步进转速控制电路毕业论文.doc

题目：步进转速控制电路学校： 院系： 班别： 姓名： 学号： 指导老师： 摘要单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，广泛应用于数控机床、机器人，定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域。步进电机是数字控制电机，将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下，根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差，因此步进电机适用于单片机控制。步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。关键字：单片机，步进电机，转速。目录摘要.1第一章 步进电机的概述.21.1步进电机特点.41.2步进电机的工作原理.4 1.3步进电机的技术参数 .41.3.1步进电机的基本参数.4 1.3.2步进电机动态指标及术语.5 1.4步进电机的分类.5 1.4.1 步进电机分为三大类.51.4.2步进电机的内外结构.61.5 步进电机详细调速原理.6第二章 单片机的相关知识.62.1单片机简介.62.2单片机的发展.72.3单片机的特点. 72.4 单片机的应用.7第三章 控制系统的硬件设计.83.1步进电机的选择.83.1.1步距角的选择.93.1.2静力矩的选择.93.1.3电流的选择.93.1.4力矩与功率换算.93.2步进电机的驱动电路设计.9 3.2.2 单片机模块.93.2.2键盘LED模块.103.2.3驱动放大模块.10第四章 控制系统的软件设计.114.1单片机程序.114.2 PC上位机模块.12 4.3系统检测.12第五章 结 论. 12参考文献. 13. 第一章 步进电机概述 1.1步进电机的特点：1） 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2）步进电机外表允许的温度高。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摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。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。4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 1.2步进电机的工作原理： 步进电机是一种用电脉冲进行控制 ,将电脉冲信号转换成相位移的电机 ,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比 ,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度 ,脉冲的频率决定了电机运转的速度.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。1.3步进电机的技术参数：1.3.1步进电机的基本参数1)空载启动频率:即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。2)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)步进电机的相数： 是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。4)保持转矩（HOLDINGTORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。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。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。 TC * MERGEFORMAT 1.3.2步进电机动态指标及术语：1)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。 2)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。 3)失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 4)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。 5)最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 6)运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。7)电机的共振点： 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的静力矩确定而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态流）平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。1.4步进电机的分类： 1.4.1 步进电机分为三大类 ： 1)反应式步进电机（VAriABle ReluCtAnCe，简称 VR）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（PermAnent MAgnet），简称 PM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，所以一般步进角比较大，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（HyBrid，简称 HB） 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。 1.4.2步进电机的内外结构 步进电机转子均匀分布着很多小齿，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。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开如图1-3所示： 图1-1 定子展开图 电动机定子铁心和一般电机一样由硅钢片叠成，铁心内孔表面有开口槽。转子装有一个轴向磁化永磁体用以产生一个单向磁场。永磁体产生的磁通，在每一个气隙圆周上都是单方向通过气隙的，这时作用在气隙中的磁势是同极性的，称为单极磁势。而转子包括两段，一段经永磁体磁化成N 极，另一段磁化为S 极，每段转子齿以一个齿距间隔均匀分布，但两段转子的齿相互错开1/2 个转子齿。1.5 步进电机详细调速原理：步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电的调速。具体的延时时间可以通过软件来实现。这就需要采用单片机对步进电机进行加减速控制,实际上就是改变输出脉冲的时间间隔,单片机控制步进电机加减法运转可实现的方法有软件和硬件两种 ,软件方法指的是依靠延时程序来改变脉冲输出的频率,其中延时的长短是动态的,软件法在电机控制中, 要不停地产生控制脉冲, 占用了大量的CPU 时间,使单片机无法同时进行其他工作;硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现的,在每次进入定时中断后,改变定时常数,从而升速时使脉冲频率逐渐增大,减速时使脉冲频率逐渐减小,这种方法占用CPU 时间较少,在各种单片机中都能实现,是一种比较实用的调速方法。第二章 单片机的相关知识2.1 单片机简介单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。2.2 单片机的发展将8位单片机的推出作为起点，单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段 （1）第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS 48为代表。MCS 48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。 （2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在MCS 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS 51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。 