步进电机课程设计报告

1、摘要：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，即给步进电机加一个脉冲信号，步进电机则转过一个步距角0这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性频率来实现步进电机的调速，并且步进电机没有积累误差。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。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问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，从而实现步进电机的调速。在本次设计中步进电机的给定速

2、度由电位器通过A/D转换输入。关键词：步进电机调速单片机A/D转换器把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备

3、、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。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。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，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。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机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。这种步进电机的应用最为广泛，本次设计使用四相步进电机。

4、步进电机介绍1.1 步进电机的概念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）。我们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；同时我们也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。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0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。从原理

5、上讲，步进电机是一种低速同步电动机。1.2 步进电机的特点2 一般步进电机的精度为步进角的3-5%,角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。3 步进电机外表不允许较高的温度，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在摄氏80-90度完全正常。4 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

6、率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。5 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。6 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。7 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。8 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此,一般可以不用减速器而直接驱动负载。9 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。9,步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。10.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

7、伴有啸叫声。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。1.3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.电机的相数产生不同对N、S极磁场的激磁线圈对数，即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

8、距角也不同，一股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0.36/0,720。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，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。目前应用最广泛的是两相和四相，四相电机一般用作两相，五相的成本较高。3,固有步距角对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用8表示。8=360度/（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为9=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为8=360度/（50*8）=0.

9、9度（俗称半步）。这个步距角称为电机固有步距角，电机出厂时给出了一个步距角的值,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。现在的步进电机都有细分的驱动器，细分数决定步距角，例如两相的步进电机驱动器为5细分步距角为1.8/5=0.360.保持转矩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5N.M的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为5N.m的步进电

10、机。.拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.定位转矩电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的），由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有定位转矩。.最大静转矩电机在额定静态电作用下（通电），电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩，即定子锁住转子的力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。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

11、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。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。二四相步进电机工作原理2.1工作原理图2.1四相步进电机示意图如图2.1所示，步进电机分为转子和定子两部分：.定子：由硅钢片叠成的，定子上有8大磁极，每2个相对的磁极（N,S）组成一对，共有4对。定子齿有四个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

12、.转子：由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿，与定子上的小齿相同，并且小齿的大小相同，间距相同。如图2.1所示，开始时，开关sb接通电源，sa、sc、sd断开，b相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和c、d相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和d、a相绕组磁极产生错齿。当开关sc接通电源，sb、sa、sd断开时，由于c相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和c相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和a、b相绕组产生错齿，2、5号齿就和a、d相绕组磁极产生错齿。依次类推，a、b、c、d四相绕组轮流供电，则转子会沿着a、b、c、d方向转动。四相步进电机按照通电

13、顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图22a、b、c所脉冲JiririJimLrmrLrLrLrL一aw门TL一n小：nnncw_n_n_n/目innnjTirrmnmrriruTn_n_r_rLnLj_nLJ-LJ-Li_nur_L_o_LJ_L_n_TjLnnnnnnTLruuuuuuinJII_Inira,单四拍b,双四拍c八拍LJc+0顺时针方向图2.2步进电机工

14、作时序波形图2.2对齿和错齿图2.3步进电机转子展开图反应式步进电机的动力来源于电磁力，只有电机存在错齿现象才能转动。在电磁力的作用下，转子被推动到最大磁导率的位置，定子小齿与转子小齿对齐的位置，并处于平衡状态，如图2.3中的A相位置，这种现象被称为对齿。而对于三相步进电机来说，当某一相得磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置，即定子和转子不对齐位置，这种现象被称为错齿。三硬件电路的设计3.1单片机的选择本次设计以CPlte用89C51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MCS51系列单片机的所

15、有功能。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATME岛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口闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL勺AT89C51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。.单片机的引脚功能：VCC(40):电源+5V。VSS(20):接地，也就是GNDXTL1(19)和XTL2(18):振荡电路。PSEN(29):片外ROMS通信号，低电平有效。ALE/PROG30):地址锁存信号输出端/EPRO端程脉冲输

16、入端。RST/VPD(9):复位信号输入端/备用电源输入端。EA/VPP(31):内/外部ROMS?端P0口(39-32):双向I/O口。9.P1口(1-8):准双向通用I/O口。P2口(21-28):准双向I/0口。引解图如3.1所示Pl.D匚1P1.1匚2PlL3P1.3L4P14匚5P1.5T0Pl.B匚7P17匚aRST匚9(RXD)P&D匚110(TXD)P3.1匚11(INTO)P3.2匚12iInti)r.i-ir13(TO)P34r14(T1)P&5匚IB而用P3.or16IHU)P3.7匚17XTAL2rJXTALlr-1GND匚2040VCC3。POO(ADO)3且,JP0

