三相六拍步进电机控制系统设计_理学_高等教育_教育专区。中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 1 引言 1.1 课程设计任务和要求 课程设计任务: 设计一个三相步进电机控制系统，设计一个计算机步进电机程序控制系统，可以对 步进电机的转速、转向

　　中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 1 引言 1.1 课程设计任务和要求 课程设计任务: 设计一个三相步进电机控制系统，设计一个计算机步进电机程序控制系统，可以对 步进电机的转速、转向以及位置进行控制。通过设计，掌握步进电机的工作原理、掌握 步进电机控制系统的设计原理、设计步骤，进一步提高综合运用知识的能力。 要求完成的主要任务: （1） 设计接口电路和驱动电路，对步进电机进行控制。 （2） 选择控制算法，编写控制程序，实现三相步进电机在六拍工作方式下先正转 90 度，然后再反转 60 度，要求其速度可调，转向可控。 （3）写出设计说明书。 课程任务要求: （1）查阅资料，确定设计方案 （2）选择器件，设计硬件电路，并画出原理图和 PCB 图 （3）画出流程图，编写控制程序 （4）撰写课程设计说明书 2 2.1 步进电机的概述 步进电机的特点 1）一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 2）步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁， 从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的温度应取决于不同电机磁性材 料的退磁点； 一般来讲， 磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上， 有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。 3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电 感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或 速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步 第 1 页 共 1 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲 频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的 情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即 启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 2.2 步进电机的工作原理 步进电机是一种用电脉冲进行控制 ,将电脉冲信号转换成相位移的电机 ,其机械位 移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比 ,每一个脉冲信号可使步进 电机旋转一个固定的角度 .脉冲的数量决定了旋转的总角度 ,脉冲的频率决定了电机运 转的速度.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。 2.3 步进电机的技术参数 1)空载启动频率 即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机 不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率更低。如果要使电 机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定加速度升到所 希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 2)电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出时给出了一 个步距角的值， 如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9°/1.8° （表示半步工作时为 0.9°、 整步工作时为 1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机 实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 3)步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机 相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9°/1.8°、三相的为 0.75° /1.5°、五相的为 0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的 步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义， 用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 第 2 页 共 2 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 4)保持转矩（HOLDING TORQUE） 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机重要的参数 之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的 增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电 机重要的参数之一。比如，当人们说 2N.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指 保持转矩为 2N.m 的步进电机。 