基于单片机的步进电机控制器设计 毕业论文.doc

基于单片机的步进电机控制器设计 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 引言 .1 1.2 步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 .2 1.2.1 常见的步进电机控制方案2 1.2.2 步进电机驱动技术3 第 2 章 步进电机概述 4 2.1 步进电机的分类 .4 2.2 步进电机的工作原理 .4 2.2.1 结构及基本原理4 2.2.2 两相电机的步进顺序5 第 3 章 步进电机驱动控制技术 .9 31 步进电动机的驱动概述 9 3.1.1 一般驱动系统的组成结构 .9 3.1.2 驱动器的特点 10 3.2 步进电动机驱动技术分析 .11 3.2.1 单电压驱动11 3.2.2 双电压驱动 12 第 4 章 系统的软件实现 .15 4.1 系统软件主流程图 15 4.2 系统初始化流程图 16 第 5 章 总结 .17 参考文献 .18 致 谢 19 摘 要 本文应用单片机、步进电机驱动芯片、字符型 lcd 和键盘阵列，构建了集步进电 机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电 机驱动滚珠丝杆在 x/y 轴方向联动。文中讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的 插补方法和步进电机变频调速的方法。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿 真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和成本。最后给出了步进电机控制系统的 应用实例。 关键词: 步进电机控制系统，插补算法，变频调速，软硬件协同仿真 1 第 1 章 绪 论 1.1 引言 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为steppingmotor、 pulse motor或 stepper servo，其应用发展已有约80 年的历史。步进电机是一种把 电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比， 位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋 转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一 矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与 定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就 是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压， 转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相 绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使 电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误 差不会长期积累。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，同时步进电机只有周期性的误 差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲 频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点 1。 正是由于步进电机具有突出的优点，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2。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在 大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行 研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。近年来由于微型 计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。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，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 2 许多航天工业的系统中得到应用3。因而，对于步进电机控制的研究也就显得 尤为重要了。 1.2 步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 1.2.1 常见的步进电机控制方案 1、基于电子电路的控制 步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、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。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、 功率放大驱动电路。系统组成如图 1.1 所示。 此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低， 设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实 现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过 反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令， 从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步4。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、基于单片机的控制 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 功 率 放 大 驱 动 电 路 脉 冲 控 制 器 环 形 分 配 器 步 进 电 机 图 1.1 基于电子电路控制系统 3 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，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电 机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由 单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。 本方案有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控 制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分 配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动， 大大提高了接口电路的灵活性和通用性；(3)单片机的强大功能使显示电路、键 盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性5。 