17、.1(ADI)37_1ROW(AD236P0.3(A口期35POX(AD4)34PO-S(AD5)33P0.6(AD)32P0,7也D门31,javpp30ALLIROG29PSEN26P2.7(A1S)尸1P26(AHJ弱P2(A13)25PZ(A12)24P2.3(A11)23-1P22iA1022P2.1(A9121P20(Afi)图3.1AT89C51引角图.系统时钟电路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。单

18、片机内部具大器，用于构成振荡和XTAL2夸接石英晶体自激振荡器，系统时钟可以根据情况选择等频率的石英晶体，补C1一7CTAL122pF|Y1C2|XTAL222pF有一个高增益反相放器。通常在引脚XTALl和两个补偿电容构成电路结构如图2所示，6MHz8MHz或12MHz偿电容通常选择20-30pF左右的瓷片电容系统时钟电路如图2-2所示。图3.2系统时钟电路.复位电路单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。复位电路结构如图3.3所示。上电自动复

19、位通过电容C3充电来实现。手动按键复位是通过按键将电阻R2与VCC8通来实现。VCC图3.3复位电路3.2A/D转换器的选择本次设计中采用美国国家半导体公司生产的ADC0809,ADC080采用COMS：艺8通道，8位逐次逼近次A/D模数转换器。内部有一个8通道多路开关，它可以根据据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最为广泛的8位通用A/D芯片。.主要特性8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。）具有转换起停控制端。3）转换时间为100仙s（时钟为640kHz时），130仙s（时钟为500kHz时）4）单个+5V电源供电5）模拟输入电压

20、范围0+5V,不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40+85摄氏度7）低功耗，约15mW.内部结构ADC080用CMOS片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。如图3.4所示。图3.4ADC0809内部结构图.外部特性（引脚功能）ADC0809E片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.5所示。下面说明各引脚功能。IN0IN7:8路模拟量输入端。2-12-8:8位数字量输出端。ADDAADDBADDC3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路，ALE地址锁存允许信号，输

21、入高电平有效。STARTA/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOCA/D转换结束信号，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE数据输出允许信号，/&入高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZREF（+）、REF（-）:基准电压。Vcc：电源，单一+5V,GND地。叫一7工购工叫7工风IKS工N叫ATDAint21ATDBSTARTADDCEOCADC0SD9ALE%0E-ya人CLOCK里

22、汕通4*瞌Ds口*口61217跳GNDU&3.1115外图3.5ADC0809引角图.ADC0809的工作过程首先输入3位地址，并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换，之后EOC俞出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EO嘎为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只

23、有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。(1)定时传送方式，对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809换时间为128pS,相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。(2)查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC080的EOo因此可以用查询方式，测试EOC勺状态，即可确认转换是否完成并接着进行数据传送。(3)中断方式，把表明转换完成的状态信号(EOC作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上

24、述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。本次设计的整体系统原理图如下图所示：4.1主程序设计四软件的设计数码管显示电位器步进电机数据处理AD转换AD采集初始化图4.1主程序流程图图4.2显示程序流程图如图所示，ADC专换后的数据经过单片机处理后送给数码管显示，单片机首先输出位选指令，选中要显示的那们数码管。然后输出段码指令，输出要显示的数字。依次输出各位要显示的数字、直到各位数字显示完为止。五有关参数的计算与分析在三拍方式控制中，假如A相电源通电，RC两相都不通电，在磁场作用下，使转子齿和A

25、相的定子齿对齐。若此时为初始状态，并设与A相磁极对齐的12n1齿为0号齿，由于B相齿与A相齿相差120度。且q=13、不为整数。所以此93转子不能和B号齿对齐，只有13号小齿靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3度，如果此时变为B相通电，A、C两相不通电，则B相磁极迫使与13号齿对齐，整个齿就转了3度，称为一步。步进电机就是以这种方式作为动力而转动。在三拍A-B-C-A通电一周，转子转动了9度。固步距角可用公式5-1表示:Qs360二NZr(5-1)其中Qs为步距角，N为运行的拍数，乙为转子的齿数。其中N=mc*c,mc为控制的相绕阻，C在三拍中为1,在六拍中为2。步距角的速度的控制是通过改变脉

