混合步进电机驱动控制系统设计

1、重庆科技学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）题 目 混合步进电机驱动控制系统设计 姓 名_ 张 伟_ 学 号_ 2004630899 院（系）电子信息工程学院_专业班级_自动化本科 2004 级指导教师_ 常继彬 职 称_ 讲师 _评 阅 人_ 李鹏飞 _ 职 称_ 副教授 2008 年 6 月 10 日 重庆科技学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）题 目 混合步进电机驱动控制系统设计 姓 名 张 伟 学 号 2004630899 院（系）电子信息工程学院 专业班级 自动化本科 2004 级 指导教师 常继彬 职 称 讲 师 评阅教师 职 称 2008 年 6 月 10 日注 意 事 项1.

2、设计（论文）的内容包括：1) 封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2) 题名页3) 中文摘要（300 字左右） 、关键词4) 外文摘要、关键词 5) 目次页（附件不统一编入）6) 论文主体部分：引言（或绪论） 、正文、结论、参考文献7) 附录（对论文支持必要时）2. 论文字数要求：设计（论文）字数理工类不少于 1.5 万字，文科类不少于 1.2 万字。3. 附件包括：任务书、文献综述、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4. 文字、图表要求：1) 文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写。2) 工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算

3、机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画。3) 毕业论文须用 A4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印。4) 图表应绘制于无格子的页面上。5) 软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档。5. 装订顺序1) 设计（论文）2) 附件按照任务书、文献综述、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3) 教师指导毕业设计（论文）情况记录表4) 其它学生毕业设计（论文）原创性声明学生毕业设计（论文）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，论文（设计）中引用他（她）人的文献、

4、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业设计（论文）作者（签字）： 签字日期 年 月 日重庆科技学院本科生毕业设计（论文）混合步进电机驱动控制系统设计学生姓名： 张 伟 指导老师： 常继彬 讲师 专 业：自动化本科 2004 级院 （系）：电子信息工程学院 2008 年 6 月 10 日重庆科技学院本科生毕业设计 中文摘要I摘 要步进电机作为一种数字伺服执行元件，具有结构简单，运行可靠，控制方便，控制性能

5、好等优点，因此在数控机床、机器人、自动化仪表等领域有着日益广泛的应用。对于那些以低廉的开发成本，快速的开发过程，简单的系统维护为主要设计目的，而对系统的运算速度要求不高的工程项目，独立式运动控制系统是最理想的选择。为了使步进电机在转速和负载变化的情况下不失步或过冲地运行，并保持最快响应速度，就需要对其进行动态的升降速控制。本课题是以五相混合式步进电动机运行特性为出发点，开发出以 AT89C51 为核心的控制器的步进电机驱动控制系统，它可以驱动两相、三相及五相混合式步进电动机。本系统应具有实时显示的功能，以使用户能过直观的得到电机当下的运行状态，这主要是通过 LED 来实现的。一个完备的驱动控制

6、系统应具有较好的保护功能，以提高系统的可靠性。本系统在实现应有功能的基础之上还应具有过流保护功能；另外为了防止程序跑飞，本系统还设计了看门狗电路。关键词：混合步进电机 AT89C51 单片机 驱动控制 看门狗重庆科技学院本科生毕业设计 英文摘要IIABSTRACTABSTRACTAs a digital servo execution element, stepping motor is reliable, easy to be controlled and being of simple structure and excellent performance. It has been wid

7、ely used in NC machine tools, robots, automation instruments and other fields. Independency motion controller might be the best choice as a digital servo execution element, stepping motor is reliable, easy to be controlled and being of simple structure and excellent performance. It has been widely u

8、sed in NC machine tools, robots, automation instruments and other fie for those projects, which should be economic, quick to be developed, and of easy maintenance while they don t have to be of high operation speed.In order not to lose a step under a varying speed and a varying load, a dynamic speed

9、 control is needed to get the fastest response. This issue is the five-phase hybrid stepping motor running characteristics as the starting point, to develop AT89C51 controller at the core of the stepper motor-driven control system, it can drive two-phase, three-phase and five-phase hybrid stepping m

10、otor. The system should have a real-time display features to enable users to get a visual of the electrical current running, through the LED to achieve mainly. Driving a comprehensive control system should have a better protection, to enhance the reliability of the system. This system should functio

11、n in the achievement and also should be on the basis of overcurrent protection functions; procedures to prevent another run to fly, the system designed Watchdog circuit also.Keywords: Hybrid Stepping motor; AT89C51; Driving and Control; Watchdog重庆科技学院本科生毕业设计 目录III目 录中文摘要 .I英文摘要 .II1 绪论 .11.1 研究背景.11

12、.2 选题意义.21.3 国内外研究现状.31.4 研究内容.32 步进电动机原理特性 .52.1 步进电动机结构及工作原理.52.1.1 混合式步进电动机结构及工作原理简析 .52.1.2 几种步进电机的特性比较 .72.2 步进电动机控制方法概述.82.2.1 多步距角控制 .92.2.2 恒流斩波控制 .122.3 系统总体设计方案.123 驱动控制系统硬件设计 .143.1 单片机简介.143.1.1 单片机的主要应用领域 .143.1.2 AT89C51 芯片的主要性能.143.1.3 AT89C51 芯片的引脚简要说明.143.2 控制电路设计.153.2.1 单片机最小系统及引脚

