毕业论文-8051单片机对步进电机的控制

PAGEPAGEI济源职业技术学院毕业设计题目单片机对步进电机的控制系别机电系专业班级姓名学号指导教师日期2007年12月本中心为大学生提供免费机械毕业设计参考资料QQ：249796576设计任务书设计题目：单片机对步进电机的控制设计要求：1.初步了解步进电机的分类、工作原理，重点掌握反应式步进电机的工作特点，矩频特性以及常见的驱动电路。2.以8051为主控制器实现对步进电机的简单控制：电机的正转、反转、制动三种状态的任意切换；电机的加减速控制。3.以自动门的设计为实例，讲解了步进电机在实际生产生活中的运用设计进度要求：第一周：搜集资料，研究步进电机的种类，工作原理以及运用场合。第二周：掌握步进电机的机械运行特性。第三周：查找步进电机驱动电路的种类，掌握一种最常用的驱动电路。第四周：温习单片机有关知识：常用程序语句、定时器的使用。第五周：研究步进电机的简单控制，写出正反转程序、调速程序。第六周：简单介绍一实际运用。指导教师（签名）：前言步进电动机是数字控制系统的一种执行元件。它是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电动机，因此又被称为脉冲电动机。给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或前进一步，其角位移量θ（或位移S）与脉冲数k成正比，如图0.0（a）所示。它的转速n（或线速度v）与脉冲频率f成正比，如图0.0（b）所示。这些关系在负载能力范围内不因电压与负载大小以及环境条件的波动而变化。步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，如快速、起-停、正反转控制及制动等，这是步进电动机的突出优点。图0.0步进电机脉冲数、频率与步距角转速关系近年来，电子技术及卫星计算机的迅发展为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。在自控系统中，常常要有数字信号转换为角位移或心位移的电磁装置，步进电动机是工作特点恰好符合此要求。步进电动机既可以在某一固定频率脉冲电源作用下作为驱动电动机恒速运行，也可以在某一受控脉冲作用下作为伺服电动机运行。当它作为自控系统中的执行元件时，系统对它的基本要求是：（1）步进电动机在脉冲信号下要能快速起动、停转、正反转及在很宽的范围内调速。（2）要求步进电动机步距精度高，不得丢步或越步。（3）快速响应，即起动、停转、正反转要迅速。（4）能直接带负载，输出一定的转距。在该设计中我们选用单片机8051做为步进电机的控制器,用它来实现步进电机的空载时的正反转\带负荷时的正反转以及各自速度的控制,在设计的最后我们研究了在自动门中单片机对步进电机的控制.摘要步进电动机是用脉冲信号控制的，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、反转，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。图0.1步进电机在数控机床中的运用在机电一体化中，步进电机是最常用的一种执行电机，它实现了机械中的角度、位移的数字化控制，从而使机械控制的精度大大提高。现代控制技术中普遍采用的方式为开环控制和闭环控制，开环控制结构简单成本低但其精度不是太高；闭环控制可以实现高精度的控制，但其结构复杂投入成本高。步进电机的出现解决了这一技术难题，它使得开环控制的精度和速度大大提高，由它组成的步进式伺服控制系统实现了数字化机械生产过程。