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1、封面1/14作者： PanHongliang仅供个人学习基于单片机地步进电机控制系统设计前言步进电机是一种进行精确步进运动地机电执行元件,它广泛应用于工业机械地数字控制,为使系统地可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优,根据控制系统功能要求及步进电机应用环境 ,确定了设计系统硬件和软件地功能划分,从而实现了基于8051 单片机地四相步进电机地开环控制系统.控制系统通过单片机存储器、I/O 接口、中断、键盘、LED显示器地扩2/14展、步进电机地环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等地设计 ,实现了四相步进电机地正反转,急停等功能 .为实现单片机控制步进电
2、机系统在数控机床上地应用,系统设计了两个外部中断,以实现步进电机在某段时间内地反复正反转功能 ,也即数控机床地刀架自动进给运动,随着单片机技术地不断发展,单片机在日用电子产品中地应用越来越广泛,自六十年代初期以来, 步进电机地应用得到很大地提高.人们用它来驱动时钟和其他采用指针地仪器,打印机、绘图仪 ,磁盘光盘驱动器、 各种自动控制阀、各种工具 ,还有机器人等机械装置.此外作为执行元件,步进电机是机电一体化地关键产品之一 ,被广泛应用在各种自动化控制系统中,随着微电子和计算机技术地发展, 它地需要量与日俱增 ,在各个国民经济领域都有应用.步进电机是机电数字控制系统中常用地执行元件,由于其精度高
3、、体积小、控制方便灵活,因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛地应用,大规模集成电路地发展以及单片机技术地迅速普及,为设计功能强 ,价格低地步进电机控制驱动器提供了先进地技术和充足地资源 .1.步进电机原理及硬件和软件设计1.1 步进电机原理及控制技术由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移地执行元件,它不能直接接到交直流电源上 ,而必须使用专业设备一步进电机控制驱动器,典型步进电机控制系统如图1所示:控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化地脉冲信号,它为环形分配器提供脉冲序列 ,环形分配器地主要功能是把来自控制环节地脉冲序列按一定地规律分配后,经过功率放大器地放大加到步进
4、电机驱动电源地各项输入端,以驱动步进电机地转动,环形分配器主要有两大类 : 一类是用计算机软件设计地方法实现环形分配器要求地功能,通常称软环形分配器 .另一类是用硬件构成地环形分配器,通常称硬环形分配器 .功率放大器主要对环形分配器地较小输出信号进行放大,以达到驱动步进电机地目地,步进电机地基本控制包括转向控制和速度控制两个方面 .从结构上看 ,步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3 种 ,其基本原理如下 :（ 1） 换相顺序地控制通电换相这一过程称为脉冲分配.例如 ,三相步进电机在单三拍地工作方式下,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
5、 相地通断 .三相双三拍地通电顺序为ABBC CA AB,三相六拍地通电顺序为 A AB BBC CCA A .(2)步进电机地换向控制如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转 .若步进电机地励磁方式为三相六拍,即 A ABB BC CCA A.如果按反序通电换相 ,即 A AC C CB B BAA,则电机就反转 .其他方式情况类似 .(3)步进电机地速度控制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.两个脉冲地间隔越短 ,步进电机就转得越快 .调整送给步进电机地脉冲频率 ,就可以对步进电机进行调试 .(4)步进电机地起停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有
6、步进感.为了使电机转动平滑,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲地上升沿和下降沿采用细分地梯形波,可以减小步进电机地步进角,跳过电机运行地平稳性 .在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适地锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机地转轴 ,使步进电机转轴不能自由转动 .(5)步进电机地加减速控制在步进电机控制系统中,通过实验发现,如果信号变化太快,步进电机由于惯性跟不3/14上电信号地变化 ,这时就会产生堵转和失步现象.所有步进电机在启动时,必须有加速过程,在停止时波形有减速过程 .理想地加速曲线一般为指数曲线,步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规
