基于AT89C51型单片机的步进电机转速控制器

1、山东科技大学学士学位论文 i 摘摘 要要 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一 个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累 积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常 的简单。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

2、来改变电机的转速，从而实现步进 电机的调速。在本设计方案中采用 at89c51 型单片机内部的定时器改变 cp 脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行控制，实现电机调速与正反转 的功能。 关键词：关键词： 步进电机；单片机；调速系统 山东科技大学学士学位论文 ii abstract it is changing the electric impulse signal to the open loop control component of angular motion or thread displacement that step advances the electrical machi

3、nery. the rotational speed of electrical machinery and the seat that stops only to depend on frequency and the pulse of the pulse signal number under the circumstances of non- overload, and with namelying because of the influence of load change, but the electrical machinery turned one step apart fro

4、m the horn. the existence of this linear relation, again step advancing the electrical machinery only error of periodicity and does not have the accumulated error etc characteristics. makes in speed and seat etc the control domains with step advances the electrical machinery to come control what bec

5、omes very simply. step advancing the velocity modulation of electrical machinery generally to be the frequency that the pulse of electrical machinery step is advanced in the change input is realized that the step advances the velocity modulation of electrical machinery, and advances the electrical m

6、achinery and whenever moves a built-in angle tos a pulse because of step, delay-doppler mapping the length comes that the concrete control step advances the rotational speed that the horn comes to change the electrical machinery, thus realizes that the step advances the velocity modulation of electr

7、ical machinery. thus the frequency that the timer which adopted inside at89c51s mould list piece machine in this design proposal changes pulse of cps is realized that advancing the rotational speed of electrical machinery to step control, and realizes electrical machinery velocity modulation and fun

8、ction reversing. keywords: stepper motor; mcu; speed control systerm 山东科技大学学士学位论文 1 目目 录录 前前 言言.1 1 1 步进电机概述步进电机概述.2 1.1 步进电机的特点.2 1.2 步进电机的工作原理.2 1.3 步进电机的技术参数.3 1.3.1 步进电机的基本参数.3 1.3.2 步进电机动态指标及术语.4 1.4 步进电机的分类.5 1.4.1 步进电机分为三大类.5 1.4.2 步进电机的内外结构.6 1.5 步进电机详细调速原理.7 1.6 本次设计的基本要求.8 2 2 方案的论证方案的论证.8

9、 2.1 控制方式的确定.8 2.2 驱动方式的确定.11 2.3 驱动电路的选择.12 2.4 基本方案的确定.13 3 3 硬件电路的设计硬件电路的设计.13 3.1 单片机的选择.13 3.1.1 单片机的引脚功能.14 3.1.2 主要特性.14 3.2 步进电机的选择.15 3.2.1 三相单三拍通电方式.16 3.2.2 三相双三拍通电方式.17 3.3 驱动电路的选择.22 3.4 显示电路与键盘的选择.24 3.5 反馈电路的选择.29 3.5.1 光电编码器原理.29 3.6 电源电路设计.30 山东科技大学学士学位论文 2 3.7 抗干扰设计.32 3.8 看门狗电路.33

10、 3.8.1 max813l 功能简介.34 3.8.2 看门狗电路各引脚功能.34 4 4 算法的设计算法的设计.36 4.1 pid 控制算法.36 5 5 软件的设计软件的设计.43 5.1 显示子程序的设计.43 5.2键盘子程序的设计.44 5.3驱动程序流程的设计.45 5.4正反转程序流程图.46 5.4.1正反转程序流程图.46 5.4.2 转速快慢程序流程图.47 5.4.3 定时中断流程图.48 6 6 实验结果与分析实验结果与分析.49 6.1 有关参数的计算与分析.49 6.2 理论与实际的分析.50 7 7 总总 结结.52 可行性报告可行性报告.53 参考文献参考文

11、献.54 致致 谢谢.55 附附 录录.56 山东科技大学学士学位论文 1 前前 言言 步进电机最早是在 1920 年由英国人所开发。1950 年后期晶体管的发 明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经 过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性 能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。 步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进 电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动 的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电 动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步

12、进 电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同 步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可 获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激 励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片 机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控 机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成 为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电 能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。 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 1

13、00%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（vr）、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。 山东科技大学学士学位论文 2 1 1 步进电机概述步进电机概述 1.1 步进电机的特点步进电机的特点 (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

14、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

15、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 山东科技大学学士学位论文 3 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

16、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步进电机的技术参数 1.3.1 步进电机的基本参数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

