步进电机速度控制器设计

1、学校代码： 10128学 号： 200820107055专业综合训练题 目： 步进电机速度控制器设计学生姓名： 尹文强学 院： 机械学院系 别： 测控系专 业： 测控技术与仪器班 级： 测控09-1指导教师： 徐永祥 徐 刚 包晓艳 二一三年一月 八 日内蒙古工业大学专业综合训练说明书摘要步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的控制微电机，其机械角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比例；它易于实现与计算机或其它数字元件接口，适用于数字控制系统。步进电机还具有快速启停，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应用广泛。本设计中介绍了二相混合式步进

2、电动机步进电机的结构和工作原理，它的结构简单、成本低，在机电一体化领域里具有广阔的应用前景。本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、独立键盘检测电路、数码管显示电路、步进电机驱动电路等组成，而且单片机是控制系统的核心部分。关键词：步进电机；AT89C51单片机；驱动电路。AbstractStepping motor is a kind of pulse signal will be converted into linear displacement or angular displacement control micromotor, its mechanical angula

3、r displacement and speed respectively with the input motor winding pulse number and pulse frequency is proportional to the; It is easy to realize and computer or other digital device interface, suitable for digital control system. Stepping motor has rapid start-stop, accurate step by step and positi

4、oning, and other characteristics, and in the numerical control machine tool, plotter, printer and optical instrument is used widely.This design introduces the two-phase hybrid stepping motor stepping motor structure and working principle, its structure is simple, low cost, in the integration of mech

5、anical and electric field has a broad application prospect. Based on the control circuit is mainly composed of single chip microcomputer AT89C51, crystal oscillator circuit, independent keyboard detection circuit, digital tube display circuit, stepping motor drive circuit, and single chip microcompu

6、ter control system is the core part.Keywords：Stepping motor; AT89C51 single chip microcomputer; Drive circuit.目 录第一章 绪论11.1 课题背景11.2 设计的目的与意义2第二章 步进电机32.1 步进电机的概念32.2 混合步进电机的结构与原理32.3 步进电机的选取5第三章 设计电路63.1 设计方案63.2 步进电机电路的设计63.2.1 时钟电路和复位电路63.2.2 驱动电路83.2.3 键盘9第四章 程序设计114.1 程序流程图114.2 键盘子程序设计114.3 调试

7、运行12第五章 总结13参考文献14附录15第一章 绪论1.1 课题背景步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830 年至1860 年间。1870 年前后开始以控制为目的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电动机。随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被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，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积

8、小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。步进电动机还具有以下优点：（1）步距角不受各种干扰因素的影响。如电压的大小、电流的数值、波形及温度的变化等，相对来说都不影响步距角。也就是说，转子的运动速度主要取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移则取决于总的脉冲信号数。（2）误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论步距角之间总有一定的误差，从某一步到任何一步，也就是走任意步数以后，也总有一定的误差。但因每转一圈的累积误差为零，所以步距角的误差不是积累的。（

9、3）控制性能好。起动、转向及其他任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成。在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步的。步进电动机由于上述的特点和优点，而被广泛的应用在机械、冶金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗及航空航天、船舶、兵器、核工业、国防工业等领域。尤其在NC（数控）机械中广泛利用其开环控制的特点。可以说步进电动机是经济型数控机械的核心。近十几年来，步进电动机在OA 机器、FA 机器和计算机外部设备等领域作为控制用电动机和驱动用电动机也开始得到了广泛使用。1.2 设计的目的与意义掌握步进电机的工作原理及控制方法，本次设计主要任务是：利用单片机控制

10、实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速、速度控制等功能。第二章 步进电机2.1 步进电机的概念步进电机又称脉冲电机,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成相应的角位移或者线位移.通俗来说,即给一个脉冲电信号,电机就转动一个角度或前进一步。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步进电机件。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，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

11、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。步进电机按结构可分为反应式、永磁式、混合式等，按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列2.2 混合步进电机的结构与原理混合式步进电动机是一种十分流行的步进电动机，由于它既具有反应式步进电动机的高分辨率，每转步数比较多的特点；又具有永磁式步进电动机的高效率，绕组电感比较小的特点，故称为混合式步进电动机。混合式步进电动机也称为感应式同步电动机，它是一种低速运行的同步电动机，既可用作同步电动机进行速度控制，也可用作步进电动机进行位置开环控制。混合式步进电动机的驱动是靠按一定方式给步进电机的各相励磁绕组通以电

