电子毕业论文-步进电机的单片机控制

2013 届本科毕业设计（论文）目 录毕业设计任务书摘要绪 论. 1第 1 章 MCS-51 系列单片机的结构和引脚.21.1 MCS-51 引脚及功能说明.21.2 MCS-51 核心电路.41.3 定时器/计数器的结构.41.4 中断源 .5 1.5 复位.6第 2 章 步进电机72.1 步进电机的概述72.2 步进电机的分类 72.3 步进电机区别与其他控制电机的特点82.4 步进电机的特点82.5 步进电机的工作原理 .9 2.6 步进电机控制系统硬件设计.11 2.7 步进电机电机的驱动电源.122.8 步进电机的应用.16第 3 章 软件设计步进电机的恒速运行.193.1 脉冲的行成.193.2 时序脉冲的形成.19第 4 章程序及流程图.22 4.1 三相三拍脉冲串输出程序. 22 4.2 恒速运行主程序流程图-程序延时方式. 244.3 恒速运行-定时器延时方式程序清单. 25第 5 章 结束语. 28致谢. 29参考文献.29附录一30附录二33第 1 页 共 36 页绪论近年来，电子技术和计算机应用领域不断扩大，单片机技术已经成为电子技术领域中的一个新的亮点；随着电子器件和永磁材料的发展，步进电机的研究、生产及应用保持着良好的发展势头，步进电机系统已成为机电一体化元件和组件中应用广泛、产量较大的一个机种。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（及步进角）。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。由于时间有限，水平有限，设计难免存在疏漏，欢迎指正。第 1 章 MCS-51 系列单片机的结构和引脚MCS-51 系列单片机是在一块芯片上集成了 CPU、RAM、ROM、定时器/计数第 2 页 共 36 页器和多功能 I/O 口等基本功能部件的一台计算机。1.1 MCS-51 引脚及功能说明8051 单片机的外形采用 40 条引脚双列直插封装(DIP)或 LCC/QFP 封装. DIP的引脚和逻辑符号如图所示:图 1.1 单片机的引脚和逻辑符号MCS-51 因为受到集成电路芯片引脚数目的限制,所以有许多引脚具有双功能,现在对个引脚功能简要说明如下:1.1.1 主电源引脚 Vcc 和 VssVcc 电源输入端.工作电源和编程校验(8051/8751)为+5VVss(GND)接共用地端.每个电路芯片都少不了直流电源.1.1.2 时钟振荡电路引脚 XTAL1 和 XTAL2XTAL1 和 XTAL2 分别用做晶体振荡电路的反相器输入和输出端.在使用内部振荡电路时,这两个端子用来接石英晶体,振荡频率为晶体振荡频率,振荡信号送至第 3 页 共 36 页内部时钟电路产生时钟脉冲信号.这个部分给单片机提供工作节拍,是单片机的主频.1.1.3 4 个 8 位 I/O 端口-P0,P1,P2 和 P3P0 口(P0.0-P0.7)-第一功能是一个 8 位漏极开路型的双向 I/O 口.这时 P0 口可看成是用户数据总线.第二功能是在访问外部存储器时,分时先提供低 8 位地址和后提供 8 位双数据总线.这时先作为地址总线再作为数据总线,在对8751 片内 EPROM 进行编程和校验时.P0 用于数据的输入和输出.引脚的分时复用是计算机芯片节省引脚的基本方法,这样的情况后面还很多.同样的引脚在不同的地方或在不同的时间做不同的用途.P2 口(P2.0P2.7)- 第一功能是一个内部带提升电阻的 8 位准双向I/O 口.第二功能是在访问外部存储器时,输出高 8 位地址.在对 8751 片内 EPROM进行编程和校验时及扩展外部存储器时, P2 口用于接受和发出高 8 位地址.P3 口第一功能大在一个内带上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口表 1.1 P3 口各位的第二功能P3 口 引 脚 第 二 功 能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 (外部中断 0 输入端)P3.3 (外部中断 1 输入端)P3.4 T0(定时器 0 外部输入端)P3.5 T1(定时器 1 外部输入端)P3.6 (外部数据存储器写脉冲输出端)P3.7 (外部数据存储器读脉冲输出端)各端口的带负载能力有差异,P0 口的每一位能驱动 8 个 TTL 门输入端;P1P3口的每一位只能驱动 4 个 TTL 门输入端.1.2 MCS-51 的核心电路MCS-51 系列单片机的典型芯片是 8051，它包含如下功能部件。