步进电机设计.

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1、黑龙江八一农垦大学课程报告课 程 题 目 院 系 专业班级 学生姓名 学生学号步进电信息技机的设计 支术学院电气工程及其自动化孙玉栋20084073308控制电机2011年6月30日步进电机的设计内容摘要步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件， 与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中 获得了广泛的应用。本文首先简单的介绍了步进电机的发展概况、特点及工作原理。包括步进电 机的控制方式和驱动方式作了系统说明，给出了系统设计的总体方案，以及本系 统的特点和功能。然后以 AT89C2051单片机为主控制器，详细介绍了基于该单片 机的步进电机的控

2、制系统。在此基础上对外围电路：键盘电路、动态扫描LED显示电路及步进电机的恒流斩波驱动电路、看门狗电路等各个模块的电路进行详细的设计。接着阐述了步 进电机软件控制的开发的流程和程序设计。同时给出了三相六拍步进电机的正反 转、速度控制的程序清单。本文采用软硬件结合的方法，达到了对步进电机的最 佳控制。关键词：步进电机；单片机；动态扫描；恒流斩波；I步进电机的设计目录内容摘要1引言1第1章步进电机的概述 31.1步进电机的特点31.2步进电机的分类31.3反应式步进电机的工作原理 5第2章步进电机的控制系统及硬件设计 72.1常见步进电机控制系统72.2步进电机驱动技术的基本类型 72.3本系统的

3、特点82.4本系统功能9第3章系统的硬件设计103.1系统组成103.2 系统核心 AT89C2051 103.2.1 AT89C2051 简介103.2.2 系统端口分配 123.3外围电路设计123.3.1 显示电路设计123.3.2 键盘电路设计 133.3.3看门狗复位电路143.4步进电机的驱动电路153.4原器件清单16第4章系统软件设计 174.1系统软件主流程 174.2系统运行流程184.3冗余指令184.4系统说明主要资源分配19441软件说明19442系统主要资源分配和各标志位定义 19结论21参考文献22附录23步进电机的设计引言历史证明，一个国家的制造业水平在很大程度

4、上可以体现国家的实力，国家的发展也在很大程度上依赖于先进的制造业，所以大多数国家都非常重视大力发展制造业，二战后，计算机控制技术、微电子技术、信息和自动化技术有了迅速的 发展,并在制造业中得到了愈来愈广泛的应用，先后出现了数控(NC)、计算机数控(CNC)、柔性制造单元 (FMC)、柔性制造系统 (FMS)、计算机辅助设计与制造 (CAD/CAM)计算机集成制造系统(CIMS)等多项先进制造技术与制造模式,推动着 世界制造业进入一个崭新的阶段。而在这些技术环节中，具有很多优点的步进电机就是一个重要角色，比如在数控技术中。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件。在非超载的情况下

5、，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，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。由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有 周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机 来控制变的非常的简单。这就是步进电机的优点。正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中。例如： 打印机、纸带输送机构、卡片阅读机、主动轮驱动机构和存储器存取机构等。步进电机也在军用仪器

6、、通信和雷达设备、摄影系统、光电组合装置、阀门 控制、数控机床、电子钟、医疗设备及自动绘图仪、数字控制系统、工具机 控制、程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。因而，对于步进 电机控制的研究也就显得重要了。上世纪年代以后，由于微型计算机以多功 能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多。原来的步进电机控 制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂还要消 耗大量元器件。而且，一旦定型之后要改变控制方案就一定要重新设计电路， 不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进 电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机 己经成

7、为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工 作要求的情况下，尽量使控制系统做到：1. 系统硬件结构简单，成本低。2. 功能较为齐全。3. 适应性强。4. 电机运行状态、速度指示一目了然、操作方便。5. 系统抗干扰和可靠性高。本论文就是采用这个思路进行设计。采用单片机的软件和硬件结合进行 控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵 活的对步进电机进行控制。实现其正反转、转速等控制。如果需改变控制要 求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技 术，把LED显示电路和键盘电路有机的结合