17、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 山东科技大学学士学位论文 4 驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 (4)保持转矩（

18、holding torque）：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。 1.3.2 步进电机动态指标及术语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

19、%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。如下图1.1所

20、示： (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 山东科技大学学士学位论文 5 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 图 1.1 力

21、矩频率曲线 图 1.2 力矩频率特性曲线 越硬。如下图1.2所示： 其中，曲线 3 电流最大、或电压最高;曲线 1 电流最小、或电压最低，曲 线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动 电压，使采用小电感大电流的电机。 1.4 步进电机的分类步进电机的分类 1.4.1 步进电机分为三大类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。 力矩 频率 山东科技大学学士学位论文 6

22、 (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

23、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

24、 5 就 是齿 1）下面是定转子的展开如图1.3所示： 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 山东科技大学学士学位论文 7 图 1.3 定子展开图 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 个转子齿距。a) n 极段截面图 b) s 极段截面图如 图1.4所示: a) n 极段截面图 b) s 极段截面图 图 1.4 三

25、相混合式步进电机截面图 1.5 步进电机详细调速原理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 山东科技大学学士学位论文 8 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

26、 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。 1.6 本次设计的基本要求本次设计的基本要求 研究步进电机的特性、工作原理、及其具体的调速原理。 基本要求 : 步进电机采用三相步进电机，功率为 1w。调速范围为 0 到 1000r/min 最高转速时，精度 2%. 要基本上完成毕业设计，作到步进电

27、机能精确的调速，正反转、并能 在起动时不失步，基本上没有振荡，能完成完整的硬件电路图，软件设计。 2 2 方案的论证方案的论证 2.1 控制方式的确定控制方式的确定 步进电机控制虽然是一个比较精确的，步进电机开环控制系统具有成 本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控 制系统的 cp 脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速 度。 系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定 时。延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次 执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的 cp 脉冲或换向周期。延时 山东科技大学学士学位论文 9 子

28、程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是 cp 脉冲的周期，该方 法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同 速度的运行。但占用 cpu 时间长，不能在运行时处理其他工作。因此只适 合较简单的控制过程。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产 生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出 cp 脉冲的周期。当 定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当 定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序。将电机 换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从 而实现电机的速度控制。 由于从定时器装载完重新启动开始至定时

29、器申请中断止，有一定的时 间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误差，实现精确定时，要 对重装的计数初值作适当的调整。调整的重装初值主要考虑两个因素一是 中断响应所需的时间。二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值 前中断服务程序重的其他指令因。综合这两个因素后，重装计数初值的修 正量取 8 个机器周期，即要使定时时间缩短 8 个机器周期。用定时中断方 式来控制电动机变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小。在控制 过程中，采用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载 值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的 rom 中，系统在运行中用查表法查出所需

30、的装载值，这样可大幅度减少占 用 cpu 的时间，提高系统的响应速度愿大多数步进电机运动控制系统都运 行在开环状态下，因为成本较低，并可提供运动控制技术固有的位置控制， 无须反馈。但是，在某些应用中，需要更多的可靠性、安全性或产品质量 的保证，因此，闭环控制也是一种选择.以下是一些实现步进电机闭环控 制的方法： (1)步进确认，这是最简单的位移控制，使用一个低值的光学 山东科技大学学士学位论文 10 编码器计算步进移动的数量。一个简单的回路与指令校验的步进电机比较， 验证步进电机移动到预计的位置； (2)反电动势, 一种无传感器的检测方法，使用步进电机的反电动势 （electromotivef

31、orce，emf）信号，测量和控制速度。当反电动势电压 降至监测探测水平时，闭环控制转为标准开环，完成最终的位移移动； (3)全伺服控制，指全时间的使用反馈设备，用于步进电机-编码器、 解码器、或其它反馈传感器上，从而更为精确地控制步进电机位移和转矩。 其它的方法包括各种不同的反电动势控制电机参数测量和软件技术， 一些制造企业都会使用这些方法。这里，步进驱动监控和测量电机线圈， 使用电压额电流信息提高步进电机控制。正阻尼使用这一信息阻挡振动的 速度，产生更多的可用的转矩输出，降低转矩的机械振动损耗。无编码器 安装监测采用信息检测同步速度的损耗。 传统步进电机控制通常采用反馈设备和非传感方法，是