13、分配 .163.2.2 按键输入及 LED 显示部分 .173.2.3 GAL 片逻辑综合.173.2 驱动电路设计.183.2.1 IR2130 的应用.183.2.2 功率桥的设计 .213.3 恒流控制电路设计.223.3.1 TL494 工作原理简介.223.3.2 TL494 功能实现过程简析.233.4 保护及抗干扰电路设计.24重庆科技学院本科生毕业设计 目录IV3.4.1 看门狗电路 .243.4.2 过流故障信号反馈电路 .253.4.3 硬件电路抗干扰设计 .264 驱动控制系统软件设计 .284.1 各子程序功能实现过程.284.1.1 系统初始化子程序 .284.1.2

14、 串口初始化子程序 .284.2 运行子程序.284.2.1 控制模式按键输入子程序 .304.3 键盘扫描子程序.304.4 显示子程序.325 结论 .34致谢 .35参考文献 .36重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论11 绪论1.1 研究背景早在十九世纪三十年代就出现了步进电动机，那时候的步进电动机实际上是一种可以自由回转的电磁铁，工作原理同今天的反应式步进电动机没有什么区别。到上世纪初，由于战争的需要，造船工业发展迅猛。在上世纪二十年代到三十年代间，一些杂志先后刊登了一些步进电动机在航海技术方面应用的文章，介绍了步进电动机的设计和计算方法。直到上世纪三十年代初这些理论才被真正用于指导

15、步进电动机的设计与生产，但由于其性能不能满足速度不断提高的舰船的要求，使得这项技术徘徊了数十年之久，一度几乎被废弃。后来由于无触点式电子关元器件的出现，解决了步进电动机励磁绕组快速换向的问题，所以在上世纪中期，步进电动机又重新崛起。 1952 年，美国麻省理工学院首先研制成三座标数控铣床。数控机床的出现提高了生产效率，推动了机械制造业的发展，对于采用哪种类型的电机作为进给机构的驱动元件一直是争论的焦点，经过理论分析和现场试验，发现使用步进电动机作为进给机构的驱动元件是较理想的选择，这一应用使得步进电动机的使用范围更加广泛。我国对步进电动机的研制及应用起步不算太晚，早在 1958 年，我国的一些

16、科研院所就研制成功了反应式步进电动机，并开始应用到数控机床中。进入上世纪六十年代中期，结构新颖的步进电动机相继问世，为了降低电机功耗以及提高效率，人们发明了永磁式和反应式步进电动机。到上世纪七十年代，步进电动机的生产进入了全盛时期，其产量每年都已 11%的指数递增。到目前为止，步进电动机已被广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外围设备、绘图仪、电子手表等多方面。由以上叙述可见混合式步进电机是产生在反应式步进电动机之后，是为了降低电机的功耗，它是在永磁感应子式低速同步电动机的基础上发展起来的，它既具有磁阻式步进电动机基于气隙磁导变化的特征，又具有径向恒定磁场的永磁式步进电动机的特征

17、。到现在为止，混合式步进电机己经成为了办公自动化和工业自动化应用场合的主流之一，迅速发展形成规模生产，同时它的性能指标不断提高，逐渐取代了变磁阻型以及永磁式步进电动机。重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论21.2 选题意义上面简要叙述了步进电动机的发展过程，下面在叙述其优越性的基础之上引出该项目的选题意义。步进电动机与一般电动机不同，它的角位移量或直线位移量正比于电脉冲数，而其线速度或转速则正比于脉冲频率。并且在负载能力范围内不会因电源电压、负载、环境条件的波动而变化。另外步进电动机还可以在宽广的范围内，通过改变脉冲频率来调速，能够快速起动、反转和制动，并且步进电动机还有一定的自锁功能。步进电

18、动机的上述特点，使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统，既具较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠的工作。这些优点使得步进电动机在庞大的电机家族中占有不可替代的位置。而混合式步进电动机的设计方法使得它就好像是反应式和永磁式步进电动机的结合，可以像反应式一样的小步距，也具有永磁式控制功率小、绕组电感比较小的特点。 目前广为使用的是两相混合式步进电动机，它的典型结构是定子 8 个极，转子齿数为 50 个，步距角为 1.8 度。它是上世纪 60 年代的美国专利，70 年代初因应用于计算机外设，且专利保护的取消而迅速发展，但因其步距角较大，特别是低频时有较严重的振动和噪声，所以仅适用于简单的，对

19、精度要求不高应用场合。 1973 年德国 BERGER LAHR 公司发明了五相混合式步进电机，比起两相电动机来其运行性能有显著的提高，主要表现为：(1)分辨率提高；(2)起动停止频率提高；(3)运行频域增宽；(4)振荡的趋势减弱；(5)定位转矩减小。可见，五相混合式步进电机性能优越、值得推广、是很有发展前景的混合式步进电动机。 步进电动机的特殊工作原理使得它不能简单的直接接到普通的交流或直流电源上运转，而需要专门的驱动器，也就是说步进电动机与它的驱动器是一个不分割的整体，步进电动机运动控制系统的性能除受到电机本体影响之外，在很大程度上还受到了驱动器性能的限制。一个好的控制器可以使步进电动机控