2.4 步进电机的内外结构 步进电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与 转子齿轴线 て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示）， 即 A 与齿 1 相对齐，B 与齿 2 向右错开 1/3 て，C 与齿 3 向右错开 2/3 て，A与齿 5 相对 齐，（A就是 A，齿 5 就是齿 1）下面是定转子的展开如图 2.4.2 所示： 3 步进电机控制工作原理 3.1 步进电机的启停控制 步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 , 减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进 电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机 轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步 进电机的转轴不能自由转动。 3.2 步进电机的转向控制 如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。步进电机的励磁方式为三相六 拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CA-A。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。其他方式情况类 似。 第 3 页 共 3 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 3.3 系统设计思路 此次我们所设计的是一个步进电机控制系统，主要由单片机 80C51，3 相步进电机，7 段数码管，及一些其他相关元件设计而成。可以通过开关来控制系统的启/停工作，当系 统运转时，用开关来控制方向，并使相应的指示灯亮起，同样由开关来选择工作模式。 运转时，用 4 位 7 段数码管来输出步数。后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应 的软件。 3.4 系统的整体框图 3.5 驱动方式的确定 并于步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过 CPU 直接来驱动，这种方法一般 不宜采用，因为 CPU 的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动；别一种 是通过 CPU 来间接驱动，就是把从 CPU 输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过 光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。固本次设计应采用 CPU 间接驱 动步进电机。用编码器还的测速发电机作为转速测量工具,因为选择了闭环控制，就必须 有反馈元件，反馈元件一般有两种，一种是采用同轴的测速发电机，把步进电机的转速 第 4 页 共 4 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 反馈回来，然后通过显示器显示出来并对步进电机进行调节；别一种是通过光同轴的电 编码器把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调节；两者相比，后者的设计比较简 单，价格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光电骗码器作为反馈元件。 3.6 驱动电路的选择 步进电机的驱动电机有多种，但为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱 动、细分控制驱动等。单电压驱动是步进电机控制中为简单的一种驱动电路，它在本 质上是一个单间的反相器。它的特点是结构简单，因它的工作效率低，特别是在高 频下更显的突出。它的外接电阻 R 要消耗相当一部分的热量，这样就会影响电路的稳定 性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。双电压驱动是电路一 般采用两种电源电压来驱动，因这两个电源分别是一个为高压一个为低压，因此也称为 高低压驱动电路。双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点，这样必然引 起力矩在谷点处下降。不宜于电机的正常运行。对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点， 并且还可以提高步进电机的效率。别一种是用单片机采用数子脉宽调制的方法获得阶梯 电流，这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。但因本次设计对步进电机的 精度要求比较高转速的调节范围比较广，固应选用驱动芯片 8713 来驱动，并通过软件来 实现步进电机的调速。 4 4.1 硬件电路的设计 单片机的选择 本次设计以 CPU 选用 89C5l 作为步进电机的控制芯片．89C51 的结构简单并可以在 编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上.使用方便等优点， 而且完全兼容 MCS5l 系列 单片机的所有功能。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM— FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微 处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标 准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个 芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵 活性高且价廉的方案。 单片机的引脚功能 1）VCC（40）：电源+5V。 第 5 页 共 5 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 2）VSS（20）：接地，也就是 GND。 3）XTL1（19）和 XTL2（18）：振荡电路。 4）PSEN（29）：片外 ROM 选通信号，低电平有效。 