8、起来，既节约了单片机的端口, 又能做到一定的人机交换。而且为了抗干扰，提高可靠性，加入看门狗电路, 在软件设计上加入去抖动，因此具有一定的应用价值。#第1章步进电机的概述1.1步进电机的特点步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称step motor 或stepping motor 、pulse motor 、stepper motor 等。步进电机有以下特点：1. 可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。2. 直接接收数字信号，不必进行数模转换，使用方便。3. 位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以要求更高精度时

9、组成闭环控制系统。4. 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。5. 易于起动、停止、正反转及变速，响应性也好。6. 停止时，可有自锁功能。7. 步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在低速下以高转矩运行，因而可以不经减速器直接驱动负载工作。8. 速度可以在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步运行。9. 不能直接使用普通的交流电源驱动。1.2步进电机的分类步进电动机分为：机械式、电磁式和组合式三大类。电磁式步进电机可分为：反应式、永磁式和混合式三大类。按相数分则可分为：单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步

10、进电机。1. 反应式步进电机这种类型的步进电机已经存在很长时间，这可能是最容易理解。从结构上看， 图1显示了一个典型的VR截面步进电机。这种电机由一个软铁多齿转子和定子缺 口。当定子绕组通电，有直流电流的两极被磁化。转子旋转时发生牙齿被吸引到 通电定子磁极。图1反应式步进电机的截面图图2反应式步进电机图3混合步进电机的截面图4永磁式步进电机2. 永磁式步进电机永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的 极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗 功率小相比反应式，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。3. 混合式步进电机混合式与反应式

11、相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而 定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能 ，因此该电机效率 高,电流小,发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用 比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。最常用的两种类型的步进电机的永久磁铁和混合型。如果设计师是不知道哪 种类型最适合他的申请将要求他应该首先评估下午类型，它通常是更便宜的好几 倍。如果没有那么混合发动机可能是正确的选择。也有一些特殊的步进电机的设计。一个是光盘永磁电机。在这里，转子设计 为具有稀土磁铁盘，例如非常低的惯性和优化，两者之间没有定子绕组耦合磁流 路的一些优势。这

12、些品质是至关重要的一些应用。1.3反应式步进电机的工作原理反应式步进电机结构如图2-1所示，它的定子具有均匀分布的六磁极,磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，联法如图2-1所示。A图2-1反应式步进电动机的结构示意图下面介绍反应式步进电机三相六拍通电方式的基本原理。设A相首先通电，转子齿与定子A、A对齐（2-2a）。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B极对转子2、4产生齿拉力，使转子顺时针方 向转动，但是A、A极继续拉住齿1、3,因此，转子转到两个齿拉力平衡为止。 这时转子的位置如图2-3b所示，即转子从图2-2a位置顺时针转过了 15 .接着A 相断电,B相继续通电。这时转

13、子2、4齿和定子B B极对齐（图2-2c）,转子从 图4b的位置又转过了 15。其位置如（图2-2d）所示。这样，如果按AA、B B f B、C C C A A ,的顺序轮流通电,则转子便顺时针方向一步一步地转动,步距角15。电流换接六次,磁场旋转一周,转子前进了一个齿距角。如果按A A C C C、B Btb A A,的顺序通电,则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。（C）ACAB(d)a.A相通电b.A、B相通电c.B相通电d.B、C相通电图22六拍通电时转子位置第2章步进电机的控制系统及硬件设计2.1常见步进电机控制系统1. 基于电子电路控制步进电机受电脉冲信号控制 ，电脉

14、冲信号的产生、分配、放大全靠电子元 器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成 步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电 机的细分任务。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出 数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高2. 基于单片机控制采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用 软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大 量的外围电路，键盘作为一个外部中断源 ，设置了步进电机正转、 反转、档次、 停止等功能。显示器及时显示正转、反转、速度等状态。基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案2.2步进电机驱动技术的基本类型目前为止，步进电机驱动技术通常分为：单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。1. 单压驱动单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动 方式结构简单、成本低。缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，