20、制更灵活，在很大程度上改善其运行性能。这样看来，对步进电动机运动控制系统而言，驱动控制器的设计是重中之重。本选题在充分利用 51 单片机内部资源和丰富的指令系统，深入研究五相混合式步进电动机运行特性的基础之上，开发出了适用于多种不同相数步进电动机的驱动控制器，这样的工作不但对单片机在步进电动机控制领域中的应用有一定的指导意义，并更进一步挖掘和增强了混合式步进电动机(特别是五相混合式步进电动机)的优势性能，拓宽了其应用领域，有着重要的现实意义。重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论31.3 国内外研究现状步进电机又称脉冲电动机,是数字控制系统中的一种执行元件。其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移

21、或直线位移,且其输出转角、转速与输入脉冲个数、频率有着严格的同步关系。步进电机由于其本身的特点，在具体的应用中有利于装置或设备的小型化和低成本，因而广泛地应用在众多的领域中并得以不断的发展。虽然步进电机是一种数控元件,易于同数字电路接口。但是一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。步进电机本体和步进电机驱动电路两者密不可分地组成步进电机系统。我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。70年代初期，步进电

22、动机的生产和研究有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。70年代中期至80年代中期为产品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛利用。在很多使用步进电动机作为执行元件的系统中，CPU不但要进行数据的采集、处理、监视输入设备(如键盘)、控制输入设备(如显示器)，同时还要对步进电动机进行控制。由于步进电动机的控制会占用大量的CPU工作时间, 从而影响了系统的整体性能。本文介绍了一种基于AT89C51为核心的控制器，带细分功能、恒流功能及升降

23、频功能的步进电机驱动控制系统，它可以驱动两相、三相及五相混合式步进电动机，既不占用CPU大量的时间, 又能获得良好的控制和驱动效果,很有实用价值。1.4 研究内容本课题是以五相混合式步进电动机运行特性为出发点，开发出以 AT89C51 为核心的控制器，带细分功能、恒流功能及升降频功能的步进电机驱动控制系统，它可以驱动两相、三相及五相混合式步进电动机。 系统必须能够接收用户通过控制面板设定的控制命令，并进一步对其进行处理和执行。本系统是在五相步进电动机的基础之上设计的，但是在硬件设计上还要兼顾其它相数的步进电动机，以拓宽其通用性。本系统应具有实时显示的功能，以使用户能过直观的得到电机当下的运行状

24、态，这主要是通过 LED 来实现的。一重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论4个完备的驱动控制系统应具有较好的保护功能，以提高系统的可靠性。本系统在实现应有功能的基础之上还应具有过流保护功能；另外为了防止程序跑飞，本系统还设计了看门狗电路。本课题以“混合式步进电动机驱动控制系统设计”作为实际应用背景，研究单片机在电机运动控制系统中的应用，在有效利用单片机内部资源以及详细了解相应电机运动控制系统运行特性的基础之上，进一步挖掘单片机在电机运动控制领域中的应用潜力，降低系统的成本，提高系统的性能。这样的工作无论对单片机在电机运动控制领域中的进一步推广还是对电机运动控制系统性能的进一步提高都有很大的研究

25、价值和现实意义。重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论52 步进电动机原理特性2.1 步进电动机结构及工作原理步进电动机是从电磁铁这样简单的装置演变过来的一种电磁能量转换元件1，因此设计者可以根据电磁场理论和机械结构的繁简以及具体的性能要求设计出各种形式的步进电动机。自电动机问世至今，出现过的种类可谓繁多，但常用的有反应式、永磁式以及混合式(永磁感应子式)三种。 反应式步进电动机也称为磁阻式(VR)步进电动机。它的定子磁路均由软磁材料组成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电动机的相数一般为三、四、五、六相。按绕组的排列形式，可分为单段式径向磁路、多段式径向磁路以及多段式轴

26、向磁路等三种。永磁式步进电动机是转子或定子(一般为转子)的某一方具有永久磁钢的步进电动机。另一方由软磁材料制成，绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。励磁绕组可以做成两相或多相，但一般做成两相或四相控制绕组。图 2.1 所示为两相永磁式步进电动机的径向截面图，定子上有 8 个极，相间的四个同属于一相，转子有四个极，分别具有固定的极性，相邻极的极性相反。(a)A 段铁心截面图 (b)轴向剖视图 (c)B 段铁心截面图图 2.1 两相永磁式步进电动机径向截面图2.1.1 混合式步进电动机结构及工作原理简析混合式步进电动机的的定子结构与反应式步进电动机基本相同，也分成若干极，

