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1、 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 二相步进电机控制系统设计1步进电机介绍1.1步进电机特点 步进电机(stepping motor)是将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的一种特殊电机。电动机每输入一次电脉冲信号，电动机就转动一个角度，从而形成不仅是的运动，所以称为步进电动机；另外由于输入的是脉冲电流，故也称脉冲电动机。 随着科学技术的发展，步进电动机获得了广泛的应用。步进具有很多优点也有不少缺点，步进电机的特点主要由下面几点： 1 步进电机的输出脚与输入脉冲的个数成正比，控制输入的脉冲数就能控制位移量。 2 步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，改变通电相序即可改变电动机转向。步
2、进电机启动、停止迅速，当停止脉冲输入时，若维持绕组内电流不变，电动机转子会保持在停止时的位置上。 3 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且误差不会累积。 4 步进电机外表允许的温度高。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。 5 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
3、速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 6 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。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）。 7 步进电机的确定是效率地，带负载能力低，调速范围小，最高输入脉冲频率一般不超过18KHZ，并且需要专用电源给电脉冲信号，在运行中会出现共振和震荡问题。1.2步进电机工作原理
4、 步进电机是一种用电脉冲进行控制 ,将电脉冲信号转换成相位移的电机 ,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比 ,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度 ,脉冲的频率决定了电机运转的速度.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。 对于反应式步进电机转速与脉冲频率的关系为： 式中：为脉冲频率，单位是HZ。N为电机运
5、行拍数、z为转子齿数。 对于反应式步进电机的步距角为： 式中：N为步进电机运行拍数，z为转子齿数。对于二四相电机齿数一般为50。1.3 二相步进电机 根据设计要求本设计设计对象是二相步进电机，有两组带中心抽头的线圈，因为设计要求采用双极性控制即H桥控制，绕组的中心抽头不接，使用四线工作。二相六线制步进电机如图：图1 二相六线制步进电机结构示意图 图中、为绕组的中心抽头，、为四个绕组出线端。对各绕组施加通电脉冲，转子会在电磁力的作用下向磁导率最大即趋于对齿的状态转动，由于各相是有选择性的通电且通电时间是有限的，对各绕组在各拍下按某种既定的通电顺序通电即可以使电机转动，调整对各绕组施加的脉冲频率可
6、以调整电机转速大小，改变各绕组通电顺序即可以调整其转动方向。通过改变绕组通电顺序组合可以改变电机运行拍数。 二相步进电机运行状态有二相四拍与二相八拍两种运行状态，其中四拍又分为单四拍与双四拍。本设计中四拍选择双四拍方式。 二相四拍正转各绕组通电顺序为： 单四拍： 双四拍：。 二相四拍反转各绕组通电顺序为： 单四拍： 双四拍： 二相八拍各绕组通电顺序为： 正转： 反转： 步进电机运行有半步与整步两种，对于二相步进电机四拍运行时为半步，步距角为1.8度，八拍运行时为半步运行方式，步距角为0.9度。步距角越小控制精度越高。2 题意分析与方案论证2.1 题意分析 设计题目要求采用双极性控制设计一个二相
7、步进电机控制系统，要求具有对电机开关、正反向控制、拍数控制以及速度控制，并且系统能够实时显示电机运行步数以及用发光二极管表征电机运行状态：正转、反转和停止。可以设计一个以单片机为核心的微型计算机系统实现设计。通过按键输入用户对电机的控制要求，单片机读取按键信息并进过处理调用相应的模块输出到驱动芯片完成对电机的控制，同时调用单片机内相应程序采用动态扫描的方式将运行步数通过四位数码管实时显示。单片机输出相应的量实现对发光二极管的控制，显示电机运行状态。2.2 设计方案的确定 2.2.1 控制部分 步进电机是将电脉冲信号转换成响应的角位移或者线位移的数字控制电机，按照输入脉冲指令旋转，脉冲数决定旋转
8、位移的大小，脉冲频率决定旋转速度，并能在很宽的范围内调速。其控制可以用硬件电路和以微型计算机为核心的控制系统两种方式实现。由于步进电机可以将输入的数字脉冲信号转换成相应的角位移，所以很适合采用计算机控制。而且硬件方式每种电路实现的控制功能较为单一，这会导致改变控制功能时还要重新设计硬件电路，灵活性较差，应用起来比较麻烦并且会增加成本。而微型计算机控制系统怎么属于软硬件结合的控制方式，少量的硬件连接和软件实现控制完成主要控制功能，灵活性很大，性价比高。所以本电路采用AT89C51单片机来实现电机的控制。 单片机通过数据线进行与驱动电路的数据传送，硬件连线只需连接信号传输线路即可，对电机的运行状态
