基于单片机的步进电机控制的设计

基于单片机的步进电机控制的设计内容摘要：

的提高，实际应用普及率越来越高，使得数控机床已成为现代机械制造技术的基础。 战后全球经济发展的历史经验证明，一个国家的实力极其繁荣，主要取决于其制造业所能提供的产品与劳务的竞争力。 我国与工业化国家的技术差距主要是制造技术方面的差距 [3]。 制造是人类最古老的生产活动之一， 18 世纪中叶的工业革命促进了现代工安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 2 业化生产的出现， 19世纪电气技术的发展和 20世纪内燃机的发明，引发了制造业的革命，流水线生产和泰勒式工作制得到了广泛的应用，二战期间，大批大量的制造技术有了很大的发展。 二战后 50 年来，计算机、微电子、信息和自动化技术有了迅速的发展，并在制造业中得到了愈来愈广泛的应用，先后出现了数控（ NC）、计算机数控（ CNC）、柔性制造单元（ FMC）、柔性制造系统（ FMS）、计算机辅助设计与制造（ CAD/CAM）、计算机集成制造系统（ＣＩＭＳ）等多项先进制造技术与制造模式，制造业正经历着一 场新的技术革命。 作为机械制造技术中主要发展方向的精密加工技术是集测量学、微电子学、近代光学、控制论信息论等先进技术与机械制造技术相融合的一门交叉学科，是现代许多尖端技术和国防技术赖以存在和发展的基础，代表了一个国家科技发展的水平。 因而许多国家竞相发展精密加工及超精密加工技术，可以说，精密机械制造技术的水平在很大程度上将成为衡量一个国家科技水平的标志。 现代机械制造技术是一个多技术紧密耦合的技术族，其中数控技术是实现其最终目标的基础，它的发展和运用开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。 目 前世界各国都在大力发展数控技术，而且国外的数控加工系统在精度和自动化的程度上都达到了很高的水平 【 7】。 经历了几个五年计划的努力，我国的数控系统已经取得了很大的发展，六五期间的技术引进，七五期间的消化吸收，到八五末，我国已经自行研制开发了适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。 但是，由于我国许多 因素的影响，我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，利用率也不高。 经济型数控在我国占有比较重要的地位，并起了很大的作用，它 以单板机 为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，只需一万元左右就可 以装备一台经济型数控机床，很适合我国中小型企业使用。 步进电机今后的发展，依赖于新材料的应用，设计手段以及驱动技术的最佳匹配。 首先，精确的分析和设计，模型的建立和完善，是一项重要的基础研究，至今还有许多工作要做，它可以为各类问题的深入分析提供基础，为优化设计指出方向。 其次，随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中得以应用，尤其是智能化技术方向的发展将会成为步进电机下一阶段的发展趋势。 最后，电力电子技术、微电子技术的发展，高性能永磁材料的应用及优化设计技术对步进电机的发展起到重要作用，同时驱动技术改进 的作用也不容忽视，特别是微步驱动技术的应用和成熟，对步进电机的设计和发展产生了很多的影响，也提出了一安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 3 系列研究的新课题和新方向 [4]。 论文的主要研究内容 本论文所选的步进电机是四相步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行 器件。 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。 本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速的级别。 另外通过单片机实现它的正反转， 步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差 (精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 4 第二章 步进电机的介绍 步进电机的 简介 步进电机又称脉冲电机或者阶跃电机。 它 是将电 脉冲 信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。 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。 步进电机受脉冲信号控制，它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲 频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速启动、停止 和反转。 电 机步距脚和转速大小都不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响。 它每转一周都有固定的步数，在不丢失的情况下运行，其步距误差不会长期积累。 步进电机有多种不同的结构，主要类型分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。 近 20 多年来，步进电机驱动技术和电机结构都取得了很大的发展，逐渐形成以混合式及反应式为主的产品格局。 混合式步进电动机是在同步电动机或者说是在永磁感应式同步电动机的基础上发展起来的，其综合了两类步进电机的特点，因而性能更好 [1]。 步进电机的分类 反 应式步进电机（ VR ）、永磁式步进电机（ PM ）、 混合式步进电机 (HB)。 安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 5 图 11 三种步进电机 反应式步进电机一般为三相， 转子无绕组，定转子开小齿、步距小， 可实现大转矩输出， 步进角 一般 为 度， 但噪声和振动都很大， 在欧美等发达国家 80 年代 已经 被淘汰 [6]。 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 度或 15 度 ；转子的极数 =每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。 开小齿，混合反应式与永磁式优点： 转矩大、动态性能好、步距角小。 它又分为两相和五相： 两相步进角一般为 度而五相步进角一般为 度。 这种步进电机的应用很广泛。 步进电机的特点 来一个脉冲，转一个步距角。 控制脉冲频率，可控制电机转速。 改变脉冲顺序，改变转动方向。 角位移量或线位移量与电脉冲数成正比。 步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比 ， 因 此，当它转动一周后， 没有累计误差 ， 具有良好的跟随性。 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。 步进电机的动态响应快， 易于 启 停、正反转及变速 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。 