32、有效的实现带 有安全需求、危险状况或高精确度要求的运动应用的方法。 大多数基于步进电机的系统，一般都运行在开环状态下，这样可提供 一个低成本的方案。 事实上，步进系统可提高位移控制的的性能，且不 需要反馈。但是，当步进电机在开环时运行，在命令步幅和实际步幅之间 会有同步损耗的可能。 闭环控制，是传统步进控制的一个部分，能有效地提供更高地可靠性、 安全性或产品质量。在这些步进系统中，反馈设备或间接参数传感方法的 闭环能进行校正或控制失步、监测电机停滞，以及确保更大的可用转矩输 出。近期，步进电机的闭环控制（clc）还能帮助执行智能分布运动架构。 然而，开环操作会有失步的风险，这将产生定位失误。但

33、与伺服系统中使 山东科技大学学士学位论文 11 用的编码器相比，闭环步进电机采用的编码器成本更低。故选择闭环控制。 2.2 驱动方式的确定驱动方式的确定 并于步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过 cpu 直接来驱动， 这种方法一般不宜采用，因为 cpu 的输出电流脉冲是特别小的它不能足以 让步进电机的转动；别一种是通过 cpu 来间接驱动，就是把从 cpu 输出的 信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机， 这种方法比较安全可靠。固本次设计应采用 cpu 间接驱动步进电机。 用编码器还的测速发电机作为转速测量工具,因为选择了闭环控制， 就必须有反馈元件，反馈元件一般有

34、两种，一种是采用同轴的测速发电机， 把步进电机的转速反馈回来，然后通过显示器显示出来并对步进电机进行 调节；别一种是通过光同轴的电编码器把步进电机的转速反馈回来对步进 电机进行调节；两者相比，后者的设计比较简单，价格便宜，安全可靠， 污染少。固一般采用后者，用光电骗码器作为反馈元件。 2.3 驱动电路的选择驱动电路的选择 步进电机的驱动电机有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压 驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。单电压驱动是步进电机控制中最为简 单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。它的最大特点是结 构简单，因它的工作效率低，特别是在高频下更显的突出。它的外接电阻 r 要消耗相当一

35、部分的热量，这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方 式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。 双电压驱动是电路一般采用两种电源电压来驱动，因这两个电源分别 是一个为高压一个为低压，因此也称为高低压驱动电路。双电压驱动电路 山东科技大学学士学位论文 12 的缺点是在高低压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降。 不宜于电机的正常运行。 对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的 效率。所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路，它可以用较高的电 源电压，同时无需外接电阻来限定期额定电流和减少时间常数。但由于其 波形顶部呈现锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声。 细分驱

36、动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转 动一步，一般会根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕阻会轮流切换， 固可以使步进电机的转子旋转。细分控制的电路一般分为两类，一类是采 用线性模拟功率放大器的方法获得阶梯形电流，这种方法简单，但效率低。 别一种是用单片机采用数子脉宽调制的方法获得阶梯电流，这种方法需要 复杂的计算可使细分后的步距角一致。但因本次设计对步进电机的精度要 求比较高转速的调节范围比较广，固应选用驱动芯片 8713 来驱动，并通 过软件来实现步进电机的调速。 2.4 基本方案的确定基本方案的确定 因本次设计的要求，选用三相三拍步进电机，单片机选用 89c51 作为

37、控制器。选取用 8279 来驱动显示和键盘。选用 8713 作为步进电机的驱动 芯片并通过光电耦合来驱动步进电机。然后由于步进电机同轴的光电编码 器作为反馈元件，并把反馈回的信号经 cpu 处理后再由显示器显示出来。 但由键盘输入的速度数值了得通过显示器来显示，固本次设计要两排显示， 一排来显示给定的转速一排来显示实际的转速。系统原理框图如2.1所示： 山东科技大学学士学位论文 13 光电编码器 8279 显示器 光电耦合 at89c51 键盘 8713 三相步 进电机 图 2.1 系统原理框图 3 3 硬件电路的设计硬件电路的设计 3.1 单片机的选择单片机的选择 本次设计以 cpu 选用

38、89c5l 作为步进电机的控制芯片89c51 的结构 简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上使用方便等优 点，而且完全兼容 mcs5l 系列单片机的所有功能。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，俗 称单片机。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。由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁 存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c

39、51 是一种高效微控制器，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。 3.1.1 单片机的引脚功能单片机的引脚功能 (1)vcc（40）：电源+5v。 (2)vss（20）：接地，也就是 gnd。 (3)xtl1（19）和 xtl2（18）：振荡电路。 山东科技大学学士学位论文 14 单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一 个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个 电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需 在 xtl2 上加外部时钟信号（详细的内容将在以后的课程中专门介绍）。 (4)psen（29）：片外 rom