1.2.2 步进电机驱动技术 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 式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、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， 因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单电压串电阻 驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的 时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动 机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功 率或启动、运行频率要求不高的场合。 高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压 供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流， 即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来 使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高 压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。 这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。 4 第 2 章 步进电机概述 2.1 步进电机的分类 步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁 式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(vr)、永磁式 (pm)和混合式(hb)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进电机 7。 (1)反应式步进电机(variable reluctance，简称 vr)反应式步进电机的转子 是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以 做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型； (2)永磁式步进电机(permanent magnet，简称 pm)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(hybrid，简称 hb)混合式步进电机综合了反应式和永 磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，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。 2.2 步进电机的工作原理 2.2.1 结构及基本原理 步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进 行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场 会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着 该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制 定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距 角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换， 在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能 转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的 5 运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原 因。 通过电磁感应定律我们很容易知道激励一个线圈绕组将产生一个电磁场， 分为北极和南极，见图 2.1 所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对 直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。 2.2.2 两相电机的步进顺序 1、两相电机的单相通电步进顺序 在图 2.2 中我们很清晰的展示了在单相通电时一个两相步进电机的典型的 步进顺序。在第 1 步中，两相定子的 a 相通电，因异性相吸，其磁场将转子固 定在图示位置。当 a 相关闭、b 相通电时，转子顺时针旋转 90。在第 3 步中， b 相关闭、 a 相通电，但极性与第 1 步相反，这促使转子再次旋转 90。在第 4 步中，a 相关闭、b 相通电，极性与第 2 步相反。重复该顺序促使转子按 90的步距角顺时针旋转8 9。 图2.1 激励线圈产生电磁场 6 图2.2 两相电机的单相通电步进顺序 2、两相电机的双相通电步进顺序 图 2.2 中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。更常用的步进方法是 “双相激励”，其中电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性， 见图 2.3 所示。在第 1 步中，两相定子的 a 相和 b 相同时通电，因异性相吸， 再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示 step1 位置。在第 2 步中， 两相定子的 a 相关闭，而 b 和 a 相（此时的 a 相通电极性与第 1 步 a 相反）同 时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示 step2 位置。在第 3 步中，两相定子的 a 相和 b 相同时通电，因异性相吸，再 加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示 step3 位置。在第 4 步中， 两相定子的 b 相和 a 相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其 磁场将转子固定在图示 step4 位置。按照这样的通电方式电机就转过了一周8 9。 两相步进时，转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电，本 方法比“单相通电”步进多提供了 41.1%的力矩，但输入功率却为 2 倍。 7 图2.3 两相电机的双相通电步进顺序 3、步进电机的半步工作方式 电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机 的整个步距角一分为二。例如，一个 90的步进电机将每半步移动 45，见图 2.4。但是，与“两相通电”相比，半步进通常导致 15%30%的力矩损失（取 决于步进速率）。在每交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，所以 作用在转子上的电磁力要小，造成了力矩的净损失。 从原理图我们很容易看到半步工作方式其实就是将两相电机的单相通电工 作方式和两相电机的双相通电工作方式相互结合起来。 两相步进电机的工作模式有两相四拍和两相八拍等两种，其中我们在图 2.2 和图 2.3 中展示的都叫做两相四拍工作模式，而下面的 2.4 图展示的就是 两相八拍工作模式8 9。 8 图2.4 两相电机的半步步进顺序 9 第 3 章 步进电机驱动控制技术 在混合式步进电动机特点和工作原理的基础上，本章就步进电动机的驱动 控制技术进行了详细的分析和比较。首先介绍了传统的驱动方式:单电压驱动 (包括单电压串电阻驱动)、双电压驱动(包括高低压驱动)和恒流斩波驱动的工 作原理及优缺点，然后重点介绍了细分驱动方式的原理及其模型。 