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1、基于单片机的步进电机驱动和转速测量系统 【摘要】 本文介绍了基于89c51单片机的步进电机驱动的控制系统的设计和电机转速测量的系统，分别概述的介绍了单片机和步进电机以及步进电机的转速测量。并采用C语言编程，结果表明该方法具有简单、进度高、稳定性好的优点，介绍了该测速的基本原理、实现的步骤和软硬件设计。 【关键词】 89C51单片机；步进电机；驱动；转速测量 前 言 目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表，用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得）、同步测速法（如机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。技术测速法又可分为机械式定时计数法和电子式计
2、数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。其中应用最广的是光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点。 目 录 摘要4关键词4前 言5第一章 绪 论71.1 简 介71.2 系
3、统的总体结构7第二章 步进电机的基本原理82.1 步进电机的介绍82.2 步进电机的分类92.3 步进电机的基本原理和参数92.4 步进电机的控制方式102.5 步进电机的驱动方式11第三章 转速测量系统的原理163.1 转速测量原理163.2 转速测量的方法17第四章 系统硬件设计23 4.1 89C51单片机的介绍23 4.2 复位电路23 4.3 时钟电路24 4.4 显示电路25 4.5 HD7279接口27 4.5 键盘电路29第五章 系统软件设计305.1 主程序初始化305.2 主程序流程图、程序流程图32 总 结34参考文献35致 谢36 第一章 绪 论 1.1 简 介 步进电
4、机是数字控制电机，将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下，根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差，因此步进电机适用于单片机控制。步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的驱动。 智能化转速测量可以对电机的转速进行测量，电机在运行的过程中，需要对其平稳性进行监测，适时对转速的测量有效地可以反映电机的状况。当我们对步进电机的驱动
5、和转速测量的转速、转动方向等进行控制使其在一定范围内运行从而满足在工程实践中的各种需求。1.2 系统的总体结构设计方案的主要模块：电源模块、单片机控制模块、步进电机模块、测量转速模块、运行按键模块、LED显示模块。总体设计框图如图1.2所示。 电 源 模 块 键盘控制模块八位LED显示模块 AT 89C51 步进电机 测量转速 如图1.2 总体设计框图 第二章 步进电机的基本原理2.1 步进电机的介绍 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机是机电
6、一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的
7、脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。 选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机械快速移动的需要。 2.2 步进电机的分类 一、按工作原理分为反应式 、永磁式 、混合式 （Hybrid） ） 三种。 (1)、 反应式步进电动机：转子铁芯用硅钢片或是软磁性材料做成，没有励磁绕组； (2)、 永磁式步进电动机：转子铁芯是用永久性磁铁做的，没有励磁绕组。 (3)、 混合式步进电机： 混合式步进
8、电机综合了反应式 、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。 二、按输出转矩大小分为 (1)、快速步进电机 （ 输出扭矩0.074N.m ）,可控制小型精密机床的工作台； (2)、功率步进电机（ 输出扭矩540N.m ），可直接驱动机床移动部件。 三、按励磁相数分有二、三、四 、五 、六 、 八相等。2.3步进电机的基本原理和参数 图2.1是最常见的三相反应式步进电机的剖面示意图。 2.1三相反应式步进电机的结构示意图 1定子 2转子 3定子绕组 电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60。各磁极上套有线圈，
9、按图2.1连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为E=360/40=9，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图2.1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3；此时A、C磁极下
10、的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3。依次类推，当三相绕组按ABCA顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按ACBA顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角b为30。三相步进电机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按ABBCCAAB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按AABBBCCCAA顺序循环通电的方式。六拍运
11、行时的步矩角将减小一半。反应式步进电机的步距角可按下式计算： b=360/NEr (1)式中 Er转子齿数； N运行拍数，N=km，m为步进电机的绕组相数，k=1或2。2.4 步进电机的控制方式 步进电机控制虽然是一个比较精确的，步进电机开环控制系统具有开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的CP脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。系统可用两种方法实现步进电机的速度控制。一种是延时，另一种是定时。延时方法是再每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的CP脉冲或换向周期。该方法简单
12、，占用资源烧，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同的速度运行。但占用CPU时间长，不能在运行时处理其他工作。因此只适合较简单的控制过程。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出CP脉冲的周期。当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出是，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序，将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。由于从定时器装载完重新启动开始至定时器申请中断止，有一定的时间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误差，实现精度定时，要对重装的计
13、数初值作适当的调整。在某些时候，需要更多的可靠性、安全性或产品质量的保证，因此，闭环控制也是一种选择，一下是一些实现步进电机的闭环控制的方法： （1）步进确认，这是最简单的位移控制，使用一个低值的光学编码器计算步进移动的数量。一个简单的回路与指令校验，验证步进电机移动到预计的位置； （2）反电动势，一种无传感器的检测方法，使用步进电机的反电动势信号，测量和控制速度。当反电动势电压降至监测探测水平时，闭环控制转为标准开环，完成最终的位移移动； （3）全伺候控制，指全时间的使用反馈设备，勇于步进电机编码器、解码器或其它反馈传感器上，从而更为精确的控制步进电机位移和转矩。 2.5 步进电机的驱动方式 不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电机驱动器，如图2.2所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电机直接耦合，也可理解成步进电机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。图2.2步进电机驱动控制器 1.单电压功率驱动接口实用电路如图2.3（a）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