27、极上有小齿及控制线圈。转子由环形磁钢及两段铁心组成，环形磁钢在转子的中部，轴向充磁，两段铁心分别装在磁钢的两端，转子铁心上也有如反应式步重庆科技学院本科生毕业设计 2 步进电动机原理特性6进电动机那样的小齿，但两段铁心上的小齿相互错开半个齿距，定转子小齿的齿距通常相同。 三相混合式步进电动机的定子为三相六极，三相绕组分别绕在相对的两个磁极上，且这两个磁极的极性是相同的，在这一点上，它与三相反应式步进电动机是不同的(三相反应式步进电动机中相对的两个磁极的极性是相反的)，它的每段转子铁心上有八个小齿。 从电动机的某一端看，当定子的一个磁极与转子齿的轴线重合时，相邻磁极与转子齿的轴线就错开 1/3

28、齿距。如图 2.2(a)中所示 a 段转子铁心的情况，A 相磁极下定转子齿的轴线重合时，B、C 相磁极分别与转子齿错开 1/3 齿距。A、B、C极下的情况分别与 A、B、C 极下的情况相同。 假如转子上没有磁钢，只是在定子的控制绕组里通电，这个电动机不产生转矩。由于转子磁钢的作用，使 a 段转子铁心呈 N 极性，b 段转子铁心呈 S 极性。当 A 相通电时，转子处于下图中所示的位置，此时与 a 段转子铁心相对的定子 A相极下气隙磁导为最大，与 b 段转子铁心相对的定子 A 相极下气隙磁导为最小。当转子转动时，a 段转子铁心对应的 A 相极下气隙磁导减小，b 段转子铁心对应的 A 相极下气隙磁导

29、增大，使得 A 相主磁路上的总磁导基本不变，其他相通电时也一样，所以没有转矩，可见它与三相反应式步进电动机不一样。三相反应式步进电动机不存在转子错齿现象，通电相主磁路的磁导随着转子的转动而增大或减小。(a)a 段铁芯截面图 (b)b 段铁芯截面图图 2.2 三相混合式步进电动机的横截面图 三相混合式步进电动机的转子磁钢充磁以后，一端为 N 极，并使得与之相邻的转子铁心的整个圆周都呈 N 极性；另一端为 S 极，并使得与之相邻的转子铁心的整个圆周都呈 S 极性。如果定子绕组不通电，仅仅有转子磁钢的作用，电动机重庆科技学院本科生毕业设计 2 步进电动机原理特性7也基本上不产生转矩。永磁磁路是轴向的

30、，从转子 a 端到定子的 a 端，轴向到定子的 b 端、转子的 b 端，经磁钢闭合。在这个磁路上每个极的范围内，由于两段转子的齿错开了 1/2 齿距，当一端磁导增大时，另一端磁导必然减小，在忽略高次谐波时，使每极总磁导在转子位置不同时基本保持不变，因而整个磁路的总磁导与转子位置无关。 只有在转子磁钢与定子磁势共同作用下，才会产生电磁转矩。例如转子磁钢充磁，且定子 A 相通电的情况下，转子就有一定的稳定平衡位置，即 A 相 a 段极下定转子齿对齿的位置。当外加力矩使转子偏离稳定平衡位置时，例如转子向逆时针方向转了一个小的角度，则两段定转子齿的相对位置及作用转矩的方向，如图 2.3(a)、(b)所

31、示，由于沿圆周方向电动机结构的对称性，图中只画出了通电相一个极下的情况。可以看到，两段转子铁心所受到的电磁转矩是同方向的，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。这是由于在电动机两端，定子极性相同，转子极性相反，但互相错开了半个齿距，所以当转子偏离稳定平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。同时可以清楚地看到，混合式步进电动机的稳定平衡位置是：定转子异极性的极下磁导最大、而同极性的极下磁导最小。(a) a 段的情况(b) b 段的情况图 2.3 转子向逆时针方向转过时，两段定转子齿的相对位置及作用转矩图上述电动机任意两个相邻定子磁极轴线间的夹角为，每一个转子360 /660齿距所对应的间角度为。 3

32、60 /845可见，在连续不断地按的顺序分别给各相绕组通电ABCABCA时，每改变通电状态一次时，转子沿 CBA 方向，即步进角为 7.5。2.1.2 几种步进电机的特性比较反应式、永磁式和混合步进电动机的特点从以下两方面进行比较2。重庆科技学院本科生毕业设计 2 步进电动机原理特性8结构特点 1)反应式步进电动机 定子上有多相绕组，定子磁极和转子上均开有小齿，定、转子铁心可做成单段式或多段式。 2)永磁式步进电动机 定子上有多相绕组，但定子磁极上不开齿。转子用永久磁钢制成，转子极数与定子每相的极数相同。 3)混合步进电动机 结构复杂，为永磁式和反应式的组合，定子结构与反应式相同，转子由位于中

33、部的环形永久磁钢和位于两端的无磁性铁心组成。环形磁钢轴向充磁，两端的铁心上开有小槽。性能特点 1)反应式步进电动机 齿距角可以做得很小，起动和运行频率较高。断电时无定位力矩，需用带电定位，消耗功率较大。 2)永磁式步进电动机 步距角较大，起动和运行频率较低，断电时有定位力矩，消耗功率较小。 3)混合步进电动机步距角较小，有较高的起动和运行频率，消耗功率小，有定位力矩，兼有以上两种步进电动机的优点，结构复杂。2.2 步进电动机控制方法概述在叙述步进电动机驱动控制方法之前先给出步进电动机在控制上的特点3： (1)步进电动机的输出角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位