5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM 编程脉冲输入端。 6）RST/VPD（9）：复位信号输入端/用电源输入端。 7）EA/VPP（31）：内/外部 ROM 选择端 8）P0 口（39-32）：双向 I/O 口。P1 口（1-8）：准双向通用 I/0 口。 9）P2 口（21-28）：准双向 I/0 口。原理图如 4.1.1 所示： 图 4.1 AT89C51 的引脚图 4.2 步进电机的选择 反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转 动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个简单的三相反应式步进电动机为例说明其 工作原理. 三相六拍通电方式 第 6 页 共 6 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 设 A 相首先通电，转子齿与定子 A、A′对齐。然后在 A 相继续通电的情况下接通 B 相。这时定子 B、B′极对转子齿 2、4 产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是 A、A′ 极继续拉住齿 1、3，因此，转子将转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图所示， 即转子从图位置顺时针转过了 15°。接着 A 相断电，B 相继续通电。这时转子齿 2、4 和 定子 B、B′极对齐，转子从图的位置又转过了 15°。其位置所示。这样，如果按 A→A、 B→B→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→B→B、A→A?的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。 图 4.2 三相双三拍运行方式 在分析步进电动机动态运行时， 不仅要知道某一相控制绕组通电时的矩角特性， 而 且要知道整个运行过程中各相控制绕组通电状态下的矩角特性，即所谓矩角特性族以三 相单三拍的通电方式为例，若将失调角θ 的坐标轴统一取在 A 相磁极的轴线上，显然 A 相通电时矩角特性如图中曲线 A 所示稳定平衡点为 O， 点 B 相通电时转子转过 1/3 齿距 相当于转过 2π /3 电角度,它的曲线 C, 这三条曲线就构成了三相单三拍通电方式时的 矩角特性族总之矩角特性族中的每一条曲线依次错开一个用电角度表示的步矩角 MERGEFORMAT \* MERGEFORMAT \* \* MERGEFORMAT 步进电机的动态特性是指步进电动机在运行过程中的特性它直接影响系统工作的可 靠性和系统的快速反应。 第 7 页 共 7 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 1)单步运行状态 单步运行状态是指步进电动机在一相或多相控制绕组通电状态下仅改变一次通电状 态时的运行方式. 2)动稳定区 当 A 相控制绕组通电时矩角特性如图所示，若步进电动机为理想空载则转子处于稳 定平衡点 \* MERGEFORMAT 处，如果将 A 相通电改变为 B 相通电，那么矩角特性应向 \* MERGEFORMAT 变为曲线 B， \* MERGEFORMAT 点为新的稳定平 前移动一个步距角 衡点由于在改变通电状态的初瞬转子位置来不及改变还处于θ =0 的位置，对应的电磁转 矩却由 O 突变为曲 \* MERGEFORMAT 线 B 上的 C 点，电机在该转矩的作用下转子向新的 \* MERGEFORMAT 点为止对应它的静稳定区为止，即改变 稳定平衡位置，移动直至到达 通电状态的瞬间只要转子在这个区域内就能趋向新的稳定平衡位置，因此把后一个通电 相的静稳定区称为前一个通电相的动稳定区， 把初始稳定平衡点 OA 与动稳定区的边界点 A 之间的距离称为稳定裕度，拍数越多步距角越小，动稳定区就越接近静稳定区稳定裕 度越大，运行的稳定性越好转子从原来的稳定平衡点到达新的稳定平衡点的时间越短， 能够响应的频率也就越高。 负载能力: 步进电动机带恒定负载时负载转矩为 \* MERGEFORMAT， \* MERGEFORMAT \* MERGEFORMAT 点， 若 A 相控制绕组通电则转子的稳定平衡位置为图中曲线 A 上的 这一点的电磁转矩正好与负载转矩相平衡，当输入一个控制脉冲信号通电状态由 A 相改 变为 B 相，矩角特性变为曲线 B 在改变通电状态的瞬间电机产生的电磁转矩 MERGEFORMAT 大于负载转矩 到达新的稳定平衡点 OB? \* \* MERGEFORMAT ，电机在该转矩的作用下转过一个步距角 5 5.1 软件的设计 键盘子程序的设计 第 8 页 共 8 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 图 5.1 显示程序流程图 5.2 正反转程序流程图 图 5.2 正反转程序流程图 第 9 页 共 9 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 5.3 转速快慢程序流程图 5.3 转速快慢程序流程图 第 10 页 共 10 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 5.4 定时中断流程图 图 5.4 中断子程序流程图 6 系统的硬件设计 6.1 总体设计 设计一个单片机三相步进电机控制系统要求系统具有如下功能： (1) K1、K2 分别为启动和方向控制； (2) 正转时红色指示灯亮，反转时黄色指示灯亮，不转时绿色指示灯亮； (3) 用 4 位 LED 显示工作步数。 根据设计要求用 PROTEUS 所做的硬件连线 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 图 6.1 总体硬件连线 步进电机控制电路 图 6.2 按键控制图 （1）K3 为启/停控制开关，控制整个系统的开启和关闭。 （2）K4 为正/反转控制开关，控制步进电机的转向。 （3）K0-K3 为工作模式控制开关，K2 接电时，步进电机工作模式为三相六拍。 步进电机控制电路 第 12 页 共 12 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 将 80c51 的 P1.0-P1.3 作为步进电机的输出控制口。