31 步进电动机的驱动概述 3.1.1 一般驱动系统的组成结构 步进电动机不像直流电动机、交流电动机一样，它不能直接接到交直流电 源上工作，而必须使用专用设备步进电动机驱动器。步进电动机驱动器系 统的性能，除与电动机木身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优 劣。因此，对步进电动机驱动器的研究几乎是对步进电动机的研究同步进行的。 步进电动机驱动器的主要构成如图 3.1 所示，一般由环形分配器、信号处 理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还需要有 多种保护电路。 环形分配器用来接受来自控制器的 cp 脉冲，并按步进电动机状态转换表要 环形分 配器 信号放大 与处理 推动级 驱动级 保护 图 3.1 步 进 电 动 机 驱 动 器 构 成 10 求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个 cp 脉冲，环形分配器的输 出转换一次。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输 出的状态转换是按正序或者反序转换，决定了步进电动机的转向。因此，步进 电动机转速的高低、升速或降速、起动或停止都完全取决于 cp 脉冲的有无或频 率的高低。 信号放大与处理的作用是将环分输出信号加以放大，变成足够大的信号送 入推动级。 信号处理是实现某些转换、合成等功能，产生斩波、抑制等特殊功能的信 号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组 合在一起，形成较高性能的驱动输出。 推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级的较大的信 号。有时推动级还承担电平转换的作用。 保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可根据需要设置过电流保护、过 热保护、过压保护、欠压保护等。 3.1.2 驱动器的特点 为使步进电动机满足各种需要的输出，驱动级必须对电动机绕组提供足够 的电压和电流，但步进电动机与一般电子设备的驱动有很多不同点，其主要表 现在： 1各相绕组都是开关工作，多数电动机绕组都是连续的交流或直流，而步 进电动机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的。 2电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以都有较大的电感。绕组通 电时电流上升率受到限制，因此影响电动机绕组电流的大小。 3绕组断点时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结 果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快截止，必须设计适当的续 流回落。绕组导通和截止都会产生较大的反电势，而截止时反电势将对驱动级 器件的安全产生有害的影响。 4电动机运转时在各相绕组中产生旋转电势，这些电势的大小和方向将对 绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电动机转速成正比，转速越 11 高，电势越大，绕组电流越小，从而使电机输出转矩也随着转速升高而下降。 驱动级线路，既要保证绕组有足够的电流电压及正确的波形，同时要保证功率 放大器件的安全运行，另外，还应有较高的效率、较小的功耗、较低的成本。 这就必须要设计合理的线路，选用合适的功率器件。 驱动级的功率放大器件有中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶 体管、可控硅、可关断可控硅、场效应功率管、双极型晶体管与场效应功率管 的复合管以及各种功率模块等。 目前步进电机常用的驱动方式有单电压驱动(包括单电压串电阻驱动)、双 电压驱动(包括高低压驱动)、斩波恒流驱动和细分驱动等。以下分别简单介绍 前二种驱动方式的工作原理和优缺点。将在后面详细介绍细分驱动方式。 3.2 步进电动机驱动技术分析 3.2.1 单电压驱动 单电压驱动是指在电动机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。 其原理图如图 3.2 所示，前面推动级输出信号 in 作用于三极管的基级，其集电 极接电动机的一相绕组，绕组另一端直接与电源电压连接。因此，当三极管导 通时，电源电压全部作用在电动机绕组上。归结起来，单电压驱动器有如下特 点：线路简单，成本低，低频时响应较好；有共振区，高频时，带载能力迅速 下降。 图 3.2 单 电 压 驱 动 的 原 理 图 12 单电压驱动的致命弱点是绕组导通的回路电气时间常数 较大，致使导通 时绕组电流上升较慢、使电机在导通脉宽 t 接近 时绕组电流迅速下降。由于 ，故要减小电气时间常数 的方法是减小绕组的电感 或增加绕组回路的 lrl 电阻 r。对于确定的步进电动机，绕组电感已经确定。因此在电路中只有用增 加回路电阻的方法。即单电压串电阻驱动，其原理图如图 3.3 所示。单电压串 电阻驱动的主要缺点是损耗大，效率低。对比前述单电压驱动，其导通时铜损 为 ，而串电阻后的导通铜损为 ，所以电源提供的功率大部分都消2i 2()sir 耗在串联电阻上。 3.2.2 双电压驱动 双电压驱动的基本思想是在较低频段用较低的电压驱动，而在高频段用较 高电压驱动，原理线路见图 3.4 所示。电源直接接到由大功率管 和二极管ht 图 3.3 单 电 压 串 电 阻 驱 动 的 原 理 图 13 组成的电源转换开关上。当 关断时，低压电源 通过 给电路提供驱动ldhtluld 电压，当 导通时，高压电源 通过 给电路提供驱动电压， 处于反向截htu 止状态，低压电源自动停止供电。 高低压驱动的原理线路如图 3.5 所示，初看起来，与双电压驱动电路似乎 差别不大，但实际上工作过程截然不同。图中所示为每相的单元线路。主回路 由高压管 、电动机绕组、低压管 串联而成。 加高压， 加低电压，电htlthul 动机绕组回路不串电阻。在每相导通期间，低压管输入信号 与高压管输入信i 号 见图 3.6 所示。当 为高电平时，该相导通；当 为低电平时，该相截止。hili l 高压管的输入信号 是由 信号的前沿信号获得的， 前沿与 同步。但脉h hili 冲宽度要比 小得多，高低压驱动可保证在很宽的频段内都能保证相绕组有较li 大的平均电流，在截止时又能迅速释放，因此能产生较大的且较稳定的电磁转 矩，因此驱动系统可得到较高的响应。 图 3.4 双电压驱动的原理图 14 图 3.5 高低压驱动的原理图 ih il t t0 0 图 3.6 高低压管输入信号 15 第 4 章 系统的软件实现 本系统的软件设计主要分为系统初始化、延时子程序、按键响应程序，数 码管显示程序，读 adc0804 子程序及控制脉冲输出几部分，事实上每一部分都 是紧密相关的，每个功能模块对于整体设计都是非常重要，单片机 at89s51 通 过软件编程才能使系统真正的运行起来，软件设计的好坏也直接决定了系统的 运行质量。 程序流程图的设计遵循自顶向下的原则，即从主体遂逐步细分到每一个模 块的流程。在流程图中把设计者的控制过程梳理清楚。具体程序的讲解将在本 章各节做详细讲解。 4.1 系统软件主流程图 当给系统供电以后，通过单片机复位电路对系统进行上电复位系统经过初 始化以后，便开始执行按键查询等待相应的操作，当有按键按下的时候程序便 调用并执行相应的子程序，其具体的主流程图 4.1 如下所示： 开始 系统初始化 y n按键判断 相应按键子程序 相应显示子程序 结束 图 4.1 主程序图 16 4.2 系统初始化流程图 对相应的系统参数进行初始化，包括系统上电默认运行参数设定，包括两 相四拍的工作方式，初始速度档位是 30 转/分，系统中断设定，定时器设定， 载入定时器初值和默认的工作参数等，具体流程图如图 4.2 所示。 开始 定