2021年度基于单片机的步进电机控制系统设计

毕 业 设 计

摘 要

步进电机是数字控制系统中一个实施元件,它能根据控制脉冲要求,

快速起动,制动,正反转和调速。含有步距角精度高,停止时能自锁等特点,

尤其是在开环控制系统中得到了日益广泛应用。

本文以单片机和环形脉冲分配器为关键设计步进电机控制系统,

经过软硬件设计调试,实现步进电机能依据设定参数进行自动加减速控制,

使控制系统以最短时间抵达控制终点,而又不发生失步现象;

硬件是以ATC51单片机为关键控制电路,关键包含:环形脉冲分配器、
同时它能正确地控制步进电机正反转,开启和停止。

关键词:步进电机控制系统;调速;单片机

Abstract
Steppingmotor is a kind of digital control system components. It

canachieve quick start-up, positive inversion, stopping and speed

control,according to the control pulse. It has high precision step angle,

andcan be self-locking when it keeps still. As these characteristics,

steppingmotor in automatic control system, especially in the open loop

controlsystem has been widely applied.

Thisarticle mainly focuses on taking Single-chip Computer and

cyclepulse distributor as the core, and designing the stepping motor

control system. Through the design of the software and hardware
system arrive the end point with the shortest time, but not occurouting

ofstep. Besides it can accurately achieve start-up, positive inversion

andshutdown. Hardware takes ATC51 as the core of control circuit,

mainlyincluding: cycle pulse distributor, keyboard and display circuit,

steppingmotor driving circuit, etc. Software part adopts the C language

programming,mainly including keyboard and display program, stepping

motorspeed control program, stop judging program, etc.

Key words: Stepping motor control system; speed control;Single-chip

Compute

目录

摘 要....................................................I

Abstract......................................................................................II

目 录........................................................................................I

第一章 引言..............................................................................1

1.1 课题提出背景和研究意义.............................1

1.2 课题关键研究内容...................................2

第二章 步进电机控制系统设计......................................................3
1.3 本章小结..........................................2

2.1.2 三相双三拍通电方法...............................5

2.1.3三相六拍通电方法.................................6

2.2 环形脉冲分配器.....................................8

2.3 续流电路.........................................12

2.3.1二极管续流.....................................13

2.3.2二极管—电阻续流................................14

2.4 步进电机驱动电路..................................15

2.5 步进电机变速控制..................................17

2.5.1变速控制方法...................................20

2.6 步进电机在自动生产线中应用.........................20

2.7 本章小结.........................................22

第三章 控制系统硬件设计..........................................................23

3.1 硬件系统设计标准..................................23

3.2 控制系统组成.....................................24

3.3 关键元件选择.....................................24

3.3.1单片机选择.....................................24

3.3.2EPROM选择.....................................25

3.4 控制系统接口电路设计..............................28
3.3.3可逆计数器选择.................................27

3.4.2 显示电路设计...................................29

3.4.3外部复位电路设计................................30

3.5 控制系统整体电路设计..............................31

3.6 本章小结.........................................32

第四章 控制系统软件设计..........................................................32

4.1 软件系统设计标准..................................32

4.2 步进电机控制系统功效设计...........................33

4.3 主程序设计.......................................34
4.3.1主程序工作过程.................................34

4.3.2主程序工作步骤图................................35

4.3.3定时器T0中止程序步骤图..........................35

4.4 Proteus仿真......................................38

4.5 显示程序设计.....................................40

4.6 键盘程序设计.....................................41

4.7 调速程序设计.....................................42

4.7.120BY步进电机参数...............................42

4.7.2步进电机转速和频率关系..........................42

4.8 本章小结.........................................44

参考文件......................................................................................45
第五章 结束语..........................................................................44