34、移量。 (2)步进电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速。 (3)步进电动机有保持力矩，当停止输人脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置。 (4)改变通电相序即可改变电动机转向。 (5)步进电动机相邻齿间存在误差，但是不会产生累积误差。 (6)步进电动机转动惯量较小，使得它能够较快速的启动和停止。 (7)步进电动机的缺点是效率较低，带负载能力较差，调速范围较小。步进电动机是较早使用的典型的机电一体化元件，由于它特殊的结构以及工重庆科技学院本科生毕业设计 2 步进电动机原理特性9作原理，使得步进电动机本体、步进电动

35、机驱动器和控制器成为了不可分割的整体。也可以说，步进电动机系统的性能除了与电动机本身的性能有关外，在很大程度上取决于使用的驱动器的驱动方式。步进电动机驱动控制系统框图如图 2.4所示。 图 2.4 步进电机控制系统框图由以上叙述知步进电动机在实际运行过程中还有很多的缺点，鉴于此在实际应用过程中，产生了很多的步进电动机的控制方法，比如：恒流斩波控制、升频升压控制、细分控制、升降频控制等。由于本驱动控制器是在五相步进电动机的基础之上设计实现的，所以下面将主要以五相混合式步进电动机为基础介绍。2.2.1 多步距角控制在介绍多步距角控制之前先介绍一下在步进电动机控制中普遍用到的细分控制，步进电机的细分

36、技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是提高电机的运转精度，实现步进电机步距角的高精度细分。引入细分控制的必要性在于以下几点4： 控制精度难以满足某些场合的要求。总所周知步进电动机是一种离散运动的装置，转子的转动不是连续的，这制约了它在某些要求精度很高的场合的使用。 低频特性不佳。步进电动机在低速时易出现低频抖振的现象，振动频率与负载情况和驱动器性能有关。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。 目前，细分方法大致可以分为以下两种：利用单片机或专用细分芯片对绕组电流进行 PWM 控制，进而精确的控制绕组的电流波形，使它从原来的一个矩形脉冲波分解成一个阶梯波形。

37、半拍步进方法是首次获得较高分辨率的细分方法，即在对步进电动机的步距角进行细分时，将步进电动机的控制位置数变为原来的 2 倍，从而将步距角降为原来的一半。这种方法的优点是，只需要在软件上做些许改动，因此在硬件电路的设计上就比较容易实现。本驱动控制器采用的便是这一控制方法，并称之为多步距角控制。下面对它作详细的叙述。 隔 离控制电路逻辑电路驱动与功率电路步进电动机反馈与保护电路输入控制信号重庆科技学院本科生毕业设计 2 步进电动机原理特性101）五相混合式步进电动机多步距角控制先来研究五相混合式步进电动机，我们可以给五相混合式步进电动机通入相序为的电流使其转动，这是整步运行时ABCDEABCDEA

38、的通电方式，步距角为 0.72，这也是五相混合式步进电动机最基本的通电方式。在基本通电方式的基础之上可以派生出其他的通电方式，通电方式的不同会导致步距角的变化，由于五相混合式步进电动机相数较多，派生通电组合也很多。在本驱动控制器中针对五相混合式步进电动机设计了三种不同的通电方式，对应三种不同的步距角，电机接线为星形接法。下面分别加以介绍：a基本通电方式(4-4 通电)：DCBA-CBAEBAED-AEDCEDCB-DCBACBAE-BAEDAEDC-EDCBDCBA其转矩星形图如图 2.5(a)中实线所示，共有 10 根转矩矢量，即电机每走 10 步，转子转过 1 个转子齿距角，亦即其步进电角

39、度为 36，可见其步距角和满步运行时是一样的，都为 36/50= 0.72。b二倍步通电方式(4-4 通电)：ABCDBCDECDEADEABEABCABCDBCDECDEADEABEABCABCD其转矩星形图如图 2.5(b)中实线所示，共有 5 根转矩矢量，即电机每走 5 步，转子转过个转子齿距角，亦即其步距电角度为 7.2，可见其步距角是满步运行时的 2 倍为 1.44。c半步通电方式(3-4 通电)：ABCDBCDBCDECDECDEADEADEABEABEABCABCABCDBCDBCDECDECDEADEADEABEABEABCABCABCD其转矩星形图如图 2.5(c)中实线所示

40、，共有 20 根转矩矢量，即电机每走 20 步，转子转过一个转子齿距角，也就是它的步距电角度为 18，可见其步距角是满步运行时的一半为 0.36。(a)基本通电方式 (b)二倍步通电方式 (c)半步通电方式图 2.5 多步距角控制转矩矢量图之所以选用 4-4 通电模式来代替单相通电模式是因为这样可以增大电机的转重庆科技学院本科生毕业设计 2 步进电动机原理特性11矩，比如：由图 2.5(a)可见，我们用 TA，TB，TC 以及 TD 来合成 T1，若设TA=TB=TC=TD=T 则由向量叠加可求得：T1=Tacos54+TBcos18+TCcos18+TDcos54=3.0776T 同理可求得