数控机床便是这一技术的成功体现，伺服系统的性能是决定数控机床加工精度和生产效率的主要因素之一。由步进电机执行的机床结构见图1-1所示.除数控机床广泛采用步进电机外，在数模转换装置、计算机外围设备、自动记录仪、钟表、印刷设备等中亦有应用。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——步进机。关键词:步进电机，脉冲信号，步距角，开环控制，闭环控制，伺服控制目录TOC\o"1-3"\u前言 I摘要 III目录 IV1步进电机的分类、结构、工作原理 11.1步进电机的分类和结构 11.2工作原理 22步进电机的机械运行特性 52.1静态运行状态 52.2步进运行状态 62.3连续运转状态 83步进电机的驱动 103.1步进电机对驱动电源的要求 103.2常见提高驱动电源的措施 103.3步进电机电源的分类 114实现轻负载时步进电机的正反转 124.1控制要求 124.2所需器材 124.3设计原理 124.4正反转控制程序流程 134.5步进电机正反转程序 145步进电机转速控制 175.1转速控制原理 175.2转速控制程序流程 185.3转速控制程序 186自动门的设计 236.1自动门设计功能与要求 236.2自动门设计的思路： 236.3硬件电路的设计与器件选择 236.4软件程序设计 277设计小结 33致谢 34参考文献 351步进电机的分类、结构、工作原理1.1步进电机的分类和结构步进电机的形式很多,其分类方式也很多,常见的分类方式是按产生力矩的原理,按输出力矩的大小以及定子和转子的数量分类等.根据不同的分类方式,可将步进电机分为多种类型.见表1.1所示.表1.1步进电机的分类分类型式具体类型按力矩产生的原理反应式:转子无绕组,由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行.励磁式:定,转子均有励磁绕组(或转子用永久磁钢制成)由电磁力矩实现步进运行.按输出力矩的大小伺服式:输出力矩在几百~几KN.cm,只能驱动较小的负载,要与液压扭矩放大器配用,才能驱动大负载.功率式:输出力矩在5~50N.m以上,可以直接驱动大负载.按定转子数(1)单定子式;(2)双定子式;(3)三定子式;(4)多定子式.按各相绕组分布径向分相式:电机各相按圆周依次排列轴向分相式:电机各相按轴向依次排列目前,我国使用的步进电机主要是反应式步进电机.如下图1-2所示,这是一台典型的三相反应式步进电机.图1.1三相反应式步进电机的结构它的定子和转子是用硅钢片和其他软磁材料制成的.定子上共有六个磁极,每个磁极上都有许多小齿.在径向相对的两个磁极上的线圈串联起来组成一相绕组,沿周围也有许多小齿.根据工作要求,定子磁极上的小齿的齿距与转子磁极上的小齿必须相等,而且转子上齿数有一定的限制.1.2工作原理反应式步进电机是利用凸极转子横轴阻与直轴不同所产生的反应转矩而转动。为便于讨论,先以一台最简单的三相反应式步进电动机为例。图1-3所示为一台三相反应式步进电动机,定子有六个磁极,不带小齿,相对的两个磁极绕有一相绕组,三相绕组接成星形。转子上没有绕组,只有四个齿,定子与转子齿宽相同.当A相绕组通电而B,C相绕组不通电时,由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点,因而转子1齿和3齿的轴线与定子A相磁极轴线对齐,如图1-4所示.当A相绕组断电,B相绕组通电时,在B相绕组建立的磁场作用下,转子逆时针方向转过300,使转子2齿和4齿轴线与B相磁极轴线对齐,如图1-5所示.同理,当B相绕组断电,C相绕组通电时,转子又逆时针方向转过300,使转子1齿和3齿的轴线与C相磁极轴线对齐.按此顺序不断地使各相绕组轮流通电和断电,转子就会逆时针方向一步一步地转下去.每一步转过的角度称为步距角,用θb表示.转子相邻两齿轴线间的夹角称为齿距角,用θt表示.若用Zr表示转子齿数,则θt=3600/Zr.图1.2三相反应式步进电机的三相单三拍运行方式上述过程中,如果A相断电时,不是给B相通电而是给C相通电,则在C相绕组建立的磁场作用下,转子将顺时针转过300,使转子2齿和4齿的轴线与C相磁极轴线对齐.当C相绕组断电,B相绕组通电时,转子又顺时针方向转过300,使转子1齿和3齿的轴线与B相轴线对齐.显然,按A-C-B-A的顺序通电,则转子将按顺时针方向旋转.可见,步进电机的旋转方向由三相绕组轮流通电的顺序决定.步进电机按上述A-B-C-A(或A-C-B-A)的方式运行,称为三相单三拍运行方式.”三相”是指步进电机具有三相定子绕组;”单”是指每个通电状态只有一相绕组通电;”三拍”是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环,第四次通电时又重复第一拍的通电状态.在这种运行方式中,步距角θb=300.三相反应式步进电机除三相单三拍运行方式外,还有三相双三拍与三相单双六拍运行方式.当采用三相双三拍运行方式时,每次有两相绕组同时通电,其通电顺序为AB-BC-CA-AB或AC-CB-BA-AC.当AB两相绕组同时通电时,转子的齿既不与A相磁极轴线对齐,也不与B相磁极轴线对齐,其步距角θb=300,与单三拍时相同.把上述两种运行方式结合起来,有A-AB-B-BC-C-CA-A或A-AC-C-CB-B-BA-A运行方式,即一相与两相间隔轮流通电,完成一个循环有六个通电状态.经过六个通电状态完成一个循环,转子转过一个齿距角,步距角θb=900/6=150（见下图1-5所示）.可见三相单双六拍运行时步距角比三相三拍(无论是单三拍还是双三拍)小一半.因此,同一台步进电机采用不同的通电方式,步距角有两个不同的值.如上所述的简单结构的步进电机,三拍运行时,θb=300;六拍运行时,θb=150.图1.3三相反应式步进电机的三相单双六拍运行方式综上所述，我们可以得到步进电机步距角和转速关系式如下：θb=3600/NZr式（1.1）n=60fθb/3600=60f/NZr式（1.2）（1.1）式中：Zr为转子齿数；N为运行拍数。（1.2）式中：f为脉冲频率；Zr为转子齿数；N为运行拍数。2步进电机的机械运行特性反应式步进电机的运行特性根据各种运行状态分别阐述。2.1静态运行状态步进电动机不改变通电情况的运行状态称为静态运行。电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角叫做失调角，用电角度表示。步进电动机静态运行时转子受到的反应转矩叫做静转矩，通常以使增加的方向为正。步进电机的静转矩与失调角之间的关系叫做矩角特性。当步进电机的控制绕组通电状态变化一个循环，转子正好转过一齿，故转子一个齿对应电角度为，在步进电机某一相控制绕组通电时，如果该相磁极下的定子齿与转子齿对齐，那么失调角，静转矩，如图7.14a所示；如果定子齿与转子齿未对齐，即，出现切向磁力，其作用是使转子齿与定子齿尽量对齐，即使失调角减小，故为负值，如图7.14b所示。如果为空载，那么反应转矩作用的结果是使转子齿与定子齿完全对齐；如果某相控制绕组通电时转子齿与定子齿刚好错开，即，转子齿左右两个方向所受的磁拉力相等，步进电机所产生的转矩为0，如图1-6所示。(a)