40、 选通信号，低电平有效。 (5)ale/prog（30）：地址锁存信号输出端/eprom 编程脉冲输入端。 (6)rst/vpd（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。 (7)ea/vpp（31）：内/外部 rom 选择 端。 (8)p0 口（39-32）：双向 i/o 口。p1 口（1-8）：准双向通用 i/0 口。 p2 口（21-28）：准双向 i/0 口。原理图如3.1所示： 3.1.2 主要特性主要特性 与 mcs-51 兼容 4k 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环数 据保留时间：全静态工作：0hz-24hz 三级程序存储器锁定、128*8 位内部 ram、32 可编

41、程 i/o 线、两个 16 位定时器/计数器、5 个中断源、可编程 串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:13-jun-2010sheet of file:g:动动动动动.ddbdrawn by: t1/p3.5 15 wr /p3.6 16 rd/p3.7 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 t0/p3.4 14 p1.0 1 p1.1 2 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.2 3 p1.6 7 p1.7 8 rxd/

42、p3.0 10 txd/p3.1 11 rst/vpd 9 p0.1/ad1 38 int0/p3.2 12 p2.4/a12 25 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 int1/p3.3 13 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale/prog 30 ea/vpp 31 p0.7/ad7 32 p0.6/ad6 33 p0.5/ad5 34 p0.4/ad4 35 p0.3/ad3 36 p0.2/ad2 37 p0.0/ad0 39 vcc 40 at89c51 at89c51 山

43、东科技大学学士学位论文 15 图 3.1 at89c51 的引脚图 (1) 振荡器特性： xtal1 和 xtal2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以 配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱 动器件，xtal2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发 器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平 要求的宽度。 (2)芯片擦除： 整个 perom 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合， 并保持 ale 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全 被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操

44、作必须被执行。 此外，at89c51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支 持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，cpu 停止工作。但 ram 定时 器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 ram 的内容 并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 3.2 步进电机的选择步进电机的选择 因本次设计的要求，步进电机的应选用三相三拍的步进电机，关于步 进电机的具体说明如下： 反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的 反应转矩而转动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反 应式步进电动机为例说明其工作原理. 图3.2是

45、一台三相反应式步进电动机的原理图定子铁芯为凸极式共有 三对六个磁极每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组转子用软磁性材料制 山东科技大学学士学位论文 16 成也是凸极结构只有四个齿齿宽等于定子的极靴宽下面通过几种基本的控 制方式来说明其工作原理。 图 3.2 三相反应式步进电动机的原理图 3.2.1 三相单三拍通电方式三相单三拍通电方式 当 a 相控制绕组通电,其余两相均不通电,电机内建立以定子 a 相极为 轴线的磁场.由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点,使转子齿 1, 3 的 轴线与定子 a 相极轴线对齐,如图3.2 (a)所示.若 a 相控制绕组断电,b 相 控制绕组通电时,转子在反应转矩的

46、作用下,逆时针方向转过 30,使转子 齿 2,4 的轴线与定子 b 相极轴线对齐,即转子走了一步,如图3.2(b)所示, 若再断开 b 相,使 c 相控制绕组通电,转子又转过 30使转子齿 1,3 的轴 线与定子 c 相极轴线对齐,如图3.2(c)所示.如此按 a-bc-a 的顺序轮流 通电,转子就会一步一步地按逆时针方向转动,其转速取决于各相控制绕组 通电与断电的频率,旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序若按 a-c-b-a 的顺序通电,则电机按顺时针反方向转动. 上述通电方式称为三相单三拍运行,”三相”是指三相步进电动机,” 单”是指每次只有一相控制绕组通电,控制绕组每改变一次通电方式称为

47、 山东科技大学学士学位论文 17 一拍,三拍是指经过三次改变通电方式为一个循环,我们称每一拍转子转过 的角度为步距角。 .三相单三拍运行时的步距角为 30 度.其原理图如3.3所示: 图 3.3 定转子展开图（a 相绕组通电） 3.2.2 三相双三拍通电方式三相双三拍通电方式 控制绕组的通电方式为 ab-bc-ca-ab 或 ab-ca-bc-ab 每拍同时有两 相绕组通电三拍为一个循环，当 ab 两相控制绕组同时通电时转子齿的位 置应同时考虑到两对定子极的作用，只有 a 相极和 b 相极对转子齿所产 生的磁拉力相平衡才是转子的平衡位置如3.4 b 所示，可见双三拍运行时 的步距角仍是 30,