41、三相通电时的合成转矩为 2.618T。和五相混合式步进电动机一样，本驱动控制器同样也可以对两相混合式步进电动机以及三相混合式步进电动机进行多步距角控制。 2）两相混合式步进电动机多步距角控制 对于两相混合式步进电动机，设计了两种通电方式(设其绕组分别为 A 和 B,转子齿数为 50，桥形接法)：a整步通电方式：通电相序为，即电机每走 4 步，转子转过一个转子齿距角，ABABA步距电角度为 90，步距角为 90/50=18。b半步通电方式：通电相序为，即电机每走 8 步，转子转过AABBBAAABBBA一个转子齿距角，步距电角度为 45，步距角为 45/50=0.9。3）三相混合式步进电动机多步

42、距角控制对于三相混合式步进电动机，设计了三种通电方式(设其绕组分别为 A，B 和C，转子齿数为 50，星形接法)：a整步通电方式：通电相序为，即电机每走 3 步，转子转过一个转子齿距ABACBCAB角，步距电角度为 120，步距角为 120/50=2.4。b半步通电方式：通电相序为，即电机每走 6 步，转子转ABBCCAABBCCAAB过一个转子齿距角，步距电角度为 60，步距角为 60/50=1.2。c1/4 步通电方式：通电相序为：，即电机每走 12ABABCBCBCA CA CABABABCBCBCA CA CABAB步，转子转过一个转子齿距角，步距电角度为 30，步距角为 30/50=

43、0.6。 从以上的所述可以看出步进电动机的步距角不是固定的，它与驱动器所采用的控制策略有关。在以上的所述及的各种不同步距角当中，既有比整步运行时小的情况(比如：半步以及 1/4 步运行方式)，也有比整步运行时大的情况(比如：五相混合式步进电动机的二倍步运行方式)。前者的必要性己在上文中述及，下面来分析一下后者在实际应用中的作用。有人认为增大步距角没有必要，事实上不完全是这样，简单的说，在实际要求的步进速度和脉冲频率都相同的情况下，重庆科技学院本科生毕业设计 2 步进电动机原理特性12使用大步距角驱动时必然需要经齿轮进行减速，由于经齿轮减速后力矩会增大减速比倍，所以在要求相同输出转矩的情况下采用

44、大步距角控制时就可以选用保持转矩较小的电机，体积也会相应减小。由于增大步距角会导致电机的启动频率有所下降，所以这种方法适用于对运行速度要求不高的系统。通过以上分析可见，步距角小的通电方式，主要适合于要求频率高的系统，或要求直接驱动的系统。对于运行频率要求很低的系统，采用增大步距角的通电方式可以降低对电机输出功率的要求，可以选用较小的电动机来驱动，从而降低系统的成本。2.2.2 恒流斩波控制这种驱动控制方法的特点是直流供电电压直接加到逆变桥上，且电压不变化。其基本思想是利用绕组电流检测值(相电流或线电流)与给定值进行比较，其结果去控制桥臂上功率管的开关，使绕组电流保持给定值5。恒流斩波控制主要基

45、于以下几方面的优越性而提出的：由于步进电动机常用开环控制，频繁的换相使电流的波形起伏较大，进而会影响转矩的变化，恒流斩波控制可以较好的解决这一问题。由于斩波控制时对于被控制相而言，电源是脉冲式供电，所以恒流斩波控制可以提高电源的效率，并且能有效地抑制共振。恒流斩波控制可以提高电机的带载能力，极大地改善其矩频特性，使其能在较宽的频率范围内工作。由于无需外接限流电阻，所以提高了电机的高频性能，同时也进一步提高了电源的效率。 本控制器使用压频转换专用芯片 TL494 来实现恒流斩波控制6。2.3 系统总体设计方案 本步进电机驱动控制系统应该具有以下功能：通过按键设定电机的运行模式 系统必须能够接收用

46、户通过控制面板设定的控制命令，并进一步对其进行处理和执行。可以驱动多种步进电动机 本系统是在五相步进电动机的基础之上设计的，但是在硬件设计上还要兼顾其它相数的步进电动机，以拓宽其通用性。恒流斩波控制系统具有恒流控制的功能，这主要是通过电流反馈及脉宽调制专用芯片TL494 来实现的，恒流控制有很多优越性，在 2.2.2 中有详细列出。 重庆科技学院本科生毕业设计 2 步进电动机原理特性13运行状态实时显示本系统应具有实时显示的功能，以使用户能过直观的得到电机当下的运行状态，这主要是通过 LED 以及上位机两个途径来实现的。过流及其它保护 一个完备的驱动控制系统应具有较好的保护功能，以提高系统的可

