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1、（学校名称）毕业设计（论文）( *届 )题目：步进电机的驱动及控制 系 别 *分院 专业班级 *班 学生姓名 * * * 学 号 导师姓名 成 绩 年 月 日目录摘要2一、引言3（一）论文的研究意义2（二）论文的主要内容2（三）设计要求2（四）设计目的2二、步进电机介绍4（一）种类4（二）工作原理4（三）驱动方法51、单电压功率驱动接口 52、双电压功率驱动接口 63、高低压功率驱动接口 64、斩波恒流功率驱动接口75、升频升压功率驱动接口76、集成功率驱动接口7（四）步进电机优缺点9三、步进电机的速度控制9（一）工作原理9（二）硬件原理框图9（三）硬件原理图（见附录一）10（四）硬件原理介绍
2、10四、软件设计流程和描述12（一）主程序流程图12（二）延时程序流程图14（三）源程序代码（见附录二）14五、总结15附录17参考文献23致谢24步进电机的驱动及控制* *班 姓名指导教师：*摘要：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
3、加速度，从而达到调速的目的。关键词:电机 脉冲 频率 脉冲频率一、 引言步进电机是一种将脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的控制电机, 它能够在不涉及复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度，并由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差等优点,在民用、工业用的经济型数控定位系统中获得了广泛的应用,具有较高的实用价值。为了强调本论文的实用性及可行性，说明了步进电机的构造、工作原理及驱动；回顾了步进电机在国内外发展及应用的概况；分析了本论文所要重点研究的SPWM(正弦脉冲宽度调制)细分驱动、及升降频运动控制等关键技术；最后，介绍了本论文的研究内容以及其它章节的结构安排。（一）论文的研究意义步进电机是工业
4、控制中的主要控制元件之一，具有快速启停、精确步进及直接接收数字量的特点。步进电机实际上是一个脉冲/角度转换器，在步进电机控制系统中，脉冲分配器产生周期性的脉冲序列，步进电机每接受到一个脉冲，就沿规定方向走一步。通过本次实验我能够更加熟悉应用可编程外围接口芯片8255A、可编程计数器/定时器8253、ADC0809。同时更加了解步进电机的工作原理、控制方法及其应用。（二）论文的主要内容以8088CPU为核心，扩展8255A及相应的接口电路。产生步进电机所需的脉冲系列，该脉冲系列经驱动电路后,直接驱动步进电机，实现速度调节及方向控制，进行功能扩展后我设计的系统能实现的功能：通过四个开关和一个外接电
5、路的旋钮来控制步进电机的正反转及速度的调节，其中一个开关S1控制步进电机的开启，一个开关S2控制步进电机的正反转，剩下的两个开关S2,S3的前三种组合00，01，10控制三种不能调的预先设定好的三个速度，第四种组合11，通过8255A和ADC0809将由外接电路的旋钮控制的一个连续可调电压信号采样有这个数值的大小来控制延时的长短从而控制步进电机的速度来实现无极调速。这个系统的特点就是：可设定三个固定常用的速度，和一个可无极调速的速度，操作简单可靠。（三）设计要求在本次设计中,要求独立完成设计，画出电路原理图，说明工作原理，画出电路板图，编写程序及程序流程图。1. 画出系统原理图，并分析工作原理
6、及过程。 2. 掌握步进电机工作原理。 3. 编制产生步进电机所需脉冲序列的秩序，给出流程图。 4. 设计电路板图。5. 获取实验结果。（四）设计目的通过该次学习可以使我们对步进电机一个全面的理解，它将起到让我学到新的知识、加强综合能力、提高系统设计水平、启发创新思想的作用。通过本次设计可以提高学生在电机与电气控制方面的实际工作能力。使学生学习的理论知识能应用到实际问题中，在实践中，巩固和加深对理论的认识。更重要学会面对一个实际问题，如何自己去搜集资料，如何自己去学习新的知识，如何自己去制定解决问题的方案并通过实践不断的分析解决道路上的一切问题，如此不断提高自身的能力。这也是本次设计应该达到的
7、目的。掌握8088CPU的最小工作模式的结构及其应用各管脚的含义，地址的分配、选择。熟练掌握8255A的初始化控制字的写入及更改，巧妙应用A口、B口、C口的功能，是它与实验板上的其它芯片更好的配合应用。熟练掌握可编程计数器/定时器8253的六种工作方式，各种方式控制字的写入，各种工作方式的特点，并能够熟练的加以应用。熟练掌握应用8255A与ADC0809的配合使用来进行数据采样。了解步进电机的工作原理，用程序实现脉冲分配器，并对步进电机进行顺序控制。更加熟悉应用汇编语言中的语句及用法，子程序的调用，模块化编写程序，和学会使用有关软件的应用编程、编译、调试、发现错误、修改错误总结经验，并且还要应
8、用汇编语言编写实用程序，控制一个实际的对象。二、 步进电机介绍（一） 种类目前常用的有三种步进电动机：1、反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。2、永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。3、混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、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）工作原理图2.1 三相反应式步进电动机的结构示意图1定子 2转子 3定子绕组图2.1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定
9、子上有六个均布的磁极，其夹角是60。各磁极上套有线圈，按图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
10、与转子齿对齐，恰好转子转过3；此时A、C磁极下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。三相步进电动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
11、按AABBBCCCAA顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动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为步进电动机的绕组相数，k=1或2。（三）驱动方法步进电动机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动机驱动器，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。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。图2.2 步进电动机驱动控制器1、单电压功率驱动接口实用电路如图2.3所示。在电
12、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，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。Rs对步进电动机单步响应的改善如图2.3(b)。图2.3 单电压功率驱动接口及单步响应曲线图2.4 双电压功率驱动接口2、双电压功率驱动接口双电压驱动的功率接口如图2.4所示。双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH驱动。这种功率接口需要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。图中，功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。当Uh低电平，
13、TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。反之Uh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。3、高低压功率驱动接口图2.5 高低压功率驱动接口高低压功率驱动接口如图2.5所示。高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，如图5所示。图中，高压管VTH的导通时间tl不能太大
14、，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取13ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。4、斩波恒流功率驱动接口恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。图6是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流不大时，VT1和VT2同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，VT2被封锁，电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管VD续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，VT2导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，如图2.6所示。图2.6 斩波恒流功率驱动接口斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u1是数字脉冲，u2是模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块
