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1、桂林理工大学单片机课程设计 桂林理工大学课程设计 题 目： MCS-51单片机步进电动机控制器设计学 院 机 械 与 控 制 工 程专 业 机 械 及 其 自 动 化姓 名 武 阳 学 号 3050456258 指导老师 蒋 大 海 目 次摘要Abstract1 概论1.1对步进电机的控制1.2控制方案设计说明2 硬件和软件设计 2.1控制电路图2.2程序流程图及程序代码3 总结参考文献1、概论1.1 步进电动机控制1.1.1 步进电机简介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，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
2、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。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。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 虽然步
3、进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 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。工作台人机接口步进电动机驱动电路计算机插补图1 步进电动机开环控制系统结构示意图步进电机的分类：现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式
4、步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，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。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。混合式步进电机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。1.1.2步进电动机工作原理从图2可以看出，在定子上有六个大极，每个极上饶有绕组。每对对称的大极绕组形成一相控制绕组，共形成A、B、C三相绕组。极间夹角为60度。在每个大极上，面向转子的部分分布着多个小齿，这些
5、小齿呈梳状排列，大小相同，间距相等。转子上均布40个小齿，大小和间距与大齿上的相同。当某向（如A相）上的定子和转子上的小齿由于通电电磁力使之对齐，另外两相（B相、C相）上的小齿分别向前或向后产生1/3齿的错齿。这种错齿是实现步进旋转地根本原因。这时如果在A想断电的同时，另外的B、C两相中的某一相通电，则电动机的这个相由于电磁吸力的作用使之对齐，产生旋转。步进电动机每走一步，旋转的角度是错齿的角度。错齿角度越小，所产生的步矩角越小，步进精度越高。现在步进电动机的步矩角通常为3度、1.8度、1.5度、0.9度、0.5 0.09度等。步矩角越小，步进电动机结构越复杂。由步进电动机的结构我们了解到，要
6、使步进电动机能连续转动，必须按某种规律分别向各相通电。步进电动机的步进过程如图3所示。假设图中是一个三相反应式步进电动机，每个大极只有一个大齿，转子有四个齿，分别称0、1、2、3齿。直流电源开关分别对A、B、C三相通电。图3所示的整个步进循环过程由表1-1可显见。图2 步进电动机结构原理 图3 步进电机步进过程表1 步进电动机步进循环过程通电相对齐相错齿相转子转向A相(初始状态)A相B、C和1、3B相B相A、C和0、2逆转1/2齿C相C相A、B和1、3逆转1齿我们把对一相绕组一次通电的操作称为一拍，则对三相绕组A、B、C轮流通电共包括三拍，才能使转子转过一个齿，转一齿所需的拍数称为工作拍数。对
7、A、B、C三相轮流通电一次称为一个通电周期。所以一个通电周期，步进电动机转动一个齿距。对于三相步进电动机，如按AAB B BC C CA顺序通电，称为三相六拍工作方式。设步进电动机的转子齿数为N，则它的齿距角为由于步进电动机运行K拍可使转子转动一个齿距角，所以每一拍的步距角可以表示为式中K步进电动机的工作拍数N转子的齿数。对于转子有40齿并且采用六拍工作的步进电动机，其步距角为1.1.3步进电动机相关素语1、步进电机的静态指标术语 (1)、相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 (2)、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
8、，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. (3)、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为= /=（俗称整步），八拍运行时步距角为/=（俗称半步）。 (4)、定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的） (5)、静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转
9、矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 2、动态指标及术语： (1)、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。 (2)、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(3)、失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 (4)、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
10、不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 (5)、最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 (6)、运行矩频特性： 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。(7)、电机的共振点： 当频率接近转子的共振频率或在共振频率整数倍的区域称为共振区。在这个区内会产生较大的振动，在使用中要设法避免。1.2 控制方案设计说明(1) 在控制系统中要实现对步进电动机的控制，必须对其各相的通电进行分配。实现脉冲分配的方法有硬件法和软件法两种。硬件分配法是由环形分配器来实现的，现
11、在多使用专门集成电路来实现脉冲分配。随着现代计算机和微处理器的发展，用软件方法实现脉冲分配，大大简化脉冲分配的控制线路。软件脉冲分配是由程序从计算机接口直接控制输出脉冲的速度和顺序。在本设计采用软件控制方法来实现脉冲分配。(2) 步进脉冲必须经过功率放大才能驱动步进电动机。功率放大驱动部件是由以功率晶体管为核心的放大电路组成的。图4所示为一基本的单功率放大电路。电路中VT是晶体管。W是步进电动机一相绕组，R是外接限流电阻，VD是续流二极管。当由端接收CNC输出脉冲信号后，光耦合器中发光二极管导通发光，触发光敏三极管，使VT导通，这样W上有电流流过，电动机转动一步。由于步进电动机每项都有一个放大
12、器，当三相放大器轮流工作时，三相绕组分别有电流流过，使三相步进电动机一步步转动。由于步进电动机绕组的电感作用，当绕组通电时，绕组电流不能迅速上升到额定值。电动机的转动比通电时间滞后，所以当绕组脉冲频率过高时，转子跟不上电流的变化就会失步，由此限制了步进电动机的最高速度。如果在电路中将一个电容C并联到R上，在脉冲到来时刻，电阻R相当于短接，改善了注入电动机绕组电流的脉冲前沿，使电流前沿明显变陡，从而提高步进电动机的高频特性。当晶体管VT关断时，由于相绕组W上电感的作用将在晶体管的集电极端产生高电压，有可能将晶体管VT击穿。为了避免这种情况发生，电路中装有续流二极管VD，给感应电流造成回路，以保护
13、晶体管。图4 单电源功率放大电路原理(3)步进电动机型号如图4，在本设计中选择90BF340步进电动机。图5 步进电动机型号第二章 硬件和软件设计2.1控制电路图如图6所示图6 控制电路图7 部分电路图图7中，P1.0接电机正转按钮，P1.1接电机反转按钮，P1.2接电机停转按钮。P0.0、P0.1、P0.2分接三个光藕。保持原工作状态有按键按下？初始化开始2.2程序流程图及程序代码YNY正转？ 停止？ N 电机反转一周 电机正转一周 N 电机停转程序Y停止？ N反转？Y电机正转程序正转？NY电机反转程序YNN图6 程序流程图程序代码：ORG 0000HLJMP STARTORG 0100HSTART: MOV SP,#6FH MOV R7,#50MAIN: MOV P1,#0FFH ;P1口作为输入口，置一 MOV A ,P1 ；读入P1口数据CPL A