12、流，实现步进电机励磁磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。步进电动机有多种通电方式，不同的通电方式对步进电动机的性能有着不同的影响。二 相 混 合 式 步 进 电 动 机 典 型 的 通 电 方式有三种，即单四拍 ABABA 、 双 四 拍 AB BA AB BA AB 和 八 拍 A ABBBA A AB B BA A。单四拍通电方式中每拍只有一相绕组通电，四拍构成一个循环，步进电机励磁磁场旋转360°，对应步进电机转子转过一个齿距，如图2-1混合式步进电动机的典型结构。图2-1 混合式步进电动机的典型结构第一拍时，A 相绕组正向通电，产生定位转矩Ta，它使电动机的 S极转子在定子

13、磁极1下进入齿对齿的稳定平衡位置。绕组通电前转子的空间位置是任意的，转子可能正转，也可能反转，绕组通电后转子位置和转子磁场矢量Ta重合。第二拍时，B 相绕组正向通电，定位转矩Ta消失，定位转矩Tb使转子正转90°，相当于1/4 个转子齿距，步进电动机的S 极转子进入与定子磁极 2 齿对齿的稳定平衡位置，转子正转一步。第三拍时，A 相绕组反向通电，定位转矩Ta使转子正转 1/4 个转子齿距，步进电动机的S 极转子进入磁极3 齿对齿的稳定平衡位置，转子正转一步。第四拍时，B 相绕组反向通电，定位转矩Tb发生作用，转子将再正转1/4 个转子齿距，进入S 极转子上磁极4 齿对齿的稳定平衡位置

14、。第五拍时，A 相绕组正方向通电，完成按ABABA四拍的一个正转循环，转子正好正转一个转子齿矩，重新进入S 极转子上磁极1 齿对齿的稳定平衡位置。如果按照 A B A B A这样的反转循环通电，转子将反转，也是四步前进一个转子齿距。对步进电动机加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断的转动。每一个脉冲信号对应于绕组的通电状态改变一次，也就对应于转子转过一定的角度，即一个步距角。混合式步进电动机的步距角可由下式计算：式中，N 为拍数（通电状态数），Zr 为转子齿数, 通常为 50。如果上述通电方式为两相单4 拍运行，切换一次通电方式，转子正好转过1/4个齿距，即步距角b=360o/4Zr=1

15、.8°，其中拍数为4。由于混合式步进电动机既有反应式步进电动机小步距角、快速启停的特点，又有永磁式步进电动机消耗功率小、断电时有定位转距等特点，所以混合式步进电动机在三种步进电动机中性能最为优良。2.3 步进电机的选取根据设计的要求和需要我们选用了20BYG250-33型二相混合步进电机,图2-2是20BYG250-33型步进电机的外形图，表2-1是20BYG250-33型步进电机的参数，要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。图2-2 20BYG250-33型步进电机的外形型号步距角相数电压电流电阻静转距定位转距转动惯量20BYG250-331.84120.66.50.02

16、0.0032表2-1是20BYG250-33型步进电机的参数第三章 设计电路3.1 设计方案步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。即步进电机是将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件。步进电机的控制可以用硬件，也可以用软件通过单片机实现。硬件方法是采用脉冲分配器芯片进行通用换相控制；而软件方法是用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态，这种方法可简化电路，降低成本。在用软件控制时，主要设计要点如下：（1）判断旋转方向；（2）确定控制字；（3）确定控制步数和每一步的延时时间。由于单片机的驱动电流一般都比较小，不能直接驱动电机工作，所以单片机的I/O口输出必须接驱动电路，即功

17、率驱动，才得以控制电机正常工作。控制框图如图3-1所示AT89C51单片机步进电机L297LCD4*4键盘图3-1 控制框图3.2 步进电机电路的设计3.2.1 时钟电路和复位电路（1）AT89C51芯片 图3-2 AT89C51单片机引脚1) VCC（40）：电源+12V。 2) VSS（20）：接地，也就是GND。 3) XTL1（19）和XTL2（18）：振荡电路。 4）PSEN（29）：片外ROM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）EA/VPP（31）：内/外部ROM选择端7）RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用

