机械085第一组

1、基于单片机的步进电动机控制机械085第一组摘 要步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。本文应用单片机AT89C51和脉冲分配器PMM8713，步进电机驱动器，光电隔离器4N25等，构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。通过AT89C51和脉冲分配器PMM8713完成步进电机的各种运行控制方式，实现步进电机在3相6拍的工作方式下的正反转控制和加减速控制。并通过步进电机丝杠连动，带动XY工作台的直线运动，实现从起点A点到预定点B点的位移控制。第一章 研究内容本设计主要是研究基于单片机的步进电机控制，采用单片机AT89C51和脉冲分配器P

2、MM8713控制步进电机在三相六拍工作方式下的启停控制，正反转控制和加减速控制，以实现基于步进电机的XY工作台两点间的位移控制。第二章 步进电机的分类、结构、工作原理及特性2.1 步进电机的结构及工作原理结构图2.1 步进电机内部结构图 工作原理图2.3 步进电机三相接线图如图2.3所示，U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步

3、进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。以90BF001系列磁阻式步进电机中的90BF003三相步进电机为例。 90BF003步进电机技术参数表型号主要技术参数相数步距角(Deg.)电压(V)相电流(A)空载启动频率(Hz)空载运行频率(Hz)分配方式90BF00331.5/3605150080003相6拍外形尺寸(mm)重量kg转子转动模量Kg.m外直径长度轴直径9012594.517642.1.2 工作方式（三相）1.三相六拍：通电顺序为 AABBBCCCA 这三种工作方式的区别，如下表所示：表2.1 反应式步进电机工作方式的性能工作方式六拍步进周期T每相通电时

4、间3T走齿周期6T相电流最大高频性能较好转矩大电磁阻尼较大振荡不容易功耗中第三章 步进电机的驱动 步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。驱动器的硬件连接：第四章 步进电机的单片机控制4.1 步进电机控制系统组成图4.1 用微型机控制步进电机原理系统图4.2 步进电机控制系统原理4.2.1 脉冲序列的生成图4.2 脉冲的生成脉冲幅值：由数字元件电平决定。 TTL 0 5V CMOS 0 10V 接通和断开时间可用

5、延时的办法控制。要求：确保步进到位。4.2.2 方向控制步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。 三相六拍，通电顺序为: 正转: AABBBCCCA 反转: AACCCBBBA 改变通电顺序可以改变步进电机的转向 4.3 脉冲分配 实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法。本设计采用通过软件实现脉冲分配，采用脉冲分配器PMM8713，再与驱动器相连。4.4 步进电机与微型机的接口电路由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。总之，只要按一定的顺序改变8713脉冲分配器的 13脚15脚

6、三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器（一是抗干扰，二是电隔离。）以防强功率的干扰信号反串进主控系统。电路图如下所示：驱动器电路 图4.5 单片机与步进电机的接口电路图1. 图中 K1、K2、K3、K4按钮分别控制步进电机正转、反转、加速、减速。2. 因为我们讨论的是三相六拍的工作方式，所以P0.4和P0.6接高电平，P0.7接低电平。3. P0.0控制步进电机的转向。4. P0.1输出步进脉冲。第五章 步进电机的运行控制5.1 步进电机的速度控制步进电机的速度控制是通过单片机发出的步进脉冲频率来实现，对于软脉冲分

7、配方式，可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速，对于硬脉冲分配方式，可以控制步进脉冲的频率来实现调速。定时器中断法：在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速，这种方法占有的CPU时间较少，在各种单片机中都能实现，是一种比较实用理想的调速方法。定时器法利用定时器进行工作，为了产生步进脉冲，要根据给定的脉冲频率和单片机的机器周期来计算定时常数，这个定时器决定了定时时间，当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变P1.0的电平状态的操作，这样就可以得到一个给定频率的方波输出，改变定时常数，就可以改变方波的频率，从而实现调速。5.2 步进电机

8、的位置控制 步进电机的位置控制，指的是控制步进电机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置，步进电机的位置控制是步进电机的一大优点，它可以不用借助位置传感器而只需要简单的开环控制就能达到足够的位置精度，因此应用很广。步进电机的位置控制需要两个参数：1. 第一个参数：步进电机控制执行机构当前的位置参数（我们称为绝对位置），绝对位置时有极限的，其极限时执行机构运动的范围，超越了这个极限就应报警。2. 第二个参数：从当前位置移动到目标位置的距离 我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电机的步数，这个参数是外界通过键盘或可调电位器旋钮输入的，所以折算的工作应该在键盘程序或A/D转换程序中完成。

