基于单片机的步进电机控制系统设计 电气自动化专业

引言1.1步进电机及其发展步进电机的最主要功能就是将输入脉冲电信号转换化成为角位移或线位移，我们通过电机转动的角度和圈数来衡量其工作精度和速度大小。脉冲电信号输入时，步进电机能够直接对外输出阶跃型的角位移或直线位移,不需要额外的数模转换单元,近年来基于单片机的步进电机控制手段引起广泛关注。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也彻底国产化。那时运用至多的是线切割机，都是快走丝的。线切割机的X-Y平台丝杆就用步进电动机驱动。当时的图纸是全国公开，给个晒蓝图的费用就行了。原始的电路设计，机械设计，电动机设计的元老，应该有网友将他们的名字和个人简历，工作经历发上来。国外在大功率的产业装备驱动上，现在根本不利用大扭矩步进电动机，由于从驱动电路的本钱，效力，噪音，加速度，绝对速度，体系惯量与最大扭矩最近对比，比较不划算，仍是用直流电动机，加电动机编码器总体技能和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场所，还利用步进电机，比方一些产业东西，工业生产设备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内以往是用大力矩步进电动机实现机床数控，有气力的公司目前也采取交流电动机驱动数控机床，在驱动装备的主要差距，是国外对交流电动机的节制理论与工程剖析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。总的来说，步进电机电是一种简略的开环控制，对应用者的请求低，不适合在大功率的场所利用。在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。1.2步进电机在我国的发展应用及前景 我国工业发展水平与西方发达国家相比起步较晚，步进电机的制造及研发技术的发展也滞后于欧美国家。新中国成立以后，在国家政策的扶植下，我国工业技术水平赢得了较大的发展。同一时期，步进电机关键技术和核心技术自主研发引起了广泛关注，以高校、科研机构、生产商研发团队为主体的队伍成为了我国步进电机技术的核心研发人员。此后，我国各大工业技术相对发达的沿海城市涌现出一大批步进电机零部件及电子元件生产商，国产步进电机的生产、销售初见规模。例如，我国成功攻克了步进电机驱动电路中必不可少的半导体器件集成化核心技术，使得步进电机驱动电路不再需要计数器、耦合器、触发器等多种元件组合构成，步进电机外形尺寸及制造成本大大降低。改革开放以后，我国与西方国家的技术交流更加频繁，步进电机控制器及控制系统的结构形式也不断推陈出新，各种新型的混合驱动高性能步进电机层出不穷。步进电机最先是由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也使用逐步在步进电机上，对于数字化的节制变得更为轻易。日后经由不竭改善，使得今日步进电机已普遍应用在必要高定位精度、高分化能、高响应性、信赖性等矫健控制性高的机械系统中。在生产过程当中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很轻易发现步进电机的踪影，尤为以注重速率、位置控制、必要准确操纵各项指令行动的灵活控制性场合步进机电用的至多。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机之外的第三类电动机。传统电动机作为电机能量转换装置，在人类的生产和生存进入电气化过程当中起着枢纽的作用。但是在人类社会进入自动化期间的今天，传统电动机的功能已不能满足工场自动化和办公自动化等各种活动控制系统的要求。为顺应这些要求，成长了一系列新的具有控制功效的电动机体系，个中较有本身特征，且运用非常普遍的一类就是步进电动机。步进电动机的成长与计算机产业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中替代小型直流电动机之后，使其设置装备摆设的机能进步，很快地增进了步进电动机的成长。另一方面，微型计算机和数字控制技能的成长，又将作为数控系统实行部件的步进电动机推广应用到其他范畴，如电加工机床、小功率机器加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器和包装机器等。任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。目前，步进电动机的成长已归结为单段式布局的磁阻式、混合式和爪极构造的永磁式三类。爪极机电价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式首要作为高分辨率电动机，因为混合式步进电动机拥有控制功率小，运行安稳性较好而逐渐处于主导地位。国内步进驱动器曾持久处于不冷不热状况，但在提倡低碳、节能减排政策的鞭策下，步进电机驱动器推广应用势必呈现实际性的进展。电机行业属于传统机械行业。大中型电机技术已经成熟，设计方法，设计理论，工艺技术都是非常成熟的。现在永磁电机是电机行业的一个成长热门，尤其是几年近来火起来的NVH永磁驱动电机。特斯拉驱动电机原来是用的台湾福田电机公司做的异步电动机，现在准备改技术路线，用永磁电动机了。电机行业的一个基本特点，就是劳动密集型行业，利润低。做电机驱动控制的就业薪资和发展前景要比电机设计好许多，当然每一个行业都存在专家，做到专家了，就差距不大了1.3本研究的主要内容及意义根据统计分析可得，步进电机的常见动作需求主要包括：①输出轴具备单独正转和反转功能；②输出轴具有先正转后反转功效；③输出轴转速可调，包括连续可调或存在若干个备选速度档位；④步进电机运转过程当中可以人为启动和停止。本研究以上述动作需求为目标完成了基于单片机的步进电机控制系统的设计，所设计完成的控制系统可以通过键盘来实现步进电机各个不同动作的控制。完成了整体方案设计之后，我们对控制系统的电路布局进行了仿真计算，发现电路布局合理，结构可靠，能够完全满足日常使用需求。2步进电机控制总系统设计2.1系统框架本研究中我们是以四相步进电机为主要对象，鉴于步进电机工作过程中必须具备的功能有启动、正转、反转、急停、加速、减速等多种功能，我们在各个功能的按键上还设置了发光二极管，用以直观的对外展示电机处于何种工作状态。本研究中我们选用单片机作为控制器的主要元件，得到了如下图所示基于单片机的步进电机控制系统结构框图，从图中我们可以了解到步进电机控制系统主要是由驱动电路模块、状态显示模块和按键模块三大部分构成。单片机单片机键盘控制模块电机驱动模块数码管显示模块电源模块图2-1总体设计框图2.2主控芯片选择随着智能化设备的不断发展，工业自动化领域内的步进电机应用不再是简单的选型、安装、调试、使用。很多时候客户都会按照自身的使用需求和产品更新换代需求对驱动步进电机的控制器进行二次开发，来实现灵活多样的控制需求。故而，我们步进电机控制系统设计过程中应当要求主控芯片支持多种语言且拥有良好的编程环境。为了方便使用人员的二次开发，所选芯片应尽量为市场上较为常见、具有典型参考案例和规范程序的成熟芯片。此外，考虑到只要成本和使用成本的控制，我们通常会倾向于选择工作温度范围较宽、功耗低、抗干扰能力强的芯片作为步进电机控制系统的核心单元。鉴于本研究所针对的四相步进电机通常是用于商业场合，在功耗和抗干扰方面并没有特别严格的要求，故而，我们选用商业级STC89C51芯片来完成步进电机控制系统开发工作，所得到的控制系统成本低，二次开发方便。2.3步进电机输出参数的确定本研究中我们选用的目标步进电机为28BYJ48型四相八拍电机，查阅该型号电机的相关参数可得其驱动电压应为DC5V~DC12V。也就是说，本研究中所设计的控制系统的对外输出电压应不小于5V才能保证电机正常工作。步进电机的控制原理为主控芯片对电机输出连续脉冲时电机则保持连续转动。2.4电机驱动的确定查阅单片机的工作原理可得，其各个输出引脚只能对外输出电信号，而电机工作过程中我们是通过转动的角度和圈数来衡量其工作精度和速度大小的。因而步进电机驱动系统设计的第一步就是要实现脉冲电信号到步进角度之间的转化，这一过程往往可以借助数字信号和模拟信号转化芯片来完成，本研究中选择与标准TTL系列兼容的ULN2003达林顿连接晶体管来实现脉冲电信号到步进角度之间的转化。3.系统硬件电路设计3.1系统硬件总电路构成本研究所述基于单片机的步进电机控制系统的硬件单元主要包括核心处理器（STC89C51单片机）和电机驱动（集成芯片ULN2003）。步进电机工作过程中必须具备的功能有启动、正转、反转、急停、加速、减速等多种功能，我们在外接键盘上设置了6个按钮分别与上述功能一一对应，还在各个功能的按键上还设置了发光二极管，用以直观的对外展示电机处于何种工作状态及运行速度的档数。3.2步进电机系统步进电机的主要功能就是将输入的电能转换化成为机械能（常见的表现形式有角位移或线位移），我们通过电机转动的角度和圈数来衡量其工作精度和速度大小。而根据输入电信号的不同我们又可以将步进电机分为单相和多相电机，其中单相步进电动机多用于微小功率驱动场合而多相步进电动机多用于大功率场合。3.2.1步进电机的原理步进电机工作的关键就是实现脉冲电信号到步进角度之间的转化，输入脉冲电信号与输出角度之间存在一一对应关系，单片机控制技术能够完全满足需求。我们知道步进电机的工作原理为：①脉冲分配：举例来说，三相步进电机工作过程中脉冲必须严格按照A-B-C-D的通电顺序进行；②电机的转向控制：通电相位与电机转动标的目的同等；③电机速率控制：经由控制单片机输出脉冲频率（两个脉冲的距离）实现调速。当电流流过定子绕组时，定子绕组发生一矢量磁场。该磁场会动员转子扭转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场偏向同等。当定子的矢量磁场扭转一个角度。转子也跟着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机迁移转变一个角度进步一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。转变绕组通电的次序，电机就会反转。以是可用节制脉冲数目、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的迁移转变。平日见到的各种电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻，通电会发消耗耗，消耗巨细与电阻和电流的平方成正比，这便是我们常说的铜损，若是电流不是标准的直流或正弦波，还会发生谐波消耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会发生消耗，其巨细与质料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的情式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一样平常寻求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成份高，电流交变的频率也随转速而转变，因此步进电机普遍存在发热情况，且情形比平常交流电机严峻。3.2.2步进电机的特点1.通常情况下，步进电机的精度以步进角来判断，一般为后者的3-5%，并未其角位移和输入脉冲数之间为完全的正比关系，不存在误差积累，跟随性较好。2.电机表面的温度不能过高。3.电机的输出转矩与转速成反比，一个升高另一个反而会降低。4.电机运转过程中的振动较大，因此其所发出的噪音也较大，使得其在带动惯性负载时表现不好。5.对于电机与驱动电路共同形成的开环数控系统，性能可靠，且结构简单，价钱便宜。并且其能够和角度反馈环节共同使用形成闭环数控系统，该系统在使用时，具有较高的性能。3.2.3永磁步进电机的控制原理本设计使用了较为常见的永磁式步进电机，同时使用了单片机来控制该电机的状态。下图3-1为该电机的接线图。图3-1永磁步进电机接线图3.3单片机系统在本系统设计时，选择STC89C5l芯片作为电机的控制中心。该芯片在结构上较为简单，同时具有上万次闪烁式的电擦写功能，性能强大且应用方便，还能够与MCS5l系列兼容。其具有4K的ROM，具有一个8位微处理器，因此性能好，功能强大。在制造的时间利用了ATMEL高密度非易失存储器制造技能，能够兼容产业尺度的MCS-51指令集和输出管脚。图3-2单片机引脚图3.4键盘控制电路当使用单片机时，为了保证每次按键只能对应唯一的按键动作时，必须要消除抖动带来的干扰。这一消除操作主要可以通过两方面来实现，分别为硬件和软件。但是对于硬件消抖来说，由于其电路设计较为复杂，从而给实现过程带来一定的困难，因此本文中并没有使用该方法，因此，也不再过多进行论述；对于软件消抖来说，尤其适用于具有较多按键时，并且实现过程简单。这一过程的主要原理为当初始按下按键时，执行10ms的延时，之后确定该键的电平是不是仍然是闭合情况下的电平，如果是，则表示有按键操作，从而将消除抖动带来的干扰。下图2-2即为这一过程的主要实现原理。图3-4键盘控制模块原理图3.5数码管驱动显示电路数码管的根本构成元件为发光二极管，是一种半导体发光器件。根据段数的不同分为了两种类型，分别为七段和八段数码管，这两者所需要的组成发光二极管数目不同，前者较后者多一个，表现为前者显示时有一个小数点；根据所表现的“8”的个数的差别可以将数码管又分为若干类，如1位、2位或者4位等：按照其构成发光二极管的差别连接体式格局又可分为两大类，分别为共阳极和共阴极。对于前者而言，其内部的所有发光二极管的连接方式为阳极共同接到同一公共阳极上(COM)，在使用这一类的数码管时，需要将COM与+5V相连，从而当某部分二极管阴极为低电平时，则会显示这部分的内容，相反当该部分为高电平时，将不会显示。对于后者（共阴数码管）而言，其内部的所有发光二极管的连接方式为阴极共同接到同一公共阴极上(COM)，在使用这一类数码管时，需要将COM与地线GND相连，从而当某部分二极管阳极为高电平时，则会显示这部分的内容，相反当该部分为低电平时，将不会显示。该数码管的价钱较低，使用方便，因此在家用电器的使用上尤其常见。在本次设计过程中，需要显示时间信息，因此使用共阳极数码管，同时对于该数码管的开断操作选择三极管来控制。图3-5数码管驱动显示电路3.6步进电机驱动电路在设计该系统时，设计初衷是希望能够实现电机转速的高效控制，所以需要将单片机发出的脉冲转化为步进角度，以此来对电机运转速度、角度进行控制，这一过程中使用的提供脉冲信号的驱动电路为ULN2003。在使用该电路时，首先需要用到的接口器件为NPN达林顿连接晶体管，该器件的适用范围较广，如具有低逻辑电平数字电路（如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和大电流高电压的灯、继电器、打印机锤和其他类似负载上，同时在计算机、工业和消费类产品中使用也较为广泛。对于这类的所有器件中均存在着集电极开路输出，同时还存在着续流箝位二极管，该二极管的主要作用为瞬变抑制。该器件的兼容性也不错，可以兼容标准的TTL系列。下图5-2为该器件的各引脚及内部电路图3-6ULN2003管脚连接图

4.控制系统软件分析与设计4.1主程序流程图对于电机的整个控制系统而言，由以下几个部分，分别为电机正转、反转、加速和减速，下图4-1即为整个控制系统的主程序流程图。开始开始初始化调按键、显示子程序调按键子程序调用正反转子程序调用加减速子程序停止图4-1步进电机控制系统主程序流程图4.2读按键子程序流程图在确定按键操作时，使用的主要方法为扫描法，当扫描到一个数值时，将其与初始值进行对比，当两者为同一值时，则表示未按键，反之将进行软件消抖操作，方便后续进行按键与否的判断。延时10ms后再进行第二次扫描操作，并将该扫描值与初值对比，当两者不等时，表示之前对比的不等结果主要诱因为抖动；当两者相等时，表示确实存在按键操作。从而将执行键盘输出的指令，改变相应的变量，以便后续进行按键处理子程序的操作。具体流程如图4-2所示启动启动否是否有键按下处理键盘子程序是图4-2扫描键盘字程序流程图4.3按键处理子程序流程图下图4-3为按键处理子程序的实现进程图。其主要流程如下：使用定时器T0来控制电机的启动与停止，因为定时器T0对输出脉冲信号起到控制作用，当将其关闭时，意味着脉冲信号也将无法输出。初始化变量初始化变量开始P1.0是否按下P3.0是否按下P1.1是否按下P3.1是否按下退出TR0取反，通过启停T0启停步进电机取反方向控制为，改变电机转动方向修改速度参数值，减速修改速度参数值，加速是是是是图4-3键盘处理子程序流程图4.4电机控制中断程序流程图下图4-4为定时器中只0办事程序的实现进程图。其主要流程如下：对于该程序的实现过程中的中断时间取决于电机此时的转速。当开始中断操作时，第一点应该保护现场，然后以此时的数值来确定TH0和TL0。接着确定控制电机运转方向的控制位的数值，最后使现场回复到之前状态，返回，再等待开始下一次中断操作。开始开始设置T0时间参数判断转动方向控制位的值有控制位查询输出脉冲退出改变方向控制变量值是图3.4定时器中断0服务程序流程图

5.系统调试与改进5.1调试与改进在对整个系统的硬件电路进行调试时，也出现了不少的问题，具体有以下几点：1.明确电机的操作方法以及控制模式。这一点非常关键，因为它是整个系统的基础，同时对软件的整个设计思路起到基础作用。2.在对单片机进行通电时，需要关注其所使用的电源，以下为主要的关注点：应该在其两端各添加1个电容，分别为电解电容和小电容，对应的容量分别为47uF以上和0.1uF，以此来实现电源的滤波。3.在使用不同档位的运行模式时，电机的转速变化不明显，因此应该针对改变档位时设置差异明显的二维数组值。以上是硬件测试的问题，同样的软件测试也不例外存在着很多的问题，其中主要包括：1.软件去抖方式以及时间控制。2.最初始做好了电机的控制程序，但调试时发现使用该程序所控制的电机转速变化范围很小，通过对大量相关资料的研究与分析，发现了初始的设计思路存在问题，刚开始采用的设计思路是为了使用主程序来控制电机的转动，再以延时的方式调节电机转速，最后使用定时器来控制键盘的操作；这一设计思路对于该问题的处理并不合适，因此对该思路进行了改进，使用主程序来控制着键盘操作，而电机的转动由定时器来控制，而其定时的时间决定了电机的转速。经过这一改进之后，发现上述问题得到了改善与解决，使得最终的电机转速的控制范围大大增加的同时对于电机的转速控制的精度也更高。5.2运行结果初始情况下，电机并没有正常转动，当时考虑可能的问题为虚焊，因此为了防止这一问题，先使用万用表将整个电路都做了检查，发现并没有虚焊的情况，同时控制程序也运行良好。因此又详细的对电机运行原理进行了分析，了解了电机能够实现正反转必须首先了解其四个相序。当接通电源以后，使用高电平与电机引线碰触，当每次碰触之后电机即正向或者反向转动一下，进行多次类似的碰触试验后，明确了电机的四个相序，其依次为1—A，2—C，3—B，4—D。从而，依据这一正确的相序，重新去布置电路板，并且焊接好，之后电机就可以正常运转。为确保步进电机不丢步，并根据驱动器输出的信号转动，是保证粉末包装机充填量精确的必要条件，对步进电机来讲，在下料运行一个周期过程当中可分为三个阶段，即起动加快阶段、恒速运行阶段、减速终止阶段。起动加速阶段：步进电机从静止状况逐步加速到运行速度，不一样的步进电机在不同负载下都有其不同的起动频率，只有低于这个起动频率情况下，步进电机最先起动才能保证步进电机起动时不丢步。从起动频率上升到运行频率是个加速历程。频率上升过快即加速时候太短，步进电机将会有可能丢步，要保证步进电机在起动加速阶段不丢步，应选择较低的起动频率和较慢的频率上升曲线（加速曲线）。而太低的起动频率和过慢的上升速度，将使起动加速阶段的时间太长，从而影响整机的包装速率。所以，依据差别物理特征粉末的充填选择符合的起动频率和频率上升速率至关重要。恒速运行阶段：此阶段步进电机在驱动器输出的恒定频率驱动信号作用下，按恒定转速运转。差别型号的步进电机有不同的空载最高运行频率。在不同负载下，步进电机又有其不丢步的最高运行频率。太高的运行频率将会有可能使运行丢步，而过低的运行频率将延长运行时间，从而影响包装速率，所以精确选择恒速运行阶段的运行频率同样是至关重要的。减速终止阶段：此阶段步进电机从运行速率减速至停转静止，因为步进电机拥有必定的转动惯性，故步进电机在高速运转情况下不可能瞬时立刻终止，而有一个逐渐减速直至终止的进程，而这个进程除与步进电机和螺杆传动机构的固有惯性有关以外，还与所受阻力即粉末的流动性有关。在减速终止过程中，又有频率下落速度和停止频率两个概念，对于差别的物料，要保证在减速终止阶段不丢步，就应选择尽量慢的频率下落速度和尽量低的停止频率，但过慢的下降频率和过低的终止频率将耽误减速阶段时间，从而影响包装速率。所以，在减速终止阶段，合理选择下落速率和停止频率也是至关重要的。

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