47、靠性。本系统在实现应有功能的基础之上还具有过流保护功能；另外为了防止程序跑飞，本系统还设计了看门狗电路。图 2.6 系统硬件的总体结构框图单片机最小系统GAL 片逻辑综合TL494 压頻转换电路功率变换电路IR2130 驱动电路功率桥电路步进电动机按键输入LED 显示按键输入及显示部分控制部分驱动部分重庆科技学院本科生毕业设计 2 步进电动机原理特性143 驱动控制系统硬件设计3.1 单片机简介单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力

48、强且可靠性高等特点，因此适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。单片机的主要特点：具有优异的性能价格比，集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强，低电压、低功耗。3.1.1 单片机的主要应用领域由于单片机具有上述显著的特点，因此，其应用领域十分广泛，在自动化装置、智能化仪器仪表和家用电器等领域得到日益广泛的应用。其典型的应用领域有：工业控制仪器仪表电信技术办公自动化和计算机外部设备汽车和节能制导和导航商用产品家用电器等3.1.2 AT89C51 芯片的主要性能由于本设计是基于 AT89C51 芯片，所以需要阐述一下其主要性能。AT89C51 芯片是 ATMEL 公司生产的带 2

49、K 字节快闪存储器的 8 位单片机。它具有如下的一些重要特性：内含 128x8 位内部 RAM 15 根可编程 1/0 引线2 个 16 位的计数器/定时器 6 个中断源带有可编程串行通讯口 重庆科技学院本科生毕业设计 3 驱动控制系统硬件设计15可直接驱动 LED 输出3.1.3 AT89C51 芯片的引脚简要说明AT89C51 有 44 个引脚和 40 个引脚两种封装7。本系统采用的是 40 个引脚的双面直插式，芯片引脚如图 3.1 所示。 图 3.1 AT89C51 芯片引脚图AT89C51 芯片的 40 个引脚功能简介为:P0.0-P0.7 P0 地址通用端口P1.0-P1.7 P1

50、静态通用端口P2.0-P2.7 P2 高 8 位地址总线动态端口P3.0-P3.7 P3 双功能静态端口1）P3 口作为第一功能和 P1 口相同。2）P3 口作为第二功能如下表 3.1 所示。表 3.1 P3 口的第二功能P3 口引脚引脚第二功能P3.0RXD（串行输入端口）P3.1TXD（串行输入端口）P3.2INT0（外中断 0）P3.3INT1（外中断 1）P3.4T0（定时器 0 外部输入）P3.5T1（定时器 1 外部输入）P3.6外部数据存储器写选通信号输出P3.7外部数据存储器读选通信号输出重庆科技学院本科生毕业设计 3 驱动控制系统硬件设计163.2 控制电路设计控制电路部分主

51、要包括单片机最小系统以及 GAL 片逻辑综合部分，为了叙述方便，这里将按键输入以及 LED 显示部分也归为本节叙述的范畴。3.2.1 单片机最小系统及引脚分配。 图 3.2 单片机最小系统电路图单片机本体：单片机内 4 个 8 位的并行接口，记作 P0，Pl，P2 和 P3 共 32根 I/0 线。本系统是这样分配这些口线的：P0 口的 8 位口线以及 Pl 口的低两位口线主要用于控制步进电机脉冲信号的输出。由于本系统是在五相步进电机的基础之上开发的所以，共用了十位口线来输出十路脉冲控制信号，这样在控制五相步进电动机的基础上，还可以驱动两相及三相步进电动机。P1 口其余的口线以及 P2 口的低

52、六位口线用于控制面板控制信号的输入。中断口 INT0 用于引入外部脉冲信号 CP。中断口 INT1 用于引入过流故障信号 Fault。由图 3.2 中看出控制面板输入的控制信号功能如下表所示。表 3.2 控制信号列表符号所用引脚口线所代表功能I/OP2.5控制命令输入方式选择：0-上位机、1-下位机MM1MM2P2.3P2.4电机类型选择：00-两相、01-三相、10-五相重庆科技学院本科生毕业设计 3 驱动控制系统硬件设计17M1、M2P1.3P1.4步距角选择：两相：01-整步、10-二细分三相：O1-整步、10-二细分、11-1/4 细分五相：Ol-二倍步、10-整步、11-二细分U/D

53、P1.2控制电机的正反转：0-正转(顺时针)1-反转(逆时针)S/FP2.2预置步、预置频率选择：0-预置频率、l-预置步MOVEP2.1设定时个、十、百位选择：三位循环选择UPP2.0设定时加 1 控制：按一下设置数据加 1DOWNP1.7设定时减 1 控制：按一下设置数据减 1SETP1.6确定设置：设定好后按此键确定RUNP1.5启动运行：确认设定后可按此键启动运行3.2.2 按键输入及 LED 显示部分按键输入电路也就是控制面板电路，用户可以通过它来设定电机的运行模式。本控制器共使用了两种按钮开关，一种是通常用的按钮，另外一种是拨码开关，共有 8 个按钮和一个 4 位的拨码开关起到一个