（1） 一个 8 位 CPU；第 4 页 共 36 页（2） 一个片内振荡器和一个时钟电路；（3） 4K 字节片内程序存储器 ROM；（4） 28 字节片内部数据存储器 RAM；（5） 可寻址 64K 外部程序存储器；（6） 64K 外部数据存储器空间及控制电路；（7） 21 个特殊功能寄存器（专用寄存器）（8） 32 条可编程的 I/O 线（4 个 8 位并行 I/O 端口） ；（9） 两个 16 位定时器/计数器；（10）一个可编程全双工串行口；（11）具有 5 个中断源，两个优先级嵌套中断结构。1.3 定时器/计数器的结构1.3.1 定时器/计数器方式控制寄存器 TMOD特殊功能寄存器 TMOD 用来确定定时器/计数器 0 和 1 的工作方式，其低4 位用于定时器/计数器 0，高 4 位用于定时器/计数器 1，TMOD 的格式如下表所示：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 （1） 定时器/计数器功能选择位 C/T。C/T=“1”为计数器方式，C/T=“0”为定时器方式。（2）定时器/计数器工作方式选择位 M0，M1 。定时器/计数器 4 种工作方式的选择由 M1，M0 的值决定，见表 1.3 所示：（3） 门控制位 GATE如果 GATE=“1”，定时器/计数器 0 的工作受芯片引脚 INT0（P3.2）控制，定时器/计数器 1 的工作受芯片引脚 INT1（P3.3）控制；如果 GATE=“0”，定时器/计数器的工作与引脚 INT0，INT1 无关。复位时 GATE=“0”表 1.2 定时器/计数器工作方式 M1 M0 工作方式0 0 方式 0 13 位定时器/计数器第 5 页 共 36 页0 1 方式 1 16 位定时器/计数器1 0 方式 2 具有自动重装初值的 8 位定时器/计数器1 0 方式 3 定时器/计数器 0 分为两个 8 位定时器/计数器，定时器/计数器在此无意义。1.3.2 定时器/计数器控制寄存器 TCON TCON 高 4 位用于控制定时器 0，1 的运行，其 D7，D6 两位用于定时器/计数器 1，D5，D4 两位用于定时器/计数器 0；低 4 位用于控制外部中断，与定时器/计数器无关。TCON 的格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0（1） 定时器/计数器运行控制位 TR0 ，TR1。TRi=“1”时。启动定时器/计数器工作。TRi=“0” ，停止定时器/计数器工作。TRi 由软件置“1”或清“0” 。（2）定时器/计数器 1 溢出中断标志 TF0，TF1。定时器/计数器计满溢出时，由硬件自动置 TFi=“1”。在允许中断的条件下，向 CPU 发出定时器/计数器的中断请求信号：CPU 响应中断，转入中断服务程序时，TFi 由硬件自动清零。在中断屏蔽条件下，TFi 作为查询测试用，但是需要用程序清“0” 。 在工作方式 1 时，计数器的计数初值由下式求出；N=216-X= 65536-X式子中 X 为计数次数，范围为 165536。定时器的定时时间为：T=（65536-X）Tc Tc=1s如果 fosc=12MHz，那么定时范围为 1s 65536s。1.4 中断源定时脉冲中断源又称为定时器中断源，是由定时脉冲电路或定时器产生。定时脉冲中断源用于产生定时器中断。定时器中断有内部和外部之分，内部定时器中断由单片机内部的定时器/计数器溢出时自动产生，故又称为内部定时器溢出中断；外部定时器中断通常由外部定时电路的定时脉冲通过 CPU 的中断请求输入线引起。不论是内部定时器中断还是外部定时器中断都可以使 CPU 进行计时处理，以便达到时间控制的目的。1.5 复位第 6 页 共 36 页8051 片内的复位电路如图所示，复位引脚 RST/Vpd 通过片内施密特触发器（滤除噪声）与片内复位电路相连。复位电路在每一个机器周期的 S5P2 去采样施密特触发器的输出。欲使单片机可靠复位，要求 RST/Vpd 复位保持两个机器周期（24 个时钟周期）以上的高点平。复位不影响内部 RAM 中数据。复位后，PC=0000 指向程序存储器 0000H 地址单元，使 CPU 从首地址 0000H 单元开始重新执行程序，所以单片机系统在运行出错或进入死循环时，可以按复位键重新启动。图 1.2 复位第 2 章 步进电机2.1 步进电机的概述第 7 页 共 36 页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（及步进角）。