基于单片机的步进电机驱动控制系统设计

基于单片机的步进电机驱动控制系统设计内容摘要：

误差等是它最具竞争力的，因此在各种各样的领域中都有步进电机广泛的应用。 如指针式电子钟表、工业机械手、电动窗帘、包装机械中的计量系统、光盘选取机、印刷机、数控切割机、喷泉喷头角度控制系统等。 为了达到现在人们对智能化和网络化的需求，步进电机的控制技术也在不断更新发展，功能强大的单片机也越来 越多地应用到步进电机控制系统，实现了强强联合，势不可挡 ! 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件。 每出现一个脉冲，它就相应的运行一步。 步进电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点。 随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，以前的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变 控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。 基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。 因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。 伴随着单片机技术的不断更新发展，慢慢渗透到各种控制系统领域，可以非常肯定的是，基于单片机的步进电机控制系统发展前景将会一片光明，实现西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 智能化是今后控制系统发展的必然趋势。 所以，当下对基于单片机的步进电机控制系统进行研究具有非常重要的意义。 本课题研究步进电机 和 单片机 的原理，并设计实现 利用单片机对步进电机进行驱动控制。 并 利用 Proteus 仿真平台仿真实现 以单片机作为控制核心对步进电机进行驱动控制使其实现“正转”、“反转”、“加速”、“减速”以及“停止”运动 的 电路设计和软件 设计 及 仿真。 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为 Stepping motor，Pulse motor 或 Stepper servo，其应用发展已有 80 年的历史。 正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一，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。 步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 比如在数控系统中就得到了广泛应用。 目前世界各国都在大力发展数控技术，国外对步进电机的研究一直很活跃。 目前，国外对步进电机的控制和驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小驱动器的体积，明显提高了整机的性能。 比较典型的芯片有两类：一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减速过程，同时完成计长走步、正反转等。 对于开环使用的步进电机，实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率而不失步或过冲。 例如日本 的 ppmcl0lb 便是这种芯片。 采用这类专用集成电路可驱动 3~5 相电路，可选择励磁方式，转速精确，设定的转速范围宽，加减速的过渡时间及上升陡度可根据负载选定，此外还有单步运转和不同的停止方式。 我国数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电机控制系统，为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，我国改革开放初期研究步进电机细分驱动技术，细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。 细分包括 振荡器、环行分配器控制的细分驱动。 另外还有基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前采用的驱动方案还有根据汇编语言或 C 语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现 pc 机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由 PC 机直接控制步进电机的方法。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 经过数年来的努力，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。 其中华中数控系统解决了“五轴联动”，为“神州”系列飞船顺利升空立下了汗马功劳。 虽然与发达国家相比，我国 的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。 本文所选的步进电机是四相八拍步进电机，电压为 DC 5V~DC 12V。 采用的方法是利用单片机来控制步进电机的驱动。 当对步进电机按一定顺序施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。 每一个脉冲信号使得步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度。 当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。 四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电 ）四拍（ ABCDA…… ），双（双相绕组通电）四拍（ ABBCCDDAAB…… ），四相八拍（ AABBBCCCDDDAA…… ）。 本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节电机速度的，并且通过共阴数码管显示其转速的级别，并且通过单片机实现它的正反转以及加减速的控制。 本章小结 本章主要介绍了本设计的目的、意义、研究背景、国内外发展现状及主要内容。 通过以上，了解了将步进电机与单片机结合起来的优势，明确了本设计的研究方向。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 第二章 步进电机与单片机简介 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，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。 通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。 该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。 当定子的矢量磁场旋转一个角度。 转子也随着该磁场转一个角度。 每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。 它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。 改变绕组通电的顺序，电机就会反转。 所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 图 21 四相步进电机步进示意图 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机， 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。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之 一 , 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，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应 用。 步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（ Variable Reluctance ， VR）、永磁式（ Permanent Mag ,PM）和混合式（ Hybrid Stepping ,HS）。 反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。 结构简单、成本低、步距角小，可达 176。 、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。 永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。 其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为 176。 或 15176。 ）。 混合式：混合式步进电机综合了 反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。 其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。 按定子上绕组来分共有二相、三相和五相等系列。 最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占 97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。 该种电机的基本步距角为 176。 /步，配上半步驱动器后，步距角减少为 176。 ，配上细分驱动器后其步距角可细分达 256 倍（ 176。 /微步）。 由于西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。 同一步进 电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。 步进电机的静态指标有： （ 1） 、相数：产生不同对极 N、 S 磁场的激磁线圈对数。 常用 m表示。 （ 2） 、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 ABBCCDDAAB，四相八拍运行方式即 AABBBCCCDDDAA。 （ 3） 、步距角：对应一个 脉冲信号 ，电机转子转过的角位移用 θ 表示。 θ=360度 /（转子齿数 * 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 θ=360 度 /（ 50*4） = 度（俗称整步），八拍运行时步距角为 θ=360度 /（ 50*8） = 度（俗称半步）。 （ 4） 、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）。 （ 5） 、静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。 此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 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，但过分采用减小气隙，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。 步进电机的动态指标有： （ 1） 、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。 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。 （ 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。 （ 3） 、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 （ 4） 、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。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 （ 5） 、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。 （ 6） 、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大， 电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，采用小电感大电流的电机。 （ 7） 、电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般在 180250pps 之间（步距角 度）或在 400pps 左右（步距角为 度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 （ 8） 、电机正反转控制：当电机绕组通电时序为 ABBCCDDA 或 ( )时为正转 ，通电时序为 DACDBCAB 或 ( )时为反转。 步进电机的特征如下： （ 1）、一般步进电机的精度为步进角的 3%5%，且不积累。 （ 2）、步进电机外表允许的最高温度。 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 8090 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）的增大而相电流减少，从而导致力矩下降。 （ 4）、步进电机低速时可以正常转动，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14 步进电机有一个技术参数：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，启动频率应更低。 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，然后按一定加速度升到所希望的高 频（电机转速从低速升到高速）。 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。