48、但双三拍运行时每一拍总有一相绕组持续通电，例如 由 ab 两相通电变为 bc 两相通电时，b 相保持持续通电状态 c 相磁拉力 图使转子逆时针方向转动，而 b 相磁拉力却起有阻止转子继续向前转动的 作用。即起到一定的电磁阻尼作用所以电机工作比较平稳，而在三相单三 拍运行时由于没有这种阻尼作用，所以转子达到新的平衡位置容易产生振 荡稳定性不如双三拍运行方式。三相双三拍运行方式 ab 相与 bc 相导通的 结构如图3.4所示： 山东科技大学学士学位论文 18 (a)bc 相导通 (a)ab 相导通 图 3.4 三相双三拍运行方式 在分析步进电动机动态运行时，不仅要知道某一相控制绕组通电时的 矩角特

49、性，而且要知道整个运行过程中各相控制绕组通电状态下的矩角特 性，即所谓矩角特性族以三相单三拍的通电方式为例，若将失调角 的 坐标轴统一取在 a 相磁极的轴线上，显然 a 相通电时矩角特性如图3.5中 曲线 a 所示稳定平衡点为 o 点，b 相通电时转子转过 1/3 齿距相当于转 过 2/3 电角度,它的稳3.5中曲线 c, 这三条曲线就构成了三相单三拍通 电方式时的矩角特性族总之矩角特性族中的每一条曲线依次错开一个用电 角度表示的步矩角 (3.1) 同理可得到三相单双六拍通电方式时的矩角特性族如图3.6 所示： 山东科技大学学士学位论文 19 图 3.5 三拍时的矩角特性族 图 3.6 六拍时

50、的矩角特性族 步进电机的动态特性是指步进电动机在运行过程中的特性它直接影响 系统工作的可靠性和系统的快速反应。 (1)单步运行状态 单步运行状态是指步进电动机在一相或多相控制绕组通电状态下仅改 变一次通电状态时的运行方式。 (2)动稳定区 当 a 相控制绕组通电时矩角特性如图3.7中的曲线 a 所示，若步进电动机 为理想空载则转子处于稳定平衡点 处，如果将 a 相通电改变为 b 相通 山东科技大学学士学位论文 20 电，那么矩角特性应向前移动一个步距角 变为曲线 b， 点为新的 稳定平衡点。由于在改变通电状态的初瞬，转子位置来不及改变，还处于 =0 的位置，对应的电磁转矩却由 o 突变为曲线

51、b 上的 c 点，电机在该 转矩的作用下转子向新的稳定平衡位置，移动直至到达 点为止。对应 它的静稳定区为，（-+） (+)， 即改变通电状态的瞬间 只要转子在这个区域内就能趋向新的稳定平衡位置，因此把后一个通电相 的静稳定区称为前一个通电相的动稳定区，把初始稳定平衡点 与动稳 定区的边界点 a 之间的距离称为稳定裕度，拍数越多步距角越小，动稳定 区就越接近静稳定区稳定裕度越大，运行的稳定性越好转子从原来的稳定 平衡点到达新的稳定平衡点的时间越短，能够响应的频率也就越高。原理 图如3.7所示: 图 3.7 稳定响应曲线 (3)最大负载能力 步进电动机带恒定负载时负载转矩为， 且 若 a 相控制

52、绕 组通电则转子的稳定平衡位置为图3.8 (a)中曲线 a 上的 点，这一点 的电磁转矩正好与负载转矩相平衡，当输入一个控制脉冲信号通电状态由 a 相改变为 b 相，矩角特性变为曲线 b 在改变通电状态的瞬间电机产生的 电磁转矩 大于负载转矩 ，电机在该转矩的作用下转过一个步距角到 山东科技大学学士学位论文 21 达新的稳定平衡点 ob，如图3.8所示: (a) (a) 图 3.8 最大负载转矩的确定 如果负载转矩增大为 ，且 ，如图3.8（b）则初始平衡位 置为 点，但在改变通电状态的瞬间电机产生电磁转矩为 ，由于 ，转子不能到达新的稳定平衡位置点 ，而是向失调角 减小 的方向滑动，电机不能