完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。 CPU外围功能单元的集中管理模式。 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。 （3）第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS 51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智 能控制的特征。（4）第四阶段（1990）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。2.3 单片机的特点1、单片机集成度高。单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031 无）、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。 2、系统结构简单，使用方便，实现模块化; 3、单片机可靠性高，可工作到106 107小时无故障; 4、处理功能强，速度快。2.4 单片机的应用目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管 理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子称量设备，五花八门，无所不在。 4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 6.在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。 在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。 7.单片机在汽车设备领域中的应用 单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。 第三章 控制系统的硬件设计3.1步进电机的选择步进电机有步距角（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。 3.1.1步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。 3.1.2静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸） 3.1.3电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 3.1.4力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米 P=2fM/400(半步工作） 其中f为每秒脉冲数（简称PPS)3.2步进电机的驱动电路设计3.2.1 单片机模块步进电机驱动器系统电路原理图 AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4P1.7输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制 光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进 电机的一相绕组。AT89C2051选用频率22MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小 AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。 图中的RL1RL4为绕组内阻，50电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常 数的元件。D1D4为续流二极管，使电机绕组产生的反动势通过续流二极管(D1D4)而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。 在50外接电阻上并联一个200F电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200电阻可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。 该驱动器根据拨码开关KX、KY的不同组合有三种工作方式供选择： 方式1为中断方式：P3.5(INT1)为步进脉冲输入端，P3.7为正反转脉冲输入端。上位机(PC机或 单片机)与驱动器仅以2条线相连。 方式2为串行通讯方式：上位机(PC机或单片机)将控制命令发送给驱动器，驱动器根据控制命令自行完成有关控制过程。 方式3为拨码开关控制方式：通过K1K5的不同组合，直接控制步进电机。 当上电或按下复位键KR后，AT89C2051先检测拨码开关KX、KY的状态，根据KX、KY 的不同组合 ，进入不同的工作方式。以下给出方式1的程序流程框图与源程序。 在程序的编制中，要特别注意步进电机在换向时的处理。为使步进电机在换向时能平滑过渡，不至于产生错步，应在每一步中设置标志位。其中20H单元的各位为步进电机正转标志位;21H单元各位为反转标志位。在正转时，不仅给正转标志位赋值，也同时给反转标志位赋值;在反转时也如此 。这样，当步进电机换向时，就可以上一次的位置作为起点反向运动，避免了电机换向时产生错步 。 3.2.2键盘LED模块 为实现人机对话，该系统设计扩展了3x4按钮矩阵键盘和4位8段LED数码管，可手动直接操作该控制系统。系统上电后，通过键盘输入步进电机的启停、步数转速和转向等，由LED管动态显示步进电机的转速和转向。键盘的输入和LED管的输出由8279进行控制，减少单片机工作负担。8279编程工作在键盘扫描输入方式，读入键盘时具有去抖动功能，避免误触发。图3为键盘LED模块设计结构框图。3.2.3驱动放大模块 控制系统采用步进电机控制用的脉冲分配器(又称逻辑转换器)PMM8713，该器件是CMOS集成电路，相输出驱动能力(源电流或吸入电源)为20 mA，适用于控制三相或四相步进电机，可选择下列6种激励方式：三相步进电进：1相，2相，1-2相；四相步进电进：1相，2相，1-2相。输入方式可选择单时钟(加方向信号)和双时钟(正转或反转时钟)两种方式，具有正反转控制、初始化复位、原点监视、激励方式监视和输入脉冲监视等功能。器件PMM8713由时钟选通、激励方式控制、激励方式判断和可逆环形计数器等部分构成，所有输入端内都设有施密特电路，可提高抗干扰能力。PMM8713输出需接功率驱动电路，选用功率驱动器PMM2101，最大输出电流为14 A，满足驱动步进电机的要求。驱动放大电路如图4所示。MSP430单片机通过调节PMM8713的端口14输入脉冲信号控制步进电机的启停、速度和转向等。第四章 控制系统的软件设计4.1单片机程序 MOV 20H,#00H ;20H单元置初值，电机正转位置指针 MOV 21H,#00H ;21H单元置初值，电机反转位置指针 MOV P1,#0C0H ;P1口置初值，防止电机上电短路 MOV TMOD,#60H ;T1计数器置初值,开中断 MOV TL1,#0FFH MOV TH1,#0FFH SETB ET1 SETB EA SETB TR1 SJMP $ ;*计数器1中断程序* IT1P: JB P3.7,FAN ;电机正、反转指针 ;*电机正转* JB 00H,LOOP0 JB 01H,LOOP1 JB 02H,LOOP2 JB 03H,LOOP3 JB 04H,LOOP4 JB 05H,LOOP5 JB 06H,LOOP6 JB 07H,LOOP7 LOOP0: MOV P1,#0D0H MOV 20H,#02H MOV 21H,#40H AJMP QUIT LOOP1: MOV P1,#090H MOV 20H,#04H MOV 21H,#20H AJMP QUIT LOOP2: MOV P1,#0B0H MOV 20H,#08H MOV 21H,#10H AJMP QUIT LOOP3: MOV P1,#030H MOV 20H,#10H MOV 21H,#08H AJMP QUIT LOOP4: MOV P1,#070H MOV 20H,#20H MOV 21H,#04H AJMP QUIT LOOP5: MOV P1,#060H MOV 20H,#40H MOV 21H,#02H AJMP QUIT LOOP6: MOV P1,#0E0H MOV 20H,#80H MOV 21H,#01H LOOQ0: MOV P1,#0A0H MOV 21H,#02H MOV 20H,#40H AJMP QUIT LOOQ1: MOV P1,#0E0H MOV 21H,#04H MOV 20H,#20H AJM