(b)

(c)图2.1

步进电动机的转矩和转角步进电机的静转矩随失调角呈周期性变化，变化的周期为转子的齿距，也就是电角度。实践表明，反应式步进电机的静转矩与失调角的关系近似为式（2.1）式中为常数，与控制绕组、控制电流、磁阻等有关。步进电机某相绕组通电时矩角特性如图1-7所示。图2.2步进电机的矩角特性步进电机在静转矩的作用，转子必然有一个稳定平衡位置，如果步进电机为空载即，那么转子在失调角处稳定，即在通电相，定子齿与转子齿对齐的位置稳定。在静态运行情况下，如有外力使转子齿偏离定子齿，，则在外力消除后，转子在静转矩的作用下仍能回到原来的稳定平衡位置。当时，转子齿左右两边所受的磁拉力相等而相互抵消，静转矩，但只要转子向左或向右稍有一点偏离，转子所受的左右两个方向的磁拉力不再相等而失去平衡，故是不稳定平衡点。在两个不稳定平衡点之间的区域构成静稳定区，即，如图1-7所示。矩角特性上静转矩的最大值称为最大静转矩。2.2步进运行状态当接入控制绕组的脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下一个脉冲才到来，电机呈现出一转一停的状态，故称之为步进运行状态。当负载（即空载）时步进电动机的运行状态如图1-8所示，通电顺序为，当相通电时，在静转矩的作用下转子稳定在相的稳定平衡点，显然图2.3步进电动机空载运行状态失调角，静转矩。当相断电，相通电时，矩角特性转为曲线，曲线落后曲线一个步距角，转子处在相的静稳定区内，为矩角特性曲线上的点，此处，转子继续转动，停在稳定平衡点处，此处又为0。同理，当相通电时，又由转到点，然后停在曲线的稳定平衡点处，接下来相通电，又由转到并停在处，一个循环过程即为。相通电时，为静稳定区，当相绕组断电转到相（图中）,在换接的瞬间，转子的位置只要停留在此区域内，就能趋向新的稳定平衡点，所以区域（，）称为动稳定区，显而易见，相数增加或极数增加，步距角愈小，动稳定区愈接近静稳定区,即静、动稳定区重叠愈多，步进电机的稳定性愈好。上面是步进电机空载步进运行的情况，当步进电机带上负载运行时情况有所不同。带上负载后，转子每走一步不再停留在稳定平衡点，而是停留在静转矩等于负载转矩的点上，如图1-9中、、、处，，转子停止不动。具体分析如下：当相通电，转子转到时电机静转矩等于负载转距，两转矩平衡，转子停止转动，相断电相通电，改变通电状态的瞬间，因为惯性转子位置来不及变化，于是转到曲线上的点，由于点的静转矩，故转子继续转到点，在点转子停止，接下来相通电的运转情况类似。一个循环的过程为。图2.4步进电动机负载运行状态如果负载较大，转子未转到曲线、的交点就有，转子停转，当相断电相通电，转到曲线后，电机不能作步进运动。显而易见，步进电机能够带负载作步进运行的最大值即是两相矩角曲线交点处的电机静转矩。若增加相数或拍数，那么静动稳定区重叠增加，两相曲线交点升高，最大电机静转矩增加。2.3连续运转状态当脉冲频率较高时，电机转子未停止而下一个脉冲已经到来，步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状态。脉冲频率升高，电机转速增加，步进电动机所能带动的负载转矩将减小。主要是因为频率升高时，脉冲间隔时间小，由于定子绕组电感有延缓电流变化的作用，控制绕组的电流来不及上升到稳态值。频率越高，电流上升到达的数值也就越小，因而电机的电磁转矩也越小。另外，随着频率的提高，步进电动机铁芯中的涡流增加很快，也使电机的输出转矩下降。总之步进电机的输出转矩随着脉冲频率的升高而减小，步进电机的平均转矩与驱动电源脉冲频率的关系叫做矩频特性，如图1-10所示。图2.5