53、带动负载作步进运行，这时步进电动机实际上是处 于失控状态，由此可见只有负载转矩小于相邻两个矩角特性交点 s 所对应 的电磁转矩才能保证电机正常的步进运行，把 称为最大负载转矩 山东科技大学学士学位论文 22 也称为启动转矩当然它比最大静转矩 可求得启动转矩公式3.2。 (3.2) 3.3 驱动电路的选择驱动电路的选择 因从 cpu 输出的脉冲信号特别小，固应先经过 pwm8713 脉冲分配器对 脉冲进行分配并经过放大然后再经过光耦驱动来驱动步进进电机。具体的 连接图如3.9所示： pwm8713 芯片介绍如下 pmm8713 是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。该器件采 用 dip 1

54、6 封装，适用于二相或四相步进电机。pmm8713 在控制二相或四相 步进电机时都可选择三种励磁方式(1 相励磁，2 相励磁，3 相励磁三种励 磁方式之一)，每相最小的拉电流和灌电流为 20ma，它不但可满足后级功 率放大器的要求，而且在所有输人端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰 能力很强，其原理框图如图3.9所示。在 pmm8713 的内部电路中，时钟选 通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。pmm8713 有两种脉冲输人 法:双脉冲输人法和单脉冲输人法。采用双脉冲输人法的连线方式如图 3.10(a)所示，其中 cp、cu 两端分别输人步进电机正反转的控制脉冲。当 采用单脉冲输人法时，其

55、连线方式如图b所示； 山东科技大学学士学位论文 23 123456 a b c d 654321 d c b a t itle n um berrevisionsize b d ate:12-jun-2010sheet of file:f:动动动动动.ddbd raw n by: d 1 l 1 u n pn da r u 1 r1 r2 r3 d 1 l 1 u n pn da r u 1 r1 r2 r3 d 1 l 1 u n pn da r u 1 r1 r2 r3 +27v 图 3.9 步进电机驱动电路图 123456 a b c d 654321 d c b a title num

56、berrevisionsize b date:10-jun-2010sheet of file:h:动 动 动 动 动 .ddbdrawn by: 1 cu 16 vdd 2 cp 15 co 3 ck 14 em 4 u/d 13 1 5 ea 12 2 6 eb 11 3 7 c 10 4 8 s 9 r pwm 8713 1 cu 16 vdd 2 cp 15 co 3 ck 14 em 4 u/d 13 1 5 ea 12 2 6 eb 11 3 7 c 10 4 8 s 9 r pwm 8713 (a) (b) 图 3.10 8713 脉冲输入 123456 a b c d 6543

57、21 d c b a title numberrevisionsize b date:2-oct-2010 sheet of file:i:动 动 动 动 动 .ddbdrawn by: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 7407 cu 1 cp 2 ck 3 u/d 4 ea 5 eb 6 c 7 s 8 r 9 4 10 3 11 2 12 1 13 em 14 co 15 vdd 16 pwm8713 图 3.11 pwm8713 的引脚图 山东科技大学学士学位论文 24 pmm8713 功能介绍 pmm8713 是专用的步进电机的步进脉冲产生

58、芯片,它适用于三相和四 相步进电机。如图3.11 所示 pmm8713 的引脚,cu 为加脉冲输入端,它使步 进电机正转,cp 为减脉冲输入端,它使步进电机反转,ck 为脉冲输入端,当 脉冲加入此引脚时,cu 和 cp 应接地,正反转由 u/ d 的电平控制,ea 和 eb 用来选择励磁方式的,可以选择的方式有一相、二相和一二相励磁,c 用 来选择三、四相步进电机,vss 为芯片工作地,r 为芯片复位端,41 为四相步进脉冲输出端,31 为三相步进脉冲输出端,em 为励磁监视 端,co 为输入脉冲监视端,vdd 为芯片的工作电源( + 4 + 18v).其具体 的原理框图如3.12所示: 12

59、3456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:10-jun-2010sheet of file:h:动 动 动 动 动 .ddbdrawn by: 1 cu 16 vdd 2 cp 15 co 3 ck 14 em 4 u/d 13 1 5 ea 12 2 6 eb 11 3 7 c 10 4 8 s 9 r pwm8713 t1/p3.5 15 wr /p3.6 16 rd/p3.7 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 t0/p3.4 14 p1.0 1 p1.1 2 p1.3 4 p1.4 5 p

60、1.5 6 p1.2 3 p1.6 7 p1.7 8 rxd/p3.0 10 txd/p3.1 11 rst/vpd 9 p0.1/ad1 38 int0/p3.2 12 p2.4/a12 25 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 int1/p3.3 13 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale/prog 30 ea/vpp 31 p0.7/ad7 32 p0.6/ad6 33 p0.5/ad5 34 p0.4/ad4 35 p0.3/ad3 36 p0.2/ad2 37 p0.0/