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，从而达到调速的目的。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机在工程上的一种解释为：步进电机每当输入一个电脉冲，电动机就转动一个角度，电机前进一步，脉冲一个一个地输入，电动机便一步一步地前进，步进电机的输入即不是交流电，也不是直流电，而是电脉冲，它输出的角位移与输入的脉冲数成正比。转数与脉冲频率成正比，控制输入脉冲数量，频率及电动机组合绕组的通电顺序，就可以得到各种需要的运行特性。实际应用中对步进电机的要求：1、步进电机在电脉冲的控制下能迅速起动、正反转、停转及在很宽的范围内进行转速调节；2、加工精度高，即要求一个脉冲对应的位移量小，并要准确、均匀。这就要求步进电机步距小，步距精度高，不得丢步或是过冲；3、动作快速。即不仅起动、停步、反转快，并能连续高速运转以提高劳动生产率；4、输出转矩大，可直接带动负载。2.2 步进电机的分类步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）(1) 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；(2) 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。本设计采用三相反应式步进电机。(3) 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。2.3 步进电机区别于其他控制电机的特点它是通过输入脉冲信号来进行控制的，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。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：(1) 控制换相顺序第 8 页 共 36 页通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为 A-B-CD,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D 相的通断。(2) 控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转(3 )控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。2.4 步近电机的特点（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） 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，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。（3） 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。（4） 易于起动、停止、正反转及变速，影响性也好。（5） 停止时，可有自锁能力。（6） 步距角选择范围大，可在几十角分至 180大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转距稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。（7） 速度可在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步近电机可使它们完全同步运行。（8） 步近电机带惯性负载的能力较差。（9） 不能直接使用普通的交直流电源驱动。2.5 步进电机工作原理步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置。步进电机具有快速启动和停止的能力，当负荷不超过步进电机所提供的动态转距值时，它就可能在一瞬间实现启动和停转。它的步距角和转速不受电压波动和负第 9 页 共 36 页载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响，仅与脉冲频率有关。每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。正因为步进电机具有快速启停，精确步进以及能直接接收数字量的特点，所以在定位场合得到了广泛的应用。下面介绍的是一种最常见的小步距角的三相反应式步进电机。2.5.1 结构： 图 2.1 主体结构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。如图 2.2图 2.2 电机转子示意图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）定转子的展开图如图 2.3图 2.3 定转子的展开图第 10 页 共 36 页2.5.2 旋转如 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步进电机旋转的物理条件。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。 2.5.3 力矩电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量 ）当转子与定子错开一定角度产生力 F 与（d/d）成正比 第 11 页 共 36 页S 图 2.4 力矩示意图其磁通量 =Br*S Br 为磁密，S 为导磁面积， F 与 L*D*Br 成正比 L 为铁芯有效长度，D 为转子直径 Br=NI/R NI 为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R 为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。2.6 步进电机控制系统硬件设计通过上述对步进电机工作原理的分析，当单片机控制步进电机时，可以很方便的使不同相数的步进电机按任一种可行的通电方式进行控制。典型的控制步进电机系统原理框图如下图所示。CPU 接口电路 驱动电路 步进电机 负载在这个控制系统中，单片机的主要作用 是提供步进电机的时序脉冲。每当步进电机从脉冲输入线上得到一个脉冲，便沿时序脉冲所确定 的方向步进一步。 第 12 页 共 36 页图 2 .5 单片机控制三相步进电机原理图、由 2.5 可知，由于被控制的步进电机要求高电压和大电流驱动，为使 89C51单片机的 P1 口能可靠的驱动负载，所以在 P1 口之后要加一个 7406 驱动器，以便驱动脉冲功率放大极的达林顿复合管，使电机绕组的静态电流达到 2A。2.7 步进电机电机的驱动电源驱动电源：步进电机的驱动电源与步进电机是一个相互联系的整体，与步进电机的性能是密切联系的。步进电机的性能是由电机和电源两部分配合反应出来的。因此步进电机的驱动电源在步进电机中占有相当重要的位置。对于扭矩在 4N*M 以下的反应式步进电机，多采用单一电压进行驱动，驱动电压通常不超过 80V。因此，由于采用的电压不是太高，电压在低速运行时振荡不大，高速时也有一定的扭矩。而对于 4N*M 以上的反应式步进电机，如果仍然采用单电压供电，即不管电机运行在低速状态还是高速状态，总是采用同一种电压进行驱动。这样，当驱动电压偏低时，电机的低频振荡却不足；当驱动电压偏高时，高频扭矩虽然偏高，但又会产生低频振荡，造成电机的缺步。鉴于以上问题，本文设计了一种驱动电源，步进电动机在低频运行时采用低电压，频率振荡小；在高速运行时采用高电压，高频扭矩大，并且高，低电压能够自动切换。第 13 页 共 36 页2.7.1 步进电机的驱动电源应满足以下要求(1) 驱动电源的相数，通电方式，电压和电流都应满足步进电机的控制要求；(2) 驱动电源要满足起动频率运行频率的要求，能在肩宽的范围内实现对步进电机的控制；(3) 能抑制步进电机的振荡；(4)工作可靠，对工作现场的各种干扰有较强的抑制作用。2.7.2 步进电机驱动电源的组成步进电机的驱动电源一般由脉冲信号发生电路,脉冲分配电路和功率放大电路等部分组成.脉冲信号发生电路产生基本脉冲信号供给脉冲分配电路.脉冲分配电路完成步进电机控制各相脉冲信号;功率放大电路对脉冲分配回路输出的控制信号进行放大以能够驱动步进电机的各相绕组,使步进电机转动.脉冲分配器有多种形式,现在逐步被单片机取代.功率放大电路对步进电机的性能有十分重要的作用,功率放大电路有单电压,双电压,斩波型,调频调压型和细分型等多种形式.今年来出现将控制信号形成和功率放大电路集成在一起的集成控制电源.2.7.3 三相反应式驱动器的工作原理由于步进电机种类繁多，其电源种类也很多，为方便，本文以三相反应式步进电动机的一种电源设计为例进行说明。步进电动机能否发挥出最佳的运转性能，主要取决于步进电动机的驱动电源驱动器。