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1、 微机原理与接口技术课程设计 题 目: 小型四相步进电机驱动 班 级: 机械类11206 姓 名: 同组者: 机械工程与自动化学院基于单片机的步进电机升降频控制摘 要步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。由于步进电机
2、是靠输入脉冲来控制其运转的，本文采用单片机来控制步进电机。单片机将各种功能部件集成在一块芯片上，可靠性和抗干扰能力比较强，其输出的高低电平易于实现对步进电机的控制。采用单片机控制既能减少硬件开销，也克服了硬件设计中一些元器件不能灵活变动和容易变值的缺点。大量实践证明，对于不同功率的步进电机，简单统一的直线升频技术，不能够让电机工作在最佳效率状态下，本设计采用程序控制的指数曲线升降频，能够方便地与不同电机的机械特性很好地适配，减少电机升降频所用的时间，提高生产效率。本次设计使用AT89C51单片机产生脉冲信号来控制35BY48S03型步进电机的运行。在升降频过程中，我们专门设计了一个数据区，这个
3、数据区中的数据确定了电机在升降频过程中按指数曲线规律变化。我们改变电机时，只要根据电机的特性改变数据区的一些数据，即可使曲线很好的与电机适配。该方法能使电机以较高的效率运行。关键词：步进电机，单片机，升降频，步长 目录前言1第1章 步进电机简介31.1 步进电机工作原理及分类31.2 步进电机的各种指标术语41.2.1 静态指标术语41.2.2 动态指标及术语41.4 单片机控制步进电机的升降频6第2章 步进电机控制系统硬件电路92.1 单片机及其外围电路介绍92.1.1 CPU芯片92.1.2 控制键电路112.1.3 步进电机驱动电路122.2 步进电机控制系统硬件电路图13第3章 步进电
4、机控制系统软件设计143.1 步进电机控制系统应用流程图143.1.1 主流程图143.1.2 升频流程图143.1.3 降频流程图153.1.4 走一步子程序流程图163.2 步进电机数据区设计163.3 程序源代码19I前言步进电机作为执行元件，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中。随着微电子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 。上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电
5、动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，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。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。经过不断改良，今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。现在比较常用的步
6、进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。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，反应式步进电机获得最多的应用。本文第一章介绍了步进电机的一些基本知识，包括步进电机的分类，各种技术指标和步进电机的驱动简介，确定电机型号，介绍了如何用单片机控制步进电机的升降频，说明了用软件控制步进电机的优越性。第二章确定硬件电路方案。介绍了单片机最小系统，键盘电路及步进电机驱动电路，给出了整体控制系统的硬件电路图。第三章给出了软件设计的程序流程图，升频和降频数据区设计方法和详细的程序设计。大多控制系统中的步进电机升降速控
7、制一般不考虑电机及负载的个性统一采用慢速直线升频，这样不仅使电机的转矩性能不能够很好的发挥，而且加长了步进电机的升降时间，降低了加工效率。本文采用软件控制的升降频方法，设置一数据区描述电机的升降曲线，利用数据区内容可以方便更改的特性，针对不同的电机和负载，调试出最适配的曲线。使步进电机在最短的时间内以较大的输出转矩升到设定的速度，从而提高加工效率。 第1章 步进电机简介1.1 步进电机工作原理及分类步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准
8、确定位的目的；同时您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。步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器.步进电机的结构与步进电机所含的相数有关.步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛地用于工业机械的数字控制。从步进电机的矩-频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带动负载的能力越差。当启动频率较高时，启动时会造成失步，而停止时由于惯性作用又会发生过冲，所以在步进电机控制中必须要采取升降速控制措施。本文根据步进电机的动力学方程和矩-频特性曲线建立系统的数学模型，采用指数规律的升降速算法，对升降速的过程进行离散处理，用定时器控制发出
9、脉冲的时间间隔，采用查表和计算相结合的方法实现了步进电机的升降速过程的控制。本设计采用以单片机为核心的系统对步进电机进行控制。常见的步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛3。此外，按照电机驱动架构又可分为单极性和双极性步进电机。 单极性驱动电路使用
10、四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人混淆又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。双极性步进电机的驱动电路使用八颗晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的成本。双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较
11、高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。1.2 步进电机的各种指标术语常见步进电机的指标可分为: 静态指标术语和动态指标术语1.2.1 静态指标术语相数：产生不同对磁极N、S磁场的励磁线圈对数。常用m表示。电机相数不同，其步距角也不同。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以三相电机为例，有三相三拍运行方式即AB-BC-CA-AB，三相六拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二
12、、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。1.2.2 动态指标及术语 步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。1.3 步进电机驱动控制系统的组成负载脉冲信号信号分配功率放大步进电机使用、控
13、制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如1-1所示：图1-1 步进电机驱动控制1.脉冲信号的产生脉冲信号一般由单片机或CPU产生，脉冲的数量决定旋转的总角度，脉冲的频率决定旋转的速度。一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。2.信号分配常见感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为AB-B-A-AB，步距角为1.8度；二相八拍为AB-B-B-A-A-AB，步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB，步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C
14、-CD-D-DA-A-AB，(步距角为0.9度）。3.功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分驱动等。步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如图1-2所示：图1-2 电压对力矩的影响 步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。本次设计选用35BY48S03型步进电机。35BY48S03型步进电机是一种永磁式步进电机，电机共有四组线圈，将COM端标识为C，只要AC、C、BC、C，轮流加电就能驱动步进电机运转。35BY48S03型步进电机主要参数如下： 步距角：7.5 相数：4 电压：12 V 电流：0.26A 电阻：47 最大静转距：180Nm 定位转距：65Nm转动惯量：2.5N有了这些参数，可以设计出控制电路.1.4 单片机控制步进电机的升降频一些控制简单或要求低成本的运动控制