原理图如下： 图 6.3 步进电机的输出控制口 6.3 显示电路 4.3.1 发光二极管显示电路 用 3 个不同颜色的发光二极管来作为指示灯显示，将 P3.5 接红灯，P3.6 接黄灯，P3.7 接绿灯，正转时红色指示灯亮，反转时黄色指示灯亮，不转时绿色指示灯亮。原理图如 下： 图 6.4 指示灯接线-P2.3 输出位选码，设计中我们主要用到 4 位显示步数既可。原理图如下： 图 6.5 接线 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 7 实验结果与分析 在单相三拍方式控制中，假如 A 相电源通电，B、C 两相都不通电，在磁场作用下， 使转子齿和 A 相的定子齿对齐。若此时为初始状态，并设与 A 相磁极对齐的齿为 0 号齿， 由于 B 相齿与 A 相齿相差 120 度。且 \* MERGEFORMAT 不为整数。所以此转子 不能和 B 号齿对齐，只有 13 号小齿靠近 B 相磁极的中心线 度，如果此 时变为 B 相通电，万里 A、C 两相不通电，则 B 相磁极迫使与 13 号齿对齐，整个齿就转 了 3 度，称为一步。步进电机就是以这种方式作为动力而转动。 光电编码器的分分辨率是决定着反馈的准确性与反馈的精度。也对步进电机的延时 长短起到一定的作用。可见实际与理论是有一定的差别的。 8 总结 通过这次课程设计，我加强了动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中， 通过对各个元件的比较和认识，找到了简单、正确的方法。对电路条件的限制，要求能 更深次地理解各种器件的原理及使用规则，对具体的情况做到正确的判断，提高了我们 对书本知识的掌握，也把我从理论水平提高到实践水平。做课程设计同时也是对课本知 识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各 个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的 功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。在对陌生各种元件使用时，我们才 了解到我们现在的知识水平还很有限，需要我们自己拓展，要多看一些关于其他类型的 不同的见解。 第 14 页 共 14 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 附录： 总程序如下： #includereg51.h #includestdio.h void delay1(void); void delay2(void); void display(int); int bs=0; main() { char a,b,c,d,j,*q, done1[8]={0x01,0x02,0x04,0x00,0x01,0x04,0x02,0x00}, done2[8]={0x03,0x06,0x05,0x00,0x03,0x05,0x06,0x00}, done3[14]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05,0x00,0x01,0x05,0x04,0x06,0x02,0x03, 0x00}; P3=0x20; delay1(); L: a=P3; while(!(a&0x08)) { P3=0x20; a=P3; delay1();} a=P3; if(a&0x01) q=done1; if(a&0x02) q=done2; if(a&0x04) //方式 3 模型 //方式 2 模型 //判断工作模式 //方式 1 模型 //判断是否启动，若没启动则重新启动 第 15 页 共 15 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 q=done3; if(a&0x10) { P3=0x80; b=0;} else { P3=0x40; if(a else b=4; } d=b; while(1) { c=*(q+b); if(c==0)b=d; else { P1=c; b++; bs++; display(bs); j=a; a=P3; if(a!=j) //判断电机是否要正转 //P3.4 口为 1，电机正转 //P3.4 口为，电机反转 //判断电机步数是否走完 //步数走完，电机重新再走 //从 P1 输出电机控制信号 //总步数加 1 //显示步数 //判断 P3 口状态信号是否改变 //若为停止信号，总步数清零 //状态信号改变，返回到开始，重新对电机控制 { if(!(a&0x08))bs=0; goto L; } } } } void delay1() { int i,j; 第 16 页 共 16 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 for(i=0;i200;i++) for(j=0;j300;j++); } void display(int n) {unsigned tab[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x67}; unsigned char i,k,t,num[4]; num[0]=n%10; num[1]=(n/10)%10; num[2]=(n/100)%10; num[3]=(n/1000)%10; for(t=0;t50;t++) { k=0x08; for(i=0;i4;i++) { P2=k; P0=~(tab[num[i]]); k=k1; delay2(); } } } void delay2() { int i,j; for(i=0;i10;i++) for(j=0;j60;j++); } //从 P2 口输入位选码 //取出显示码，并从 P0 口输出显示码 //求下一个位选码 //扫描 50 次 //位选码指向左一位,第四位 //将总步数的各位分别存在 num 数组中 char 第 17 页 共 17 页 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 参考文献 [1] 张洪润,蓝清华. 单片机应用技术教程 . 北京:清华大学出版社,1997. 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