26、冲的时间问隔来控制的。如果步进电机每转20圈要2秒。则每进一步所在的时间为：计算公式如6-2所示:2000ms20NZr100ms3*1*40=833s(6-2)可见只要输出一个脉冲后延时833%再输脉冲就可以达到自定的速度。本次设计中通过电位器改变输入的电压值可改变步进电机的转速，在本次设计中得到的步进电机的转速为1634r/min-360一，一，、，从QS=后的公式看到,改变步进电动机步距的大小有三种方式：r1）改变步进电动机的相数。步进电动机的相数越多、步距角就越小。2）与步进电动机的定、转齿数有关。3）与定子控制绕组的通电方式有关。要改变步进电机步距角的大小也只能通过这三种方式。可见步

27、进电机的一但选定，其步距角就不能再改变了。要改变转束也就只能通过脉冲之间的延时来改变。但对步进电动机的步距角的控制，可以实现对步进电动机的转速精度控制。但实际上步进电机在用行时是带有一定量的负载，当运转时会存在许多误差，同时因为负载的存在可能引起失步和震荡。这就使步进电机不能按预定的规律运行，从而是很难达到转速精度的要求。为准确测量电机的转速稳定度，须选用高精度测量仪器。光电编码器因光电式数字输出而更具抗干扰性强和处理简便的优势。光电编码器的分分辨率是决定着反馈的准确性与反馈的精度。也对步进电机的延时长短起到一定的作用。可见实际与理论是有一定的差别的。参考文献1张毅刚.单片机原理及应用M,高等

28、教育出版社,2003.2陈理壁.步进电机及其应用M.上海科学技术出版社,1989.3刘保延等.步进电机及其驱动控制系统M.哈尔滨工业大学出版社,1997.4李立华等.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版5王福瑞.单片微机测控系统设计大全M.北京：北京航空航天大学出版社,1998.6何立民.单片机应用技术选编M.北京：北京航空航天大学出版社,1993.附录IADC080携数转换仿真图C1RV1U326SEVEN-MPX4-CC-BLUEU1IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADDAADDBADDCALE1216VREF(+)VREF(-)XTAL1C22。，XT

29、AL2RSTPSEN1P1.02347EOCP1.7OUT1AT89C51L20D4D3D2D1OUT8OED5CLOCKSTARTOUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7ALEEAP1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.622。，X112MHP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXD10D7D6；1814二17P3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T

30、1P3.6/WRP3.7/RD212324P2.2/A10P2.3/A112510D0121314-151617D2D3D4D5D6RP1ADC0809ADC080携数转换程序#include#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharucharcodeLEDData=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f)；sbitOE=P1A0;sbitEOC=P1A1；sbitST=P1A2;sbitCLK=P1A3;voidDelayMS(uintms)/延时函数大约延时ms毫秒uchari;w

31、hile(ms-)(for(i=0;i120;i+);)voidDisplay_Result(uchard)/显示函数(P2=0xf7;P0=LEDDatad%10;/显示个位DelayMS(5);P2=0xfb;P0=LEDDatad%100/10;/显示十位DelayMS(5);P2=0xfd;P0=LEDDatad/100;/显示百位DelayMS(5);)voidmain()(TMOD=0x02;/定时器t0方式2TH0=0x14;TL0=0x14;IE=0x82;/开CPU总中断、允许t0溢出中断TR0=1;P1=0x0f;while(1)(ST=0;ST=1;ST=0;while(

32、EOC=0);OE=1;Display_Result(P3);OE=0;/定时器中断函数voidTimer0_INT()interrupt1CLK=!CLK;附录II仿光电编码器测速仿真图C1RP1RESPACK-7122fC222fX112MC31918U1XTAL1XTAL2P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5393837363534RSTP0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9p0.0T0J02P03-、p0.4p05333221pU.o293031PSENP2.2/A10P2.3/A11222324ALEE

33、AP2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A1525262728p10345612pip1p13-4,5P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1101113p1.0pi.4p1.2,3p1.6p0.0P0p0.6-23P1.6P1.7P3.6/WRP3.7/RD7189c51仿光电编码器测速程序#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitCLOCK=P3A2;bitFLAG;ucharcodeDSY_CODE=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x7f,0x6f,0x00;ucharDisplay_Buffer3=0,0,0;uintCount=0,t;voidShowTime()Display_Buffer2=Count/100;Display_Buffer1=Count%100/10;Displ