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1、第1章 引言1.1 步进电机控制的现状步进电机是机电设备中广泛使用的一种电机，以控制、驱动装置构成的步进电机伺服系统在经济型数控机床、机器人、工业过程控制及仪器仪表等领域得到了广泛的应用。过去由纯电路设计的步进电机控制和驱动电路，往往电路结构复杂，使用元器件多而成本高且通用性差。如果采用微型计算技术，以及软件编程的方法，将会避免复杂电路的设计，降低元器件的成本，使步进电机控制更具有通用性和灵活性。这次设计是基于AT89C51单片机的步进电机伺服系统，是以单片机作为步进电动机的下位控制、微机作为上位控制的一套系统，同时采用MAX232通讯模块将上位机和下位机两个部分连接，用以传输数据，实现对步进
2、电机转向、转速及转角的有效控制。系统采用MCS-51系列单片机，电路简单可靠，结构紧凑，整个系统的性能优于传统的步进电机控制器。对于不同型号的步进电机的控制，不需改变硬件电路，通过修改软件，即能实现多种控制，灵活方便，通用性强，成本低，具有广阔的应用领域1。1.2 步进电机的特点步进电动机区别于其他用途电动机的最大特点是，它接收数字控制信号（电脉冲信号），并转换成与之相对应的角位移或直线位移。它本身就是一个完成数字/模拟转换的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整，因此，
3、随着运动控制系统数字化到来，步进电动机的应用日益广泛。例如，在计算机外围设备（如打印机、磁盘驱动器、数字绘图仪、纸带穿孔机）、现代办公室设备（如复印机、传真机）、各种自动机、仪器设备、材料输送机、数控机床、工业机器人等中获得大量应用。与之相适应，各国半导体厂商开发生产了大量适用与步进电动机控制的专用集成电路。1.3 本设计需要解决的问题本设计主要解决如下三个问题：1、设计通过硬件实现脉冲分配，用脉冲分配器芯片实现单片机定时器控制脉冲的产生。2、控制电机的转速和方向的时候，单片机需向脉冲分配器发送步进脉冲和控制旋转方向的电平信号。3、为了提高电机在启动时的响应速度，通过高低压驱动电路,解决了电机
4、绕组电感作用较强产生的脉冲范围内平均电流太小的问题。1.4 本设计的优越性以往的步进电动机控制中，没有或极少对相绕组的阻尼问题加以解决，而直接利用单片机实现软件脉冲分配。在本设计中，通过方案论证、比较，从可行性，实用性等方面加以考虑，使控制方案更加完善。以微机作上位控制、单片机作下位控制的步进电机伺服系统结构合理，可靠性和灵活性高，成本低，能较好地完成多种实时控制任务，具有较好的推广和应用前景。第2章 步进电机控制原理2.1 步进电机概述步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为控制执行元件， 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和精密机械等领域。随着电子
5、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2。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进
6、电机获得最多的应用。2.2 步进电机基本原理 步进电机两相邻磁极间的夹角60。线圈绕过相对的2个磁极，构成一相(A-A，B-B，C-C)。磁极上有5个均匀分布的矩形小齿，转子上没有绕组，而有40个小齿均匀分布在其圆周上，且相邻2个齿之间的夹角为9。当某组绕组通电时，相应的2个磁极就分别形成N-S极，产生磁场，并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子没有对齐，则在磁场的作用下转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对齐，从而使步进电机向前“走”一步。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：1控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工
7、作方式，其各相通电顺序为A-B-C-A，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A-B-C-A相的通断。2 控制步进电机的转向如果给定工作方式正序通电换相，步进电机正转；如果按反序通电换相，则电机反转。3 控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机产生的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速3。2.3 步进电机控制方式如果通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。以
8、三相步进电机为例，电流脉冲的施加共有3种方式。单相三拍方式(按单相绕组施加电流脉冲):ABC正转;ACB 反转。双相三拍方式(按双相绕组施加电流脉冲):ABBCCA正转;ACCBAB反转。三相六拍方式(单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲):AABBBCCCA正转;AACCCBBBA反转。单相三拍方式的每一拍步进角为3，三相六拍的步进角则为1.5，因此，在三相六拍下，步进电机的运行反转平稳柔和，但在同样的运行角度与速度下，三相六拍驱动脉冲的频率需提高1倍，对驱动开关管的开关特性要求更加高。2.4 步进电机驱动方法步进电机常用的驱动方式是全电压驱动，即在电机移步与锁步时都加载额定电压。为了防止电机
9、过流及改善驱动特性，需加限流电阻，由于步进电机锁步时，限流电阻要消耗掉大量的功率，故限流电阻要有较大的功率容量，并且开关管也要有较高的负载能力。所以在此次设计中采用高低压驱动，这是另一种步进电机的驱动方式，即在电机移步时，加额定或超过额定值的电压，以便在较大的电流驱动下，使电机快速移步；而在锁步时，则加低于额定值的电压，只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样，既可以减少限流电阻的功率消耗，又可以提高电机的运行速度，但这种驱动方式的电路要复杂一些。驱动脉冲的分配可以使用硬件方法，即用脉冲分配器实现。步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配)也可以使用软件方法，即用单片机以软件方式驱动步进电机的实现
10、方法。第3章 控制方案论证本设计的重点在于对步进电动机的控制和驱动，设计中被控制的电机为57BYG069型号的三相步进电机。3.1 系统控制方案方案一：使用PMM8713脉冲分配器参与控制电机。其原理如图3-1所示。PMM8713 单 片 机 步进电动机 高低驱动电路 图3-1方案一原理示意图 PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。该器件采用DIP16封装，适用于二相或四相步进电机。PMM8713在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式（1相励磁，2相励磁，1-2相励磁三种励磁方式之一），每相最小的拉电流和灌电流为20mA，它不但可满足后级功率放大器的要求，而且在所有
11、输入端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强。在PMM8713的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。PMM8713有两种脉冲输入法：双脉冲输入法和单脉冲输入法。采用双脉冲输入法的连线方式，其中CP、CU两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲。当采用单脉冲输入法时CK为时钟脉冲输入，步进电机的正反转方向由U/D的高、低电位决定。片中的激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。激励方式判断电路用于输出检测；而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序信号4。PMM8713的芯片结构和封装原理如图3-2所示。 Vdd PMM8713CoCu时钟选通Em激
12、 励 判 断Cp1234可逆环型计数Ck2U/DEa激励方式控制RCEss图3-2 PMM8713的芯片结构和封装原理通过PMM8713脉冲分配器把控制信号自动的分配到电机的各相，既可以接三相、四相电机，又提高了CPU的利用率，使CPU有时间去从事其他工作。使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大要求，放大后能够得到较大的功率。方案二：使用L298N芯片控制电机。其原理如图3-3所示。单片机L298N步进电动机图3-3 方案二原理示意图L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压，但在电机已选定的情况下，输出方
13、式不能灵活地改变，且单片机要不停地发送脉冲，CPU利用率不高。通过对两种控制方案的比较与论证，方案一充分发挥了硬件的功能，在控制的时候更加直接，反应更加迅速，能提高步进电机启动时的响应速度，稳定地驱动步进电机，最后得出结论在设计中选用方案一。第4章 系统硬件设计综合以上选取的方案，总的系统原理示意图如图4-1所示。单 片 机 PMM8713 2SD1414 4位键盘 保护电路 步进电动机 发光二极管 PC机MAX232图4-1 系统原理示意图本文设计所采用方案原理分析如下（电路原理图见附录2）：由键盘输入需要的电机转向和转速以及方式控制值，按下确定键后，输入的速度值经程序转换成十六进制数作为单
14、片机中定时器T1的初值并从二极管中显示出来，启动单片机内部定时器T1当定时器产生溢出时，向CPU申请中断，CPU执行中断服务程序，变换P1.0的电平。循环地变换P1.0的电平，单片机就可以发出所需频率的方波控制信号。方波信号频率决定了电机转速，方波信号由脉冲分配器的3引脚输入。电机转向由单片机的P1.1输出进行控制，信号送入脉冲分配器，控制脉冲分配器输出正或反相序的脉冲信号，相序的方向决定电机的转向，实现了电机的正反转控制。步进电机各相绕组通电方式控制由单片机的P1.2、 P1.3、 P1.4输出，信号分别由脉冲分配器的引脚5（EA）、引脚6（EB）、引脚7（c）输入，其中引脚5和引脚6的输入
15、决定了电机的节拍方式，引脚7的输入决定了脉冲的三相或四相输出。从脉冲分配器的输出控制系统的驱动电路。此处，以电机绕组的其中一相为例说明驱动部分电路原理，当Q1输出高电平时，高电压电路的晶体管T9、T2和T1导通（2SD1414中有D1、D2、D3和D4四个晶体管）， Uv(24V)电压就加到绕组L1上。同时，Uv和Ucc同时加到二极管D9的两侧，低压侧Ucc (8V)被迫截止。由此，绕组L1中就会有较大的电流，电流迅速上升，克服了绕组的阻尼作用。当电流值上升到驱动的额定电流值，NE555输出的短时间脉冲变为低电平，高压驱动电路中T2和T1就截止，此时，二极管D9导通，低压驱动电路工作，电机工作在额定电压下。在Q1信号消失前步进电机就完成了一个步距角，再来一个信号步进电机又前进一个步距角，这样重复以上动作，使电机不停的运转起来，通过控制绕组的通电