本文的步进电机驱动器适用于三相反应式步进电动机，绕组通电采用三相六拍的控制方式，其基本要求可以归结为以下三点：（1）低速运转时，由于一个步距持续的时间较长（某一相或者两相通电） ，故希望绕组电流波形的上升沿及下降沿平缓，避免低速运转时代低频振荡。（2）为使步进电动机高速运行时具有足够的扭矩，必须使绕组电流波形的上升沿尽可能地陡峭，保证绕组电流在较短的时间内达到额定值。这样才能保证步进电动机的矩频特性曲线在高频段三平坦的，提高其截至频率。（3）为了保证步进电动机在转动过程中的力矩稳定而且足够大，应使绕组电流维持在额定值附近，不应有太大的波动。为达到以上目的，本驱动电源采用高低压电源自动切换和横流斩波的驱动方式。鉴于被控对象的电压，电流大小以及现有元器件的技术经济指标，本电源电第 14 页 共 36 页功率元件采用 N 沟道增强型硅栅-VMOS 场效应晶体管(如 IRFP250N).与以往常用的双极性器件相比,VMOS 管道主要优点在于无二次击穿的困扰,使元件的工作区域得到充分利用,同时,极高的输入阻抗使得控制电路容易做的简单可靠.2.7.3.1 高低压供电及其切换控制图 2.6 中,插座 J2 来自带中心抽头的功率变压器,16V 的交流电压经过二极管DL1,DL2 整流后,送到三端稳压器 7815 进行稳压,输出+15V 的 Vcc 电压,供给驱动器中的有关 IC 集成块使用.130V 以及 32V 的交流电压,分别经过二极管 DH1,DH6和 DM1,DM2,DM5,DM6 整流后,输出两组共地的直流电源,一组为高压 Ug,另一组为低压 Ud.在 Ug 和 Ud 之间,接一双向可控硅 TRIAC,它的门极受一光耦 IC4 的控制.图 2.6 高低压供电与自动切换原理图图 2.6 中,集成块 IC5.IC6 和 IC7 组成鉴频电路,对由控制系统输入的脉冲信号 Qa 的频率进行判断.当 QA 的频率 FA 低于某值 f0 时,IC5 触发器不翻转,图 1中的三机管 Tp 截至,IC4 截至,TRIAC 截至,步进电动机由低压 Ud 供电,此时步进电动机运行于低速状态;当 QA 的频率高于某值 f0 时,IC5 触发器翻转,导致图 1 中的三极管 Tp 导通,IC4 导通 TRIAC 导通,二极管 DM1,DM2,DM5,DM6 截至,此时 Ud 点的电压为升高,电机绕组由高压供电,电机运行于高速状态.在鉴频电路中,临界频率 f 由电阻 Rp1,Rp2 与电容 Cp1,Cp2 决定.当控制系统采用软环分,实行三相六拍的脉冲分配方式时 ,步进电机的运行频率由 f 为 QA 信号频率 FA 的 6 倍,即 f=6fA.选择合适的 Rp1,Rp3,以及 Cp1,Cp2,即可获得需要的临界频率 f0.当 f6f0 时,系统控制电机高速运转,此时,驱动器的高压开启,加在绕组的电流大,保证绕组输出足够大的扭矩;当 f6f0 时,系统控制电机低速运转,此时,高压截至,低压供电,绕组电流小,低频振荡小,电机转动平衡.第 15 页 共 36 页图 2.6 中,二极管 Dh3 阻止 DH4 输出给双向可控硅 TRIAC 的逆向触发器电流,以保证双向可控硅不能逆向导通.Ug 点始终 100Hz 的正向脉冲电压,而 Ud 点为经电容滤波后的直流电压,供电动机绕组使用.图 2.7 鉴频电路原理图2.7.3.2 绕组电流的横流斩波控制VMOS 场效应管为电压型控制器件,当栅极电压高于其阈值电压 Vgs(th)时,VMOS 管道通;而栅极电压低于 Vgs(th)时,VMOS 管关断.由于 VMOS 管的栅源极间相当于一个电容,因此对栅极驱动的要求,就是应保证栅极能够迅速地充电与快速地放电,尽可能减小通过显性区的时间,从而降低损耗.导通时,栅极电压应该足够高,以保证导通电阻小;截至时,栅极电压应该足够低 ,以保证其完全截至.如图 2.8 所示,对于绕组电压高端的 VMOS 管(MAI),其源极的电压在导通时约等于 Ud 点电压,而在截至时由于绕组续流约为 0.为此,用二极管 DA1,电容 CA1 组成充电回路,每当上管截至时,由 Vcc(+15V)经 DA1,CA1 和绕组给 CA1 充电至近似等于 Vcc(+15V).当上管导通时,上管源极电压约 RA7=100K,而 VMOS 管栅极只吸收电容的充电电流,所以 CA1 的放电电流很小.图 2.8 中,上 VMOS 管导通时,绕组两端的电压为 Ud,绕组内电流增长.