9、对步进电机位置控制的一般作法是：步进电机每走一步，步数减1，如果没有失步存在，当执行机构到达目标位置时，步数正好减到0，因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位，作为步进电机停止运行的信号。 5.3 步进电机的加减速控制步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受各种环境条件诸如温度、压力、振动、冲击等影响，而仅仅与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低可以大范围地调节电机的转速，并能实现快速起动、制动、正反转、加减速，而且有自锁的能力，不需要机械制动装置，不经减速器也可获得低速运行。它每转过一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高

10、，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电机驱动执行机构从A点到B点移动的时，要经历升速，恒速，减速过程，如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率，步进电机就有失步现象，因此会造成不能正常启动，如果到终点时突然停下来，由于惯性作用 ，步进电机会发生过冲现象，会造成位置精度降低。如果升速非常缓慢的升降速，步进电机虽然不会发生失步和过冲现象，但影响执行机构的工作效率，所以，对步进电机的加减速要有严格的要求，那就是保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到有可能指定位置。为满足加减速要求，步进电动机运行通常按照加减速曲线进行。图5.1是加

11、减速运行曲线。加减速运行曲线没有 一个固定的模式，一般根据经验和实验得到的。最简单的是匀加速和匀减速曲线，如下图所示：图5.1 加减速曲线图其加减速曲线都是直线，因此容易编程实现。按直线加速时，加速度是不变的，因此要求转矩也应该是不变的。但是，由于步进电动机的电磁转矩玉转速时非曲线关系，因而加速度玉频率也应该是非曲线关系。因此，实际上当转速增加时，转矩下降，所以，按直线加速时，有可能造成因转矩不足而产生失步的现象。采用指数加、减速曲线或S形（分段指数曲线）加、减速曲线是最好的选择。步进电机的运行可以根据距离的长短分如下3种情况处理：1. 短距离由于距离较短，来不及升到最高速，因此，在这种情况下

12、，步进电机以洁净启动频率运行，运行过程没有加、减速。2. 中、短距离在这样的距离里，步进电机只有加、减速过程，而没有恒速过程。3. 中、长距离在这样的距离里，步进电机不经有加、减速过程，而且还有恒速过程。由于距离较长，要尽量缩短用时，保证快速反应性。因此，在加速时，尽量用接近启动频率启动，在恒速时，尽量工作在最高速。单片机在用定时器法调速时，用改变定时常数的方法来改变输入步进脉冲频率，达到改变转速的目的，对于MCS-51系列单片机，其定时器属于加1定时器。因此，在步进电机加速时，定时常数应增加；减速时，定时常数应减小。如果采用非线性加、减速曲线，要用离散法将加减速曲线离散化，将离散所得的转速序

13、列所对应的定时常数序列，做成表格存储在程序存储器重。在程序运行中，使用查表得方式重装定时常数，这样做比用计算机节省时间，提高系统的响应速度。在下章的程序中，参数除了有速度级数N和极步数NC以外，还有以下参数：1. 加速过程的总步数：电动机在升速过程中每走一步，加速总步数就减1，直到减为0，加速过程结束，进入恒速过程。2. 恒速过程的总步数：电动机在恒速过程中每走一步，恒速总步数就减1，直到减为0，恒速过程结束，进入减速过程。3. 减速过程的总步数：电动机在减速过程中每走一步，减速总步数就减1，直到减为0，减速过程结束，电动机停止运行。第六章 由上表可知，步进电机的步距角为1.5，由b=z/N

14、= 2/NZ可得知步进电机的齿数为40。步进电机的轴周长为C= 2R= D=9，所以步进电机走过一个步距角即1.5，它所连的丝杠走过约为8.5mm。设起点A的坐标为（0,0）通过两台步进电机分别控制XY轴使得轨迹达到B点（34,34）。表6.2 步进电机的运动坐标分配表电机编号坐标(mm)步进电机01(X)008.58.5171725.525.534步进电机02(Y)08.58.5171725.525.53434图6.3 步进电机丝杠连动运动轨迹图根据坐标分配表可画出步进电机丝杠连动在XY轴上的运动轨迹图如图6.3所示，由图可知，步进电机走的不是直线，而是折线。6.3 程序框图根据设计任务，可