步进电机的运行矩频特性3步进电机的驱动3.1步进电机对驱动电源的要求A能够提供幅值足够,前后沿较好的励磁电流.步进电机的控制绕组是一个铁心电感线圈,在接通或短开时,电流不能突变.由于过度过程的存在,使得一个通电周期中,实际电流的平均值比理想的矩形波小,从而使电机运行时的输出力矩较低.另外随着电机运行频率提高,每组绕组通电时间将减少,而过渡过程的时间常数不变,常使得绕组电流还没有来得及达到稳态值,就又被切断,更使电流平均值变小,输出力矩下降,使得电机矩频特性在高频时较软.同理,电机绕组突然短电时,电流不能立刻消失,而按指数规律下降,残余电流较大.这样就出现阻碍步进电机转向下一步的过阻尼现象,也使得电机的输出力矩和工作频率下降.因此,除了在步进电机设计的尽量减小绕组电感外,还要求驱动电源采取措施,使得供的电流波形尽量接近矩形波,以提高电机运行性能.B本身的功耗小,效率高.为保证步进电机有一定的输出力矩和快速性,必须使用较高的驱动电压.此时为了减小过度时间常数并限制励磁电流不超过额定值,往往要串联适当的电阻.这在电机励磁电流不大时是允许这样做的,但对于大功率的电机时,电阻消耗的功率就太大了.这时,常采用功耗小,效率高,又能加快过度过程的高低压供电方式.C能稳定运行.D成本较低且便于维修.3.2常见提高驱动电源的措施图3.1就是一个简单的功率放大驱动电路.图3.1步进电机驱动电路图中L,r是步进电机一相绕组的电感和电阻,二极管VD和电阻RD组成放电回路,以防止晶体管VT关断瞬间绕组反电势可能造成管子的击穿.R0为限流电阻,保证通电后电流稳态值为额定值.电流C称为加速电容,动态时,利用它的旁路作用,使电机绕组电流上升加快,改善电流波形的前沿.由于电机绕组存在电阻L,当晶体管VT突然接通后,绕组电流按指数规律上升,其时间常数为t1=L/R0+L.当晶体管VT突然截止时,电流同样按指数规律下降,此时时间常数为t2=L/RD+r.3.3步进电机电源的分类A按供电方式分类(1)单电压:一般为12V,27V,60V.(2)双电压(又称高低压切换),高压采用30V,110V,160V,220V,300V;低压采用12V,15V.(3)调频调压供电.B按功率驱动部分所用元件分类(1)大功率晶体管驱动.(2)快速晶闸管驱动.(3)可关断晶闸管驱动.(4)混合驱动.

4实现轻负载时步进电机的正反转4.1控制要求A通过按键控制电机的正转,反转.B电机在正转与制动,反转与制动之间的切换.C电机在正转,反转,制动三种状态之间的任意切换.4.2所需器材35BY48S03型步机电机MCS8051单片机及其简单的外围器件电阻若干功率晶体管3个稳压二极管三只反相器74LS06二极管3只+12V直流电源导线若干计算机一台(装有编程软件)4.3设计原理单片机的p1口控制步进电机的运行，只要在一定的时间控制p1.0,p1.1,p1.2口的输出情况就可以实现对步进电机的运行控制。其波形情况如下图4.1所示。图4.1步进电机控制方式波形显示驱动电路选用功率三极管作为驱动元件见图4.2所示。P1.0,p1.1,p1.2三根线按上图波形依次道通，它们经过反相器74LS06提升至+12V，直接接通功率晶体管的基极。功率晶体管的集电极E1,E2,E3分别经6Ω限流电阻接到步进电机的A,B,C三个绕组上。功率晶体管在时序脉冲的驱动下道通或截至，使步进电机的三个绕组分别加电和断电，完成旋转。在本电路中，二极管D1-D6对功率晶体管起保护作用。图4.2步进电机驱动电路4.4正反转控制程序流程图4.3正反转控制流程图4.5步进电机正反转程序ORG0000HLJMPMAINORG0030HMAIN：MOVA,#00000011BMOVP0,A;给p0口装入初值CALLANJAN;调用按键子程序ANJAN：JBP1.0,ZHENGZHUAN;调用正转子程序JBP1.1,FANZHUAN;调用反转子程序JBP1.2,MAIN;电机停转，返回主程序RETZHENGZHUAN:MOVA,#00000011BMOVP0,ACALLDELAYMOVA,#00000110BMOVP0,ACALLDELAYMOVA,#00000101BMOVP0,ACALLDELAYCALLANJANJNBpo,ZHENGZHUANFANZHUAN:MOVA,#0000011BMOVP0,ACALLDELAYMOVA,#00000101BMOVP0,ACALLDELAYMOVA,#00000110BMOVP0,ACALLDELAYCALLANJANJNBpo,FANZHUANDELAY:MOVR5,#1;装入延时时间，控制转速MOVR7,#100DJNZR7,$DJNZR6,D1DJNZR5,DELAYRET

