基于单片机的步进电机控制

毕业论文步进电机的单片机控制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4N25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。整个系统采用模块化设计，结构简单，可靠，通过人机交互换接口可实现各功能设置，操作简单，易于掌握。该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等大多数场合。实践证明，基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更好的性能，更加简单、方便、可靠。本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执行器件——步进电机。-1-毕业论文关键词:步进电机，单片机，正反转控制，加减速控制，XY工作台目录第一章绪论..............................................41.1步进电机及其发展..................................41.2步进电机在我国的发展应用及前景....................11.3本文研究内容......................................2第二章步进电机的分类、结构、工作原理及特性...............2-2-毕业论文2.1步进电机的概念....................................22.2步进电机的特点....................................32.3步进电机的结构及工作原理..........................42.4步进电机的常用术语................................72.5步进电机的振荡和失步..............................82.6阻尼方法.........................................10第三章步进电机的驱动...................................113.1单电压功率驱动接口...............................113.2双电压功率驱动接口...............................123.3高低压功率驱动接口...............................13第四章步进电机的单片机控制.............................144.1步进电机控制系统组成.............................144.2步进电机控制系统原理.............................154.3脉冲分配.........................................164.4步进电机与微型机的接口电路.......................18第五章步进电机的运行控制...............................205.1步进电机的速度控制...............................205.2步进电机的位置控制...............................215.3步进电机的加减速控制.............................22第六章步进电机的程序设计...............错误！未定义书签。6.1程序框图.........................................256.2..........................................27设计总结.................................................30-3-毕业论文致谢...................................错误！未定义书签。参考文献.................................................31第一章绪论1.1步进电机及其发展步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。步进电机的原始模型起源于18301860年，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位-4-毕业论文在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。图1.1步进电机的外观图1.2步进电机在我国的发展应用及前景我国步进电机的研究及制造起始于本世界50年代后期，从50年代后期到60置而使用或开发少量产品。我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。70年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进年代中期至80年代80年代1毕业论文中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。1.3本文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PMM8713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2毕业论文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。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。从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。2.2步进电机的特点1.一般步进电机的精度为步进角的严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。2.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。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。3毕业论文4.步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。5.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。6.步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。7.转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。8.交流电源和直流电源。2.4步进电机的结构及工作原理2.4.1结构步进电机分为转子和定子两部分：1.62个相对的3何轴线依次分别与转子齿轴线错开。子齿轴线间的距离为齿距以π表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开与齿3向右错开5就是A，齿5就是齿1）。2.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。4毕业论文2.4.3工作原理电机的分别接地。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。以反应式步进电机为例：如A1与A对齐，如B2应与B3与C偏移为1/3π，齿4与A偏移（π-1/3π）=2/3π。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C4与A偏移为1/3π对齐。如A4与A向右移过1/3π这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。5毕业论文采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3π改变为1/6π。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3π变为不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以三、四、五相为多。2.4.4工作方式（三相）1.单三拍：通电顺序为ABC；2.双三拍：通电顺序为ABBCCA；3.三相六拍：通电顺序为ABBCCCA这三种工作方式的区别，如下表所示：表2.1反应式步进电机三种工作方式的性能比较工作方式单三拍双三拍六拍步进周期TTT每相通电时间T2T3T走齿周期3T3T6T相电流小较大最大高频性能差较好较好转矩小中大电磁阻尼小较大较大6毕业论文振荡容易较容易不容易功耗小大中由表2.1可以看出这三种工作方式中，六拍的性能最好，单三拍的性能最差，因此，在步进电机的控制应用中，选择合适的工作方式非常重要，本文主要研究的是三相六拍工作方式。2.5步进电机的常用术语1.同的齿距角。θz=2π/Z(Z是转子的齿数)2.的理论值。θb=θz/N=2π/NZ(N是工作拍数，Z是转子的齿数)3.的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。4.线的角度，电机转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。5.理想空载状态下的平衡位置。7毕业论文6.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。7.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。8.丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。9.不失步运行的极限频率。10.单步响应：指步进电机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转子由起动到停止的运动轨迹。2.6步进电机的振荡和失步步进电机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运行，因此要尽力去避免。2.6.1振荡步进电机的振荡现象主要发生于：步进电机工作在低频区，步进电机工作在共振区，步进电机突然停车时。当步进电机工作在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电机表现为单步运行，当励磁开始时，转子在电磁力的作用下由于惯性，转子冲过平衡点，这时电磁力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动。