54、预置频率、预置步选择按钮的作用。当按钮按下时 S/F 与 GND 相连，输入单片机的 S/F 信号为低电平；反之当开关弹起时，S/F 与 GND 断开，由于有上拉电路，所以此时输入单片机的 S/F 信号为高电平。为了实时显示用户输入的数据，以及电机运行的状态，本控制器采用了三个LED。LED 显示部分由三个共阴极七段译码管组成，分别代表百位、十位和个位。还用了三片移位寄存器 74HC164，它的功能是将单片机经串口传来的串行数据位以 8 位为单位并行输出。我们在 LED 显示程序中应该先将个位的 8 位数据送出，紧接着送十位与百位。在电路连接上，TXD 作为三片 74HC164 的时钟信号，接

55、入74HC164 的 CLK 端，而 RXD 端用来传输程序给出的要显示的数据，所以应该接到74HC164 的数据输入端 A、B。为了实现移位，第一片 74HC164 的最高数据输出位应该接到第二片 74HC164 的数据输入端，以此类推。另外，跨接在 Vcc 和 GND 两端的电容用来对电源电压进行平波。而 RC 串连的作用是使译码管在系统上电时处于全熄灭状态。3.2.3 GAL 片逻辑综合在系统中，GAL 的功能是对输入信号进行逻辑上的综合，主要是用由 TL494输入的 PWM 信号来调制由单片机输入的脉冲控制信号，以实现恒流斩波控制。其电路图如图 3.3 所示。重庆科技学院本科生毕业设计

56、 3 驱动控制系统硬件设计18由图可见，本控制器采用了两片 GAL。GAL1 的作用是将 A，B，C 三相的正负控制信号与 PWM 信号进行调制；GAL2 的作用是将 D,E 两相的正负控制信号与 PWM信号进行调制。两片 GAL 所输出的十路脉冲控制信号 A、A-，B、B-，C、C-，D、D-，E、E-为经过调制的脉冲控制信号。另外这两个 GAL 片还有一个功能就是实现桥臂互锁，具体来说就是避免功率桥中同处于一个桥臂上的两个 MOSFET同时导通，以防止桥臂的直通，进而保护电源。图 3.3 GAL 片电路图3.2 驱动电路设计3.2.1 IR2130 的应用在驱动步进电动机时要用到功率桥，其

57、主电路开关器件常采用 IGBT 或MOSFET 等全控型器件，该器件的开关动作需要靠独立的驱动电路来实现，并且要求驱动电路的供电电源彼此隔离。这样做将会在很大程度上增加辅助电源的设计困难和成本，同时也使驱动电路过于复杂，降低了系统的可靠性8。鉴于此，本控制器采用了高性能集成六输出高压 MOS 栅极驱动器 IR2130,它是美国国际整流器公司继 IR2110 之后于 1991 年推出的 MOS 功率器件专用栅极驱动集成电路。IR2130 可作为交直流调速、UPS 电源、电子镇流器以及永磁无刷电机调速电路中主功率元件的驱动电路。IR2130 可直接驱动中小容量的功率场效应管(MOSFET),绝缘栅

58、品体竹(IGBT)和场效应控制晶闸管（MCT）等。IR2130 具有六路输入信号和六路输出信号，其中六路输出信号中的三路具有电平转换功能，因而它既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件，又能驱动高压侧的功率元件。也就是说，该驱动器可共地运行，只需一路控制电源，而一般的驱动系统通常包括光电隔离器件或者脉冲变压器，同时还必须向驱动电路提供相应的隔离电源。只需要一个供电电源即可直接驱动三相桥式逆变电路的六个功率开关器件，重庆科技学院本科生毕业设计 3 驱动控制系统硬件设计19不需要在之前再进行信号的处理，选用它可以使整个驱动电路简单可靠。IR2130内部集成了三对桥臂驱动级，并具有过流、过压、欠压、逻辑识

59、别保护封锁和故障指示的功能，使用户可以方便的用来保护被驱动的 MOS 门功率管。具体说一旦外电路发生过电流或桥臂直通，即电流检测单元输出的信号高于 0.5V 时，IR2130 便会将输出全置为低电平，保证六个被驱动的 MOS 关断，同时还会通过如图 3-4 中引脚 8 输出一低电平信号，可用于封锁脉冲或声光报警；当工作电源欠电压时，同样会作如上的处理；当高压侧某路自举电源欠压时，IR2130 便会封锁该路输出。IR2130 的另一重要的保护功能是逻辑保护，即当同一桥臂上、下功率开关器件对应的输入信号都为高电平时封锁该两路栅极驱动信号，防止直通现象发生。IR2130 内部使用了自举技术，使其可以

60、用于高压系统，并且同一桥臂上下两个 MOSFET 功率管的栅极驱动信号具有 2us 的导通延迟时间。IR2130 自身输入和工作电源电压的范围也较宽(3V-20V)，并且它的电路设计还保证了其内部的三个通道的高压侧和低压侧驱动器均可分别单独使用。另外 IR2130 的输入信号与TTL 及 CMOS 电平均兼容。介绍其电路及工作原理之前，下面对其管脚定义及功能进行一下了解。IR2130 的管脚图如图 3.4 所示。 图 3.4 IR2130 管脚图其主要管脚的功能简介如下： Vbl-Vb3：悬浮电源连接端，通过自举电容为 3 个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源。Vsl-Vs3：与 Vbl-V