5步进电机转速控制以上我们实现了对步进电机的正反转控制，在空载或轻载时是不会失步的，但步进电机力矩是软特性的，这在负载较重时，就有可能会有失步现象的发生，这就要求我们可以实现其转速的控制。5.1转速控制原理我们只要在其正反转控制的基础上，将p1.0,p1.1,p1.2口输出脉冲的频率改变，就可以实现对它转速的控制。本实验中选用电机步距角为1.50，控制要求为：A按下S1键，电机启动；B按下S2键，电机停止；C按下S3键，电机速度加1；D按下S4键，电机速度减1.E加减速在25-100转/分分析：电机每转动1圈需要脉冲数为：n=3600/1.50=240,则每转一圈要240个脉冲，若要求25转/分，则每秒要产生脉冲数为：n1=25/60*240=100。为此我们得出转速与每秒产生的脉冲个数关系为：N=V/60*240=4V式（5.1）式中V为要控制的速度，Ｎ为所需脉冲个数。有了上述关系我们就不难推出定时时间与速度之间的关系：T=1/N=1/4V式（5.2）若定时器控制位TMOD=01H，那么定时器的计数初值与转速之间的关系为：X=216-1/4V*foc/12式（5.3）式中foc为晶振频率。为此我们可以得出步进电机转速与定时器定时常数关系，见下表（表1.2所示）：表1.2步进电机转速与定时器定器初值设定表步进电机转速与定时器定时常数关系速度定时时间(us)TH1值TH2值2510000D8F0269615DA71279259DBD5288928DD1F298620DE54308333DF73318064E080……为此我们只要将定时器的初值写入表格，利用查表程序就可以完成电机速度的控制。5.2转速控制程序流程图5.1转速控制流程图5.3转速控制程序程序定义如下：START

bit

01H

;起动及停止标志

MinSpd

EQU25

;起始转动速度

MaxSpd

EQU100

;最高转动速度

Speed

DATA23H

;流动速度计数ORG0000HLJMPDJSDORG0010HLJMPMAINORG0030HMAIN:MOV

SPEED,#MinSpd

;起始转动速度送入计数器CLR

StartEnd

;停转状态MOVTMOD,#00000001BSETBEASETBET1LOOP:

ACALL

KEY

;键盘程序

JNB

P0,m_NEXT1

;无键继续

ACALL

KEYPROC

;否则调用键盘处理程序m_NEXT1:

MOVA,SpeedJBSTART,m_Next2CLRTR1;关闭电机

JMPLOOP

ORLP1,#11110000B

m_Next2:

SETBTR1;启动电机

AJMP

LOOP

;主程序结束KEYPROC:

MOV

A,B

;获取键值

JB

ACC.0,StartStop

;分析键的代码,某位被按下,则该位为1

JB

ACC.3,KeySty

JB

ACC.1,UpSpd

JB

ACC.2,DowSpd

AJMP

KEY_RET

StartStop:

SETBStartEnd

;启动

AJMP

KEY_RET

KeySty:

CLRStartEnd;停止

AJMP

KEY_RET

UpSpd:

INC

SPEED

MOV

A,SPEED

CJNE

A,#MaxSpd,K1;到了最多的次数？

DEC

SPEED;是则减去1，保证下次仍为该值

K1:

AJMP

KEY_RET

DowSpd:

DEC

SPEED

MOV

A,SPEED

CJNE

A,#MAXSPD,KEY_RET

;不等（未到最大值），返回

MOVSPEED,#MinSpd;

KEY_RET:

RET

KEY:MOVA,P1MOVB,A

RETDjZS:;定时器T1用于电机转速控制

PUSHACC

PUSHPSW

MOVA,Speed

SUBBA,#MinSpd;减基准数

MOVDPTR,#DjH

MOVCA,@A+DPTR

MOVTH1,A

MOVA,Speed

SUBBA,#MinSpd

MOVDPTR,#DjL

MOVCA,@A+D