15、画出控制步进电机正反转，加减速控制，工作方式为双时钟， 对步进电机位置控制的一般作法是：（用于级步数的计算）步进电机每走一步，步数减1，如果没有失步存在，当执行机构到达目标位置时，步数正好减到0，因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位，作为步进电机停止运行的信号。对于电机速度的控制：（用于加速步数的计算）1. 加速过程的总步数：电动机在升速过程中每走一步，加速总步数就减1，直到减为0，加速过程结束，进入恒速过程。2. 恒速过程的总步数：电动机在恒速过程中每走一步，恒速总步数就减1，直到减为0，恒速过程结束，进入减速过程。3. 减速过程的总步数：电动机在减速过程中每走一步，减速总步数就减1，直

16、到减为0，减速过程结束，电动机停止运行。程序框图如下：是否是否否反转改变P0.0状态P0.0=0？正转加速步数减1极步数减1级步数=0？加速1级计算级步数加速步数=0？指针指向恒速减速步数减1级步数减1复位级步数=0？减速一级计算级步数减速步数=0？是图6.4 基于单片机的步进电机控制程序框图6.4 汇编程序本程序的资源分配如下：R0中间寄存器；R1储存速度级数；R2储存级数步数；R3加减速状态指针，加速时指向35H，恒速时指向37H，减速时指向3AH;32H34H存放绝对参数（假设用3个字节），低位在前；35H、36H存放加速总步数（假设2个字节），低位在前；37H39H存放恒速总步数（假设

17、3个字节），低位在前；3AH、3BH存放减速总步数（假设2个字节），低位在前；P0.0正转脉冲输入；P0.1反转脉冲输入；P1.3正转按钮K1；P1.4反转按钮K2；P1.5加速按钮K3；P1.6减速按钮K4；三相六拍工作方式通电换相得正序为A-AB-B-BC-C-CA-A,，反序为A-AC-C-CB-B-BA-A三相六拍工作方式的控制字通电状态P1.2P1.1P1.0控制字A00101HAB01103HB01002HBC11006HC10004HCA10105H注：0代表使绕组断电，1代表使绕组通电定时常数序列放在以ABC为起始地址的ROM中。初始R3=35H,R1、R2都有初始值。程序如下

18、：ORG 0000HJNB P0.0 ZZ; （无条件转移）JNB P0.1 FZ; （无条件转移）ZZ:INC R0 （R0增量） CJNE R0,#06H ZZ1; （比较） MOV R0,00H;ZZ1:MOV A,R0;MOV DPTR,#ABC;（ABCDPTR）MOVC A,A+DPTR; （A+DPTR的内容A）MOV P0 A; （AP0）FZ: DEC R0; （R0减量） CJNE R0 #0FFH,FZ1; （比较）MOV R0,#05H ; （05R0）FZ1:MOV A,R0; （R005，05A）MOV DPTR,#ABC;MOVC A,A+DPTR;MOV P0,

19、A;ABC:DB 01H 03H 02H 06H 04H 05HRET（复位）JS:MOV R0,#35; CJNER0 #0FFH,JS1; INC R0; DEC R0;JS1:DJNC R2 JS2; （R2-10，继续输出，R2-1=0，退出循环结束输出） INC R1;MOV A R1;MOV B,#N;MUL AB;MOV R2 A;JS2:MOV A,35H; （加速过程）ORL A,36H; （进行逻辑或）JNB R3 #37H; （无条件转移，37恒速）MOV R0 #3AH; （3AR0）DEC R0; （R0减量）CJNE R0,#0FFH,JS4; （比较）INC R0;DEC R0;JS4:DJNC R2 JS5;DEC R1;MOV A,R1;MOV B,#N;MUL AB; （无符号数乘法）MOV R2,A;JS5:MOV A,3AH;（减速过程）ORL A,3B;JNB R3;RET;（复位）设计总结本设计通过单片机AT89C51和脉冲分配PMM8713来控制步进电机的正反转，加减速，以实现基于XY轴坐标的步进电机的运动控制。利用步进电机的转子的旋转带动所联接的丝杆的旋转，丝杆又带动了XY工作台进行直线位移。本设计实现了占用CPU时间少，效率高；易于控制步进电机的转向转速；提高了步进电机的步进精度等。再有，本设计过程考虑