18、电源输入端。 8）P0口（39-32）：双向I/O口 9）P2口（21-28)：双向I/0口10）P3口（10-17)：双向I/O口 11）P1口（1-8)：双向I/0口（2）在本设计中的单片机的工作电压是12V。单片机上RESTH（取反）和微机上的RESET有异曲同工之妙。RESET(取反)复位引脚上的低电压引发外部复位，单片机就恢复到初始状态。在此，我们使用简单的RC电路就可能够满足要求该设计。XTAL1和XTAL2两引脚内部连接一个可作为CPU时钟源的高增益反相放大器，它适于构成反馈振荡电路，为此必须从外部向它提供参考频率。其原理图如图4-1所示。（2）复位电路其工作原理：系统上电复位：

19、通过电阻R1向电容C3充电，当C3两端的电压未达到高电平的门限电压时，RESET端输出为低电平，系统处于复位状态；当C3两端的电压达到电平的门限电压时，RESET端的输出为高电平，系统进入正常的工作状态。用户手动复位：当用户按下复位键S1时，C3与大地相接，它两端的电荷被放掉RESET端输出为低电平，系统进入复位状态，再重复以上的充电过程，系统进入正常的工作状态。振荡电路的原理：在两端跨接一个石英晶体振荡器或陶瓷振荡器以及一端接地的两只电容。这里的石英晶体振荡器为一电感性元件，与外接其上的电容构成并联谐振回路，为片内振荡器提供正反馈和振荡所必须的相依条件，从而构成一个自激振荡器。综合上述其原理

20、图如图3-3所示：图3-3 震荡电路和复位电路3.2.2 驱动电路L297芯片是具有20个引出脚的双列直插式塑胶封装的器件，采用固定斩波频率的PWM恒流斩波方式工作。L297主要由译码器、两个固定斩波频率的PWM恒流斩波器以及输出逻辑控制组成，工作原理分述如下：L297的核心是脉冲分配器，它产生三种相序信号，对应于三种不同的工作方式：即半步方式(HALF STEP)；基本步距(FULL STEP，整步)一相激励方式；基本步距两相激励方式。脉冲分配器内部是一个3bit可逆计数器，加上一些组合逻辑，产生每周期8步格雷码时序信号，这也就是半步工作方式的时序信号。此时HALF/FULL信号为高电平。若

21、HALF/FULL取低电平，得到基本步距工作方式，即4步工作方式。L297另一个重要组成是由两个PWM斩波器来控制相绕组电流，实现恒流斩波控制以获得良好的转矩-频率特性。每个斩波器由一个比较器，一个RS触发器和外接采样电阻组成，并设有一个公用振荡器，向两个斩波器提供触发脉冲信号。图4中，频率f，是由外接16脚的RC网络决定的，当R>10k时。F=1/0.69RC,当时钟振荡器脉冲使触发器置l，电机绕组相电流上升，采样电阻的Rs电压上升到基准电压Vref时，比较器翻转。使触发器复位，功率晶体管关断，电流下降，等待下一个振荡脉冲的到来。这样触发器输出的是恒频PWM信号，调制L297的输出信号

22、，绕组相电流峰值由Pref整定。3.2.3 键盘键盘可以分为独立连接式和行列式(矩阵式)两类,每一类按照其译码方法又都可以分为编码及非编码两种类型.靠软件识别的称为非编码键盘,这里只用非编码键盘。 首先要确定按下的键的键号：为了方便键处理程序的设计，一般采用依次排列键值的方法，以保证键值和键号一致。 键盘扫描的工作过程如下: (1)判断键盘中是否有键按下； (2)进行行扫描,判断是哪一个键按下,若有键按下,则调用延时子程序去除抖动； (3)读取按键的位置码； (4)将按键的位置码转换为键值(键的顺序号)0,1,2,3F。在设计中，使用了标准的4*4键盘，其电路图如图3-4所示。图3-4 4*4

23、键盘第四章 程序设计4.1 程序流程图在本流程的设计中我们用到较多的程序，本文设计的流程如图4-1包括电机主程序、速度显示程序、键盘扫描程序。但是主程序是程序运行的入口，主程序的运行情况直接决定着程序能否运行使用和程序的运行速度。开始 Y N 电机是否工作 Y 正反转 正 反处理电机速度显示转速 N是否停机 Y返回图4-1 步进电机程序流程图4.2 键盘子程序设计本设计主要考虑是利用键盘的行扫描的方法来实现对按键的扫描和确定。按照流程如图4-2的程序框架步骤能较快的识别并且判断出是否有键盘按下，确定被按键的功能。开始按键扫描按键按下否 N 延时返回图4-2 按键子程序流程图4.3 调试运行本电路经调试符合题目要求，各项技术指标均达到设计的目的。具体