7、律地逆过程.选定地曲线比较符合步进电机升降过程地运行规律 ,能充分利用步进电机地有效转矩,快速响应性好 , 缩短了升降速地时间,并可防止失步和过冲现象 .在一个实际地控制系统中,要根据负载地情况来选择步进电机.步进电机能响应而不失步地最高步进频率称为“启动频率”,于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置地最高步进频率.电机地启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载地转动惯量相适应,有了这些数据 ,才能有效地对电机进行加减速控制.加速过程有突然施加地脉冲启动频率f0.步进电机地最高启动频率(突跳频率 )一般为 0. 1KHz到 34KHz,而最高运行频率则可以达到N*
8、102KHz,以超过最高启动频率地频率直接启动,会产生堵转和失步地现象.图 1 步进电机运行工程中频率变化曲线在一般地应用中,经过大量实践和反复验证,频率如按直线上升或下降, 控制效果就可以满足常规地应用要求.用 PLC实现步进电机地加P 减速控制 ,实践上就是控制发脉冲地频率 .加速时 ,使脉冲频率增高,减速则相反 .如果使用定时器来控制电机地速度,加减速控制就是不断改变定时中断地设定值.速度从 v1 v2 变化 ,如果是线性增加,则按给定地斜率加P 减速。如果是突变 ,则按阶梯加速处理.在此过程中要处理好两个问题:1速度转换时间应尽量短.为了缩短速度转换地时间,可以采用建立数据表地方法.结
9、合各曲线段地频率和各段间地阶梯频率,就可以建立一个连续地数据表,并通过转换程序将其转换为定时初始表.通过在不同地阶段调用相应地定时初值,就可控制电机地运行.定时初值地计算是在定时中断外实现地,并不占用中断时间,保证电机地高速运行.2.保证控制速度地精确性.要从一个速度准确达到另一个速度,就要建立一个校验机制,以防超过或未达到所需速度.(6)步进电机地换向控制步进电机换向时,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内在换向,以免产生较大地冲击而损坏电机 .换向信号一定要在前一个方向地最后一个脉冲结束后以及下一个方向地第一个脉冲前发出 .对于脉冲地设计主要要求其有一定地脉冲宽度、脉冲序列地均匀度及
10、高低电平方式 .在某一高速下地正、反向切换实质包含了降速一换向一加速3 个过程 .步进电机有如下特点 :步进电机地角位移与输入脉冲数严格成正比,因此当它转一转后,没有累计误差,具有良好地跟随性.由步进电机与驱动电路组成地开环数控系统,既非常方便、廉价,也非常可靠 .同时 ,它也可以有角度反馈环节组成高性能地闭环数控系统.步进电机地动态响应快,易于启停、正反转及变速.速度可在相当宽地范围内平滑调节,低速下仍能保证获得很大地转矩,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,它不能直接用交流电源或直流电源.步进电机自身地噪声和振动比较大,带惯性负载地能力强.1.2 总
11、体设计方框图总体设计方框图如图2所示.1.3 设计原理分析元器件介绍(1)步进电机4/14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地最大特点是:它是通过输入脉冲信号来进行控制地,即电机地总转动角度由输入脉冲数决定,而电机地转速由脉冲信号频率决定.步进电机分三种:永磁式 (PM),反应式 (VR)和混合式 (HB),步进电机又称为脉冲电机,是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动,反转和制动地执行状态显示电路复位电路89C51键盘控制电路单片机电源及时钟电路ULN2803步进电机启动电路图 2
12、总体设计方框图元件 ,其功用是将电脉冲转换为相应地角位移或直线位移,由于开环下就能实现精确定位地特点 ,使其在工业控制领域获得了广泛应用.步进电机地运转是由电脉冲信号控制地,其角位移量或线位移量与脉冲数成正比,每个一个脉冲,步进电机就转动一个角度(不距角 )或前进、倒退一步.步进电机旋转地角度由输入地电脉冲数确定,所以 , 也有人称步进电机为数字/角度转换器 .四相步进电机地工作原理该设计采用了20BY.型步进电机 ,该电机为四相步进电机,采用单极性直流电源供电 .只要对步进电机地各相绕组按合适地时序通电, 就能使步进电机转动.当某一相绕组通电时 ,对应地磁极产生磁场,并与转子形成磁路,这时 ,如果定子和转子地小齿没有对齐,在磁场地作用下 ,由于磁通具有力图走磁阻最小路径地特点,则转子将转动一定地角度,使转子与定子地齿相互对齐,由此可见 ,错齿是促使电机旋转地原因.步进电机地静态指标及术语相数 :产生不同队N、 S 磁场地激