当转子反转过平衡点后，电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动。如此下去，形8毕业论文成转子围绕平衡点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰弱振荡，最终稳定在平衡点。当步进电机工作在共振区时，步进电机的脉冲频率接近步进电机的振荡频率fo时造成失步。振荡失步的过程可描述如下：在第一个脉冲到来后，转子经历了一次振荡。当转子回摆到最大幅值时，恰好第2个脉冲到来，转子受到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆，接着第3个3个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了三步。当步进电机工作在高频率区时，由于换相周期短，转子来不及反冲，同时，绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个工作区中不会产生振荡。减少步距角可以减少振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。2.6.2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。步进电机失步的原因有2种:1.转子的转速慢于旋转磁场的速度（或者说慢于换相速度）。例如，步进电机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此，步进电动机有一个启动频率启动时，肯定会产生失步。注意，启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、减少负载转动惯量、减少步距角都可以提高步进电机的启动频率。9毕业论文2.2.7阻尼方法和电子阻尼法两大类。其中机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器，电子阻尼法则有多种。1.振荡现象。2.不一样，在低频时绕组中的电流上升时间长，转子获得的能量大，因此容易产生振荡，在高频时则相反。所以，可以设计一种电路，使电压随频率的降低而减少，这样使绕组在低频时的电流减少，可以有效地消除振荡。3.使步进过程平稳进行。4.要过平衡点之前，加一个反向作用力去平衡惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实现准确制动。10毕业论文第三章步进电机的驱动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。3.1单电压功率驱动接口单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电，它的特点是电路最简单。开关管T是按照控制脉冲的规律“开”和“关”，使直流电源以脉冲方式向绕组L供电，这一过程我们称为步进电机的驱动。实用电路如下图所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单对步进电动机单步响应的改善如图3.1所示：图3.1单电压功率驱动接口电路图毕业论文在图3.1中，电路中只有一个电源V，电路中的限流电阻R1决R1R1使电流的上升波形变陡，来改善高频特性，但这样做又使低频性能变差。R1一般只用于小功率步进电机的驱动。3.2双电压功率驱动接口产生了双电压驱动。双电压驱动有两种工作方式：双电压法和高低压法。UL驱UH要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。图3.2中，功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。当UhULUh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。其电路图如下所示：12毕业论文图3.2双电压功率驱动接口电路虽然这方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好的高频特性，但仍没有摆脱单电压驱动的弱点，在限流电阻R上仍然会产生损耗和发热。3.3高低压功率驱动接口高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和跳变，高压管VTH的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。高低压驱动电路如下图所示：13毕业论文图3.3高低压驱动接口电路图高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法，由于这种驱动在低使用时要注意。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14毕业论文图4.1用微型机控制步进电机原理系统图与传统步进控制器相比较有以下优点：1.用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。2.动一个固定的步距角度。3.知道步进电机的最终位置。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。TTL0～5VCMOS0～10V接通和断开时间可用延时的办法控制。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15毕业论文电顺序为:正转:ABBCCCA反转:ACCBBBA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4.3.1通过软件实现脉冲分配软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的IO向驱动电路发出控制脉冲，下面以三相六拍为例上面提到了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图4.3用软件实现脉冲分配的接口示意图注：P1.0：A相驱动P1.1：B相驱动P1.2：C相驱动16毕业论文三相六拍控制字如下表所示：表4.1三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代表使绕组通电在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1口，步进电机就会转动一个齿距角，每送一个控制字，就完成一拍，步进电机转过一个步距角。软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPU所以，人们更喜欢用硬件法。4.3.2通过硬件实现脉冲分配所谓硬件法实际上就是使用脉冲分配器8713，来进行通电换相控制。8713是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电机，我们选择的是三相六拍工作方式。8713可以选择单时钟输入或双时钟输入，具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监视17毕业论文使用4~18V8713的3脚为步进脉冲输入端，4脚为转向控制端，这两个引脚的输入均由单片机提供和控制，选用对三相步进电机进行六拍方式控制，所以5、6脚接高电平，7脚接地。如下图所示：图4.489C51单片机系列和8713脉冲分配器的接口图由于采用了脉冲分配器，单片机只需提供步进脉冲，进行速度8713的负担减轻许多。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。18毕业论文8713脉冲分配器的13脚～15脚三位通电的状况，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系统。电路图如下所示：9432112345679598612345678图4.5单片机与步进电机的接口电路图19毕业论文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输出步进脉冲。4.P0.1控制步进电机的转向。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。控制步进电机的速度的方法可有两种：1.率，但这种方法CPU长时间等待，占用大量的机时，因此没有实践价值。2.20毕业论文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步进电机的位置控制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.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。21毕业论文减到0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，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22毕业论文5.1一个固定的模式，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，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。23毕业论文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MCS-51时器属于加1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24毕业论文第六章步进电机的程序设计6.3程序框图25毕业论文改变P0.0状态是P0.0=0？否反转

正转加速步数减1极步数减1否级步数=0？是加速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否级步数=0？是减速一级计算级步数减速步数=0？复位图6.4基于单片机的步进电机控制程序框图26毕业论文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；速时指向3AH;32H~34H——存放绝对参数（假设用335H、36H——存放加速总步数（假设237H~39H——存放恒速总步数（假设33AH、3BH——存放减速总步数（假设2P0.0——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；定时常数序列放在以ABC为起始地址的ROMR3=35H,R1、R2都有初始值。程序如下：ORG0000HJNBP0.0ZZ;27毕业论文JNBP0.1FZ;ZZ:INCR0CJNER0,#06HZZ1;MOVR0,00H;ZZ1:MOVA,R0;MOVDPTR