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安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 6 电源。 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。 步进电机的主要缺点是效率较低，并且需要配上适当的驱动电源，还有它 自身的噪声和振动较大， 带负载惯量的能力不强，此外在应用中，步进电机运转很有可能出现低频振荡，而使用细分驱动技术可以有效克服低频共振的危害 [2]。 步进电机的应用 通常选择步进电机我们希望步进电机的输出转矩大、启动频率和运行频率高、步距误差小等等。 首先应考虑的是系统的精度和速度的要求，为了提高精度，希望脉冲当量（每输入一个脉冲使被控制对象产生的位移） 小。 但脉冲当量太小，要求的减速比 较 大，而最高速度将受到步进电机的最高运行频率限制，故应兼顾精度与速度。 经过长期的发展，步进电机的应用已渗透到数字控制的各个领域，尤其在数控机械中广泛应用了其开环控制的特点。 近年来，随着微电子技术、大功率电力电子技术及驱动技术的进步，步进电机在办公自动化机器、工业机 械和计算机外设等领域作为控制用电机和驱动用电机被广泛使用。 步进电机的工作原理 步进电机工作原理大体类似 ， 以四相步进电机 28BYJ48 为例具体来说明。 实物如图 21所示。 图 21 电机实物图 安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 7 图 22 四相步进电机步进示意图 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 4号齿就和 C、 D相绕组磁极产生错齿， 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 4 号齿之间磁 力线的作用，使转子转动， 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， 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。 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 23所示。 图 23 步进电机工作时序波形图 步进电机 28BYJ48 型四相八拍电机，电压为 DC5V— DC12V。 当对步进电机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。 每一个脉冲信号对应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（一个步距角） （步距角 表示控制 系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度， 该参数反映了步进电机的实际精度 ）。 当通电状态 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，常见的通电方安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 8 式有单（单相绕组通电）四拍（ ABCDA。 ），双（双相绕组通电）四拍（ ABBCCDDAAB。 ），八拍（ AABBBCCCDDDAA。 ） ， 如表 21所示。 表 21（驱动方式： 412 相驱动） 导线颜色 1 2 3 4 5 6 7 8 5 红 + + + + + + + + 4 橙 — — — 3 黄 — — — 2 粉 — — — 1 蓝 — — — → CCW 方向旋转（轴伸端视） 双四拍每次对多相同时通电 ， 与单四拍比较起来，每相通电的时间长，消耗的电功率增大，电机所得到的电磁转矩也大。 同时，采用多相励磁会产生电磁阻尼，会削弱或消除振荡现象，使得电机不易产生失步。 四相八拍与四相 四拍相比较，步距脚小了一倍，有利于削弱振 荡，提高电机的带负载能力。 电动机的转速取决于控制绕组与电源接通或断开的变化频率。 控制绕组与电源的接通或断开，通常是由电源逻辑线路来控制的 [5]。 28BYJ48 步进电机加驱动才可以运转，驱动信号要为脉冲信号，没有脉冲信号的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度转动。 28BYJ48 的步距角为 ，如果需要转动一圈，那么需要（ 360176。 /）*64=4096 个脉冲信号。 28BYJ48 步进电机还具有瞬时启动和急速停止的优越特性。 改变脉冲的顺序，可以方便地改变转动方 向。 控制步进电机速度的方法 这里介绍三种控制步进电机速度的方法，设计中考虑到编程的难易程度，选择了第二种方法来实现控制步进电机的速度。 （ 1） 改变控制方式的变速控制 最简单的变速控制可利用改变步进电机的控制方式实现。 例如，在三相步进电机中，启动或停止，用三相六拍，大约 秒以后，改用三相三拍的分配方式，在快达到终点时，再度采用三相六拍的控制方式，以达到减速的目的。 （ 2） 均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制 步进电机的加速或减速控制，可以均匀地改变脉冲时间间隔来实现。 例如，安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 9 在加速控制中，可以均匀地减 小时间间隔；在减速控制中，可以均匀地增加时间间隔。 具体地说，就是均匀地减小（或增加）延时程序中的延时时间函数。 由此可见，所谓步进电机控制程序，实际上就是按一定时间间隔输入不同的控制字。 所以，改变传送控制字的时间间隔（亦即改变延时时间），即可以改变步进电机的控制频率。 这种方法的优点是由于延时的长短不受限制，因而使步进电机的工作频率变化范围较宽。 （ 3） 定时器的变速控制 在单片机控制系统中，也可以使用单片机内部的定时器来提供延时时间。 其方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间，由定时器向 CPU 申请一次中断， CPU响应中断后，便可以发出一次控制脉冲。 此时，只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加速或减速的目的，这种方法可以提高控制系统的效率。 安徽建筑工业学院毕业设计（论文） 10 第三章 设计要求及方案选择 设计要求 （ 1） 了解项目从构思、设计、制作、系统集成等全过程，掌握分析问题、解决问题的方法和技巧。 （ 2） 初步了解步进电机的一些基本原理及控制的方法 （ 3） 了解掌握单片机的一些知识及编程部分，掌握 STC89C52 芯片的性能与应用。 （ 4） 画出相关的电路原理图以及 PCB 图，把硬件部分搭建好。 （ 5） 要求完成整体方 案电路的软硬件设计。 （ 6） 能够熟练使用搜索引擎以及相关书籍获取必要的文献。 （ 7） 按相应的键能实现准确控制步进电机的启动 /停止 /正转 /反转 /加速 /减速。 本课题的研究目的之一就是设计一套硬件 系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性强， 可靠性高的步进电机控制系统。 方案 选择 单片机。