理功能。定时器0中断服务程序控制步进电机的转动：根据当前显示的速度进行键盘手动改变T0定时时间常数，设置TH0和TL0的值，达到对转速精确控制的目的；根据转动方向控制位的值，控制脉冲信号循环移动的方向，达到对转动方向控制的目的。说明如下：（1）单片机接受键盘信息，改变系统内部变量值。（2）单片机输出脉冲信号，控制步进电机转动。（3）单片机根据步进电机实际转动状态 ，控制液晶显示。5.2程序流程图5.2.1主程序流程图步进电机控制系统的主程序在对整个系统初始化后主要完成读键盘和处理键盘的功能，如图5-1所示： 图5-1 步进电机控制系统主程序流程图系统上电复位后，先调用初始化子程序，对步进电机各端口，相关参数进行初始化，设置T0工作方式控制时间常数。初始化完成后，步进电机处于停止状态，T0定时器处于关闭状态。然后循环调用读键盘子程序和键盘处理子程序，等待中断，以便实现步进电机转动控制。5.2.2读键盘子程序流程图首先初始化实际键值参数为0FH，然后扫描P2口，与初始值比较，相等则说明没有键按下，不相等则软件消抖，以便确认是否真的有键按下。延时10ms后再次扫描P2口，第二次与初始值比较，若相等则表明前一次比较不相等是由抖动产生；如果相等则表明确实有键按下。执行键盘之程序里的指令，将相应的变量值改变，为键盘处理子程序做准备。启动否是否有键按下处理键盘子程序是 图5-2 扫描键盘字程序流程图5.2.3键盘处理子程序流程图按键处理子程序流程图如图5-3所示： 图5-3键盘处理子程序流程图步进电机的启停控制通过启停定时器T0来实现，因为定时器T0控制着脉冲信号的输出，关闭定时器T0也就阻止了脉冲信号的输出。5.2.4电机控制中断程序流程图定时器中断0服务程序流程图如图5-4所示： 图5-4 定时器中断0服务程序流程图定时器中断0服务程序的中断时间由当前的转速决定。进入中断程序后，首先要保护现场，再根据当前值设置TH0和TL0的值。然后判断转动方向控制位的值，如果是0则控制脉冲信号P1.0、P1.2输出，如果是1则控制脉冲信号P1.1、P1.3输出。最后恢复现场，返回，等待下次中断。通过用当前转速控制中断时间，控制了脉冲的输出频率，也就到达了控制步进电机转动速度的目的；通过检测方向控制位的电平，选择脉冲信号P1.0、P1.2与P1.1、P1.3间的切换，控制了步进电机各引出端的接通顺序，也就到实现了步进电机转动方向的控制。各模块控制的详细程序附于最后附录。6 系统调试 在硬件和软件都完成后，需要对硬件和软件分别调试。只有当硬件中的各个模块工作测试稳定好后，才能进行系统总体调试。硬件调试主要是针对电路板调试，检测它们的工作状态是否到达电路设计要求，也是检测电路板功能的实现情况。（1）单片机电路板的调试首先通过下载口写入一个程序验证板子的基本功能，然后拔掉下载线，以5V的电压给单片机板供电，此时看看板子的工作状态，如果还与连接下载线时的工作状态一样及板子调试成功，可以写入所需的程序；反之要检测板子的电路原理图和电路上的焊接点，从而找出错误并采取相应的措施修改。（2）UCN5804电路板的调试根据UCN5804的工作电压，首先给UCN5804的电路提供5V的芯片工作电压，在两个连接电机的接口，分别接上两个直流电机（电机A、电机B），并在电路板上的电机电源接口接上12V的电机工作电压，此时就可以用一根导线一头连接5V电压的负极，另一头接到四个信号口。如果板子无误，电机A和电机B会在相应的信号口得到信号后，分别会正转和反转；如果不是这种状况，说明板子有问题就要检测板子的电路原理图和电路上的焊接点，从而找出错误并采取相应的措施修改。（3）软件的调试单片机控制程序是采用C语言编程，编程所采用的软件是Keil 编程软件。关于单片机C语言软件调试，在语句中出现的语法错误，该软件会提示出来，以便于更正。因此，软件调试主要的工作是检查头文件是否正确，是否与单片机的端口地址相匹配。其次，就是检查初始化程序的正确性。然后就是根据软件实现步骤逐个检查程序的可行性，以及程序的嵌套性是否都能达到设计的要求。7 结论通过本次单片机课程设计，使我受益匪浅，