当电流达到上斩波点时,在取样电阻 RA15 上的电压,大于参考电压(IC3 比较器 LM339 正输入端的比较电压),使 LM339 比较器翻转,LC1 与非门 4039 输出变为高电平,光耦IC2A 关断,上 VMOS 管关断,绕组电流第 16 页 共 36 页图 2.8 电机绕组横流斩波的原理图2.8 步进电机的应用2.8.1 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。(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。(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。一第 17 页 共 36 页般情况下，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) 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）综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：图 2.9 电机选择的一般步骤2.8.1.4 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) 2.8.2 应用中的注意点1、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过 1000 转， （0.9 度时6666PPS)，最好在 1000-3000PPS(0.9 度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3、由于历史原因，只有标称为 12V 电压的电机使用 12V 外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG 采用直流第 18 页 共 36 页24V-36V，86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V） ，当然 12 伏的电压除12V 恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用 5 相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。8、电机在 600PPS（0.9 度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。9、应遵循先选电机后选驱动的原则。第 19 页 共 36 页第 3 章 软件设计由步进电机的工作原理可知，步进电机要转动，必须将电脉冲按一定的顺序加到电机绕组上才能使电机按规律运转。因此，软件设计的目的，就是按规定的顺序产生脉冲串。3.1 脉冲波的生成用软件产生脉冲波的方法是先输出一个高电平，然后进行延时，再输出一个低电平，再进行延时。延时时间的长短，由步进电机的工作频率决定。3.2 时序脉冲的形成已经知道步进电机的旋转规律与内部绕组的通电顺序和通电方式有关。以常用的三相步进电机为例，通常由三种通电方式。 三相单三拍 ABCA； 三相双三拍 ABBCCAAB； 三相六拍 AABBBCCCAA。按以上顺序通电，步进电机正转，按相反顺序通电，步进电机反转。在表3.1 表 3.2表 3.3 所示的各种控制模型字中，以模型字的 012 位分别对应三相步进电机的 ABC 相绕组。表 3.1 三相单三拍控制模型字节拍 控制模型字正转 反转通电相二进制 十六进制123321ABC00000001000000100000010001H02H04H表 3.2 三相双三拍控制模型字第 20 页 共 36 页节拍 控制模型字正转 反转通电相二进制 十六进制123321ABBCCA00000011000001100000010103H06H05H表 3.3 三相六拍控制模型字节拍 控制模型字正转 反转通电相二进制 十六进制123456654321AABBBCCCA00000001000000110000001000000110000001000000010101H03H02H06H04H05H由三相三拍通电方式的二进制数可以看出，步进电机每步进一次，高电平就左移或右移一步。因此可以在 A 累加器中放一个时序字节，每次将累加器中的时序字节经 P1 口输出后，累加器就左移或右移一位，使其恰好等于下一时刻所需要输出的时序字节。89C51 单片机为 8 位字长，8 不能被 3 整除。若把进位标志位考虑在内，可以看成是第“9”位，就能实现三相单三拍和三相双三拍通电方式。三相单三拍通电方式，在 A 累加器中放时序字节 49H，示意图如下。 指令：RLC A CY D7 D0C B A （a）正转指令：RRC ACY D7 D0C B A （b）反转0 1 0 0 1 0 0 10 1 0 0 1 0 0 1C0第 21 页 共 36 页三相双三拍通电方式，在 A 累加器中放时序字节 DBH，示意图如下。指令：RLC A （a）正转C B A指令：RRC AC B A （b）反转 注意，当执行程序影响标志位 CY 时，在保护时序字节时也必须保护 PSW 寄存器的内容。由前面的分析可知，产生时序脉冲的方法如下。用单片机的 P1.0P1.1 和 P1.2 分别控制三相步进电机的 ABC 相绕组。根据控制方式找出控制模型字。按控制模型的顺序向步进电机输出控制脉冲。1 1 0 1 1 0 1 11 1 0 1 1 0 1 100第 22 页 共 36 页第 4 章 程序及流程图4.1 三相三拍脉冲串输出程序MOV R3, #N ;设置步数计数器CLR C ;0（C）PUSH A ;保存 AMOVA, #49H(或 DBH)MOVP1， A ；输出时序字节PUSH A ；保存时序字节ACALL DELAY ；延时POP A ；恢复时序字节LOOP： RLC A（或 RRC A） ；循环移位MOV P1， A ；输出时序脉冲PUSH A ；保存时序字节ACALL DELAY ；延时POP A ；恢复时序字节DJNZ R3， LOOP ；计数器不为零转POP A ；恢复 ARET ；返回DELAY：MOV R2， #MDELAY1：MOV A， #M1LOOP1：DEC AJNZ LOOP1DJNZ R2， DELAY1RET第 23 页 共 36 页NY设步数计数器0（C）保存 A（A）P1 延时保护时序字节延时恢复时序字节RLCA（或 RRCA） （A）P1保护时序字节延时恢复时序字节 步数为 0？恢复返回时序字节（A）第 24 页 共 36 页图 4.1 三相三拍脉冲串输出程序流程图：4.2 恒速运行主程序流程图-程序延时方式。YNYNN图 4.2 恒速运行主程序流程图保护现场设步长计数器转向标志为 1？置正转模型地址输出控制模型延时，地址加 1是数据结束？步数为 0？恢复现场返回置反转模型地址恢复模型首址第 25 页 共 36 页根据图 4.2 编写程序清单如下。JC ROTEMOV R0， #20H ;正转模型首址AJMP LOOPROTE： MOV R0， #27H ；反转模型首址LOOP： MOV A, R0MOV P1, A ；输出控制脉冲ACALL DELAY ；延时INC R0 ；地址增 1MOV A, #00HORL A, R0 ；是结束标志转移JZ TPLLOOP1: DJNZ R4, LOOP ；步数不为零转移POP A ；恢复现场RET ；返回TPL: MOV A, R0CLR C ；恢复模型首址SUBB A, #06HMOV R0, AAJMP LOOP1DELAY: MOV R2, #MDELAY1:MOV A, #M1LOOP2: DEC AJNZ LOOP2DJNZ R2, DELAY1RET4.3 恒速运行-定时器延时方式程序清单主程序 MOV R4, #N ；设步长计数器CLR CORL C, #0D5H ；转向标志为 1 转JC ROTE第 26 页 共 36 页MOV R0, #20H ；正转模型地址AJMP PHROTE: MOV R0, #27H ；反转模型地址PH: MOV TMOD, #01H ；T0 定时方式 1MOV TL0, #XL ；T0 赋初值MOV TH0, #XHSETB TR0 ；启动 T0SETB ET0 ；允许 T0 中断SETB EA ；等待中断LOOP: MOV A, R4JNZ LOOPCLR EA ；CPU 关中断SJMP HERE ；结束中断服务程序PUSH A ；保护现场MOV A, R0MOV P1, A ；输出控制模型DEC R4 ；步长减 1INC R0 ；地址增 1MOV A, #00HORL A, R0 ；是结束标志转移JZ TPLTOR: MOV TL0, #XL ；赋初值MOV TH0, #XHPOP A ；恢复现场RET I ；从中断返回TPL: MOV A,R0CLR C ；恢复模型首址SUBB A, #06HMOV R0, A AJMP TOR第 27 页 共 36 页NYYNNY图 4.3 恒速运行主程序图-定时延时方式转向标志为 1 否 允许 T0 中断CPU 开中断结束中断服务程序保护现场输出控制模型步长计数器减 1模型地址增 1模型结束恢复模型首址T0 赋初值恢复现场返回步长为 0 否？主程序设步长计数器置正向地址指针T0 方式 1 定时T0 赋初值启动 T0置反向地址指针第 28 页 共 36 页第 5 章 结束语这次设计采用单片机控制三相反应式步进电机恒速运行，具有硬件简单，可靠性高的特点。步进电机的用途比较广泛，主要用于办公自动化机器如硬盘驱动器，软盘驱动器，打印机，传真机，复印机等；还可以用于记录仪，电子微型分析测试仪，自动编织机，机器人等。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。致谢第 29 页 共 36 页这次毕业设计使我对单片机以及步进电机都有了一定的了解，达到了预期的目的，从定题到完成，指导老师给予了非常耐心的指导，提出许多宝贵的意见，解决不少实际问题，于此我特向董蕴华老师表示感谢。另外，还要感谢那些曾经给过我启发与帮助的同学，正是因为有了你们的帮助，我的毕业设计才会得以顺利而圆满的完成。 参考文献：1刘华东 单片机原理与应用电子工业出版社2刘宝廷 程树康 步进电机及其驱动控制系统 哈尔滨工业大学出版社 19973耿长清 单片机应用技术 化学工业出版社 20024张忠夫，机电传动与控制 机械工业出版社 20015许晓峰 高等教育出版社 电机及拖动 6微特电机 微特电机编辑部 2002-2007.27电机技术 上海市电机技术研究所 2007.1附 1：一种使用的环路分配器第 30 页 共 36 页1 引言目前，步进电机环路分配器有软件环分,硬件环分和软硬件环分等，但无论哪一种，功能都比较单一。2 技术方案图 1 多功能步进电机环路分配器多功能步进电机环路分配器如右图所示。它主要由 EPROM 存储器，可逆计数器，可编程计数长度选定电路，电机类型和电机工作方式选择电路等组成。多功能环路分配器的思想是：将不同种类的歩进电机在不同耕作方式下的励磁状态转换表按顺序分别存入指定的 EPROM 地址区域内。用低几位地址作为每一个励磁状态转换表的偏移地址，用高位地址来决定步进电机的种类及不及电机的工作方式。EPROM 的每一位数据输出端作为步进电机每一相绕组的控制信号。将计数器的并行数据输出端与 EPROM 的低四位地址相连，EPROM 的地址增减顺序就决定第 31 页 共 36 页了步进电机的运行方向，因此，控制计数器的计数方向也就实现了步进电机的方向控制。由于励磁方式不同，装填转换表的字节长度也不一样，为了实现连续运转，要求前级计数器的计数长度应与状态转换表的字节长度一致。用 74LS191 可逆计数器实现不同的计数长度需加上一些外围电路，图 1 中可编程计数选定电路就是为实现这一功能而设定外围电路。电路的工作原理为：4 个异或门其中的一个输入分别与 74LS191 的数据输出端相连，另一个输入分别通过开关与高电平相连。当 QA,QB,QC,QD 的数值分别与 S5,S6,S7,S8 设定的数值相同时，便将计数器复位。该电路通过开关的开断，可实现 16 种及其以内的任意计数长度的设置。电机类型选择电路有转换开关及编码电路组成，编码电路的输出直接与 EPROM 的高四位地址线相连，表 1 中转换开关共有 9 种类型的电机（最多可选 16 种） 。表 1：分配器各种参数、开关状态之间的相互状态对应表注：开关状态：“1”-合：“0”开。上表列出了步进电动机的类型，相数，励磁方式，开关状态，状态转换表在EPROM 中的存储范围，开关状态，所用的输出端子及转换开关位置之间的相互对应关系。开关状态 地址输出电机类型相数工作方式 地址范围 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7转换开关位置 3 三相双三拍三相六拍三相六拍二细分010H-01BH020H-02BH030H-03BH1 0 0 0 1 1 0 10 1 0 0 1 1 0 11 1 0 0 1 1 0 1 94 四相双四拍四相八拍四相八拍二细分140H-14FH150H-15FH160H-16FH0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 10 1 1 0 1 1 1 1 85 五相双五拍五相双十拍270H-279H280H-289H1 1 1 0 1 0 0 11 0 0 1 1 1 0 1 7反应式步进电机6 六相双六拍六相十二拍 390H-39BH3A0H3ABH1 0 0 1 1 1 0 10 1 0 1 1 1 0 1 6永磁式2