9、等各项控制要求通过软件实现。单片机通过按键接受用户对电机的运行要求，后通过自身程序调用对驱动电路进行控制，使驱动电路进行相应的绕组通电操作以完成各种用户要求。 步进电机的控制是由单片机产生的脉冲频率实现的，可以调整单片机向发出的时钟脉冲来实现调速。根据这个原理可以采用延时和定时两种方法改变响应脉冲的方波，一到达调速的目的。不过由于延时方法一般通过软件实现占用CPU时间长，同时不能再在运行时处理其他工作，一般适合较简单的控制过程。所以一般采用定时方式产生脉冲，定时方式采用中断方式，只有特定时才占用CPU，可以明显提高系统响应速度。同样利用软件可以实现设计要求的功能。2.2.2 驱动电路部分 用于
10、步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过CPU直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动；别一种是通过CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。固本次设计应采用CPU间接驱动步进电机。 任务要求驱动采用双极性（H桥）控制（不适用电机绕组中心抽头），本设计采用芯片L298来控制电动机的驱动系统。L298是双H桥驱动器,此驱动系统需要的时间很少，降低装配成本。关于脉冲分配以及对步进电机的各种控制操作由软件控制完成，实现了对步进电机灵活均衡的控制。2.2.3 数码管部
11、分 电路采用四位数码管显示步进电机实时运行步数，电路采用共阴极四位数码管，数码管驱动采用CD4511驱动芯片，CD4511是专门驱动共阴极数码管的芯片，它接受BCD码的形式控制输入，输出驱动七段数码管。 系统原理框图如下：图2 系统原理框图3 硬件电路设计3.1 控制部分 3.1.1 芯片介绍 本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFAlsh ProgrAmmABle And ErAsA
12、Ble ReAd Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 下图为AT89C51管脚图： 图3 AT89C51管脚图 单片机基本组成：8位中央处理器CPU，进行运算和逻辑控制；共256个内部RAM单元，用于存放可读写数据；4K掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格；两个16位定时/计数器，实现定时或计数功能；4个
13、8位的I/O口P0、P1、P2、P3；含有2个外部中断、2个定时器中断和一个串行中断的中断控制系统；可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ的时钟电路 引脚简介：XTAL1、XTAL2：晶振输入端。 RST： 复位引脚。 并行口：P0、P1、P2、P3。 ：为1时，访问内部程序存储器。为0时，值访问外部程序存储器。 ALE：地址锁存控制信号。：外部ROM选通信号。3.1.2 原理分析 本设计以AT89C51为核心组成控制系统，单片机通过XTAL1、XTAL2外接12MHZ的晶振构成单片机的工作频率，由于系统不需外部ROM扩展，进行软件操作时只需要用到内部程序存储器，所以管脚接直流电
14、源。复位键不使用通过电容接地。外部ROM读选通信号引脚和地址锁存控制信号引脚用不到，悬空不接。五个引脚通过上拉电阻接按键开关，完成对用户控制要求的输入，与芯片L298的输入分别相接，完成单片机对步进电机各种控制的要求的实现。输出到四位数码管的位选引脚，完成对数码管位选的控制，输出到CD4511数码管驱动器的输入端，完成对数码管数字显示的控制。各并行口的输出与键位开关状态有关。AT89C51连线示意图如下：图4 AT89C51接线示意图 按键K0控制电机运行双四拍方式，按键K1控制电机运行为八拍方式，按键K2控制电机的启动与停止，按键K3控制电机的正反转，按键K4控制电机运行速度的快慢。单片机通
15、过不断的检测口的电位判断按键是否被按下，检测值为1表示按键没有被按下，检测值为0怎么表示按键被按下。当K2未按下前其他按键无效，K2按下后，其他几个键输入有效，若无K0和K1键按下，单片机输出低电平至P0.4，P0.5，绿灯亮表示此时电动机为不转状态。K0键被按下时，单片机调用单四拍工作程序，从输出对电机进行控制，K1按下时，单片机调用八拍工作程序，将控制字输出到。设定默认K3没有按下时电机运行正转，按下后反转；默认K4没有按下时表示电机运行速度慢，按下后电机转速变快。当K2按下并且K0或K1按下后，检测到K3按下，则P0.5输出高电平，触发三极管黄灯亮，表示电机反转，并调用反转子程序；若没有检测到K3被按下则P0.4输出高电平，触发三极管红灯亮，表示电机正转；若检测到K4键被按下则调用高速运行程序，若没有检测到按键按下则不作操作。电动机运行过程中都要实时检测电机运行步数，并通过数码管显示出来。3.2 电机驱动部分3.2.1 L298芯片 L298为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver
