三相双三拍步进电机控制系统设计.doc

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1、中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 摘要进步电机是几点数字控制系统中常用的控制元件之一。由于其精度高，体积小，控制方便灵活，因此在智能仪表和位置中得到广泛的应用。 步进电机是机电控制中一种常见的执行机构。步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、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

2、场合步进电机用得最多。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。他易于实现与计算机或其他数字元件接口，适用于数字控制系统。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

3、写控制程序，实现三相步进电机在双三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 步进电机的概述2.1 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最高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

4、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

5、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

6、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。电机出厂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

7、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。4)保持转矩（HOLDINGTORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，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

8、持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。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错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，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

9、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。若步进电机的励磁方式为三相六拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。其他方式情况类似。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

10、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。最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80c51单片机整体控制LED显示模块开关选择电机工作模式LED显示灯显示电机工作状态三相步进电机模块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

11、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，但最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最为简单的一种驱动电路，它在本质

12、上是一个单间的反相器。它的最大特点是结构简单，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

13、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 硬件电路的设计4.1 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（FPEROMFAlsh 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

14、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。4.1.1 单片机的引脚功能1）VCC（40）：电源+5V。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/备用电源输入端。 7）EA/VPP（31）：内/外部ROM选择端8）P0口（39-3

15、2）：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最简单的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理.4.2.1 三相双三拍通电方式控制绕组的通电方式为AB-BC-CA-AB 或AB-CA-BC-AB 每拍同时有两相绕组通电三拍为一个循环，当A B 两相控制绕组同时通电时转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A 相极和B 相极对转子齿所产生的磁拉力相平

16、衡才是转子的平衡位置如4-2-2 B 所示，可见双三拍运行时的步距角仍是30,但双三拍运行时每一拍总有一相绕组持续通电，例如由A B 两相通电变为B C 两相通电时，B 相保持持续通电状态C 相磁拉力图使转子逆时针方向转动，而B 相磁拉力却起有阻止转子继续向前转动的作用。即起到一定的电磁阻尼作用所以电机工作比较平稳，而在三相单三拍运行时由于没有这种阻尼作用，所以转子达到新的平衡位置容易产生振荡稳定性不如双三拍运行方式。三相双三拍运行方式AB相与BC相导通的结构如图4.2.1所示： 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

17、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2/3 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。1)单步运行状态单步运行状态是指步进电动机在一相

18、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，那么矩角特性应向前移动一个步距角* MERGEFORMAT 变为曲线B，* MERGEFORMAT 点为新的稳定平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=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稳定平衡位置，移动直至到达* MERGEFORMAT点为止对应它的静稳定区为止，即改变通电状态的瞬间只要转子在这个区

19、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。4.2.2 最大负载能力 步进电动机带恒定负载时负载转矩为* MERGEFORMAT，* MERGEFORMAT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* MERGEFORMAT点，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

20、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* MERGEFORMAT ，电机在该转矩的作用下转过一个步距角到达新的稳定平衡点OB5 软件的设计5.1 键盘子程序的设计 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5.3 转速快慢程序流程图 5.3 转速快慢程序流程图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

21、4位LED显示工作步数。根据设计要求用PROTEUS所做的硬件连线图如下图1：图6.1 总体硬件连线6.2 步进电机控制电路 6.2.1启/停控制、正/反转控制、工作模式控制电路分析 原理图如下： 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，KO接电时，为步进电机单三拍工作模式；K1接电时，为步进电机双三拍工作模式；K2接电时，步进电机工作模式为三相六拍。6.2.2步进电机控制电路 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

22、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 指示灯接线图由80c51的P0口取出显示码，从80c51的P2.0-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接线图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 * MERGEF

23、ORMAT 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，与中心线相差3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 总结通过这两个多星期的课程设计，把所学过的各种知识进行了一次全面而系统的综合，并融会贯通，把所学到的各种理论与思想进行可一次合理的应用，把所查阅到的各种文献及与设计相关的资料进行了合理的提取与分析，并应用到实际。这不但增强了自己

24、的知识结构，同时对所学过的各种理论知识与专业知识进行了一次全面的终结。由于不断的上机操作与实践，不但加强了自己动手能力，同时对一些计算机软件的应用有了一定的掌握与理解，并加强了网上学习和查阅资料的能力。 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,1997.2 秦曾煌. 电工学 . 北京:高等教育出版社,1999.3 常斗南,等. 可编程序控制器原理、应用、实验 北京:机械工业出版社,1998.4 于海生,等. 微型计算机控制技术 . 北京:清华大学出版社,1999.5 王福瑞,等.单片机微机测控系统设计 北京:北京航空航天大学出社,1998.6 陈理壁. 步进

25、电机及其应用M . 上海: 上海科学技术出版社,1989.7 刘保延,等. 步进电机及其驱动控制系统哈尔滨工业大学出版社,1997.8 季维发,过润秋,严武升等. 机电一体化技术.北京:电子工业出版社,1995.9 郭敬枢,庄继东,孔峰. 微机控制技术. 重庆:重庆大学出版社,1994.10 刘国荣. 单片微型计算机技术 北京:机械工业出版社,1996.11 何立民. 单片机应用技术选编 北京:北京航空航天大学出版社,1993.12 潘新民等: 单片微型计算机实用系统设计北京: 人民邮电出版社, 1992.13 王润孝,秦现生编著1 机床数控原理与系统1 西北工业大学出版社,1997.14 李

26、伯成,侯伯李等编1IBM - PC 微机应用系统设计西安电子科技学,1996.15 黄义源主编1 机械设备电气与数字控制中共广播电视大学出版社,1992. 附录总程序如下：#include #include void delay1(void); void delay2(void); void display(int); int bs=0;main() char a,b,c,d,j,*q, done18=0x01,0x02,0x04,0x00,0x01,0x04,0x02,0x00, done28=0x03,0x06,0x05,0x00,0x03,0x05,0x06,0x00, done314=

27、0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05,0x00,0x01,0x05,0x04,0x06,0x02,0x03,0x00; P3=0x20; delay1(); L: a=P3; while(!(a&0x08) /判断是否启动，若没启动则重新启动 P3=0x20; a=P3; delay1(); a=P3; /判断工作模式 if(a&0x01) /方式1模型 q=done1; if(a&0x02) /方式2模型 q=done2; if(a&0x04) /方式3模型 q=done3; if(a&0x10) /判断电机是否要正转 P3=0x80; /P3.4口为1，电机正转 b=

28、0; else P3=0x40; /P3.4口为，电机反转 if(a&0x04)b=7; else b=4; d=b; while(1) c=*(q+b); /判断电机步数是否走完 if(c=0)b=d; /步数走完，电机重新再走 else P1=c; /从P1输出电机控制信号 b+; bs+; /总步数加1 display(bs); /显示步数 j=a; a=P3; if(a!=j) /判断P3口状态信号是否改变 if(!(a&0x08)bs=0; /若为停止信号，总步数清零 goto L; /状态信号改变，返回到开始，重新对电机控制 void delay1() int i,j; for(i

29、=0;i200;i+) for(j=0;j300;j+); void display(int n)unsigned char tab10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x67; unsigned char i,k,t,num4; num0=n%10; /将总步数的各位分别存在num数组中 num1=(n/10)%10; num2=(n/100)%10; num3=(n/1000)%10; for(t=0;t50;t+) /扫描50次 k=0x08; /位选码指向最左一位,第四位 for(i=0;i1; /求下一个位选码 delay2(); void delay2() int i,j; for(i=0;i10;i+) for(j=0;j60;j+); 21