第一章引言

1.1 课题提出背景和研究意义

因为步进电机不需要位置传感器或速度传感器就能够实现定位,

这有利于装置或设备小型化和低成本,所以步进电机在计算机外围设备、

数控机床和自动化生产线等领域中全部得到了广泛应用。

对于一个步进电机控制系统而言,总期望它能以最短时间抵达控制终点。

另外,通常步进电机对空载最高开启频率全部是有所。
所以要求步进电机速度尽可能地快,但假如速度太快, 则可能发生失步。

带 负 载 能 力 越 差 。 当 步 进电机 开 启 后 ,

进入稳态时工作频率又远大于开启频率。由此可见,

一个静止步进电机不可能一下子稳定到较高工作频率,

必需在开启时有一个加速过程。从高速运行到停止也应该有一个减速过程,

预防步进电机因为系统惯性原因,而发生冲过终点现象。

为此本文以单片机作为控制关键,实现步进电机自动加减速控制,

使系统以最短时间抵达控制终点,而又不发生失步现象。

因为步进电机转速正比于控制脉冲频率,所以调整步进电机转速,

实质上是调整单片机输出脉冲频率【1】。

因为步进电机运动特征受电压波动和负载改变影响小,

方向和转角控制简单,而且步进电机能直接接收数字量控制,

失步或过冲全部会直接影响其控制精度。研究步进电机加减速控制,

能够提升步进电机响应速度、平稳性和定位精度等性能,

从而决定了步进电机控制系统综合性能。

1.2 课题关键研究内容

经过查阅文件对步进电机单拍运行、双拍运行、
1、步进电机工作原理

单

深入了解多种运行方法特点和对步进电机控制性能影响。

2、环形脉冲分配器设计

研究环形脉冲分配器作用和组成,并设计出可靠、

灵活环形脉冲分配器电路。

3、步进电机续流电路

依据步进电机控制特点,分析续流电路对步进电机控制性能影响,

并设计步进电机续流电路。

对步进电机控制系统软硬件进行分析和设计。

5、程序调试及修改

用Keil软件进行编程和调试,而且在Proteus环境下进行系统仿真。

1.3 本章小结

本章首先介绍了课题研究背景,提出设计思绪。

其次介绍了课题研究目标和意义,最终介绍了课题关键研究内容。

第二章步进电机控制系统设计
反应式步进电机工作原理是和反应式同时电机一样,

也是利用转子横轴磁阻和直轴磁阻之差所引发反应转矩而转动,图2.1

所表示是一台反应式步进电机工作原理,定子铁心为凸极式,共有三相,

六个磁极,不带小齿,磁极上装有控制绕组,相正确两个磁极串联连接,

组成一相控制绕组。转子用软磁材料制成,也是凸极结构,只有两个齿,

齿宽等于定子极靴宽【2】。

2.1.1 三相单三拍通电方法

这是步进电机一个最简单工作方法,所谓“三相”,即三相步进电机,

含有三相定子绕组;“单”指每次只有一相绕组通电;

“三拍”指三次换接为一个循环,第四次换接反复第一次情况。

当A相绕组通电图2.1(a) 所表示,而B相和C相不通电时,

因为磁场对转子铁心电磁吸力,使转子轴线对准A相磁极轴线。

这种现象也能够这么来了解,A相通电时,转子对定子相对位置不一样,

则磁路磁阻也不一样,使A相磁路磁阻为最少转子位置,

就是该时稳定平衡位置,即转子稳定在转子轴线和A相磁极轴线相重合位置。

B相达成转子轴线和B相磁极轴线相重合位置,即转子走过一步,

同理将使转子按顺时针方向再走一步。如此按A-B-C-

A次序使三相绕组轮番通电,则转子依顺时针方向一步一步地转动。

假如改变三相绕组通电次序为A-C-B-A显然步进电机将按逆时针方向转动。

上述三相三拍运行,表示三种通电状态为一个循环,即三次通电状态改变后,

又恢复到起始状态,一拍对应转子转过角度称为步距角,通常见θs表示,

（a）A相通电（b）B相通电（c）C相通电

图2.1三相反应式步进电机原理

假如将上图反应式步进电机转子制成四极（或称为四个齿）结构,

图2.2所表示,则按三相单三拍运行时,转子步距角也将发生改变。

当A相通电时图2.2(a)所表示, 转子齿1、3对准A相磁极轴线重合,
转子又将逆时针方向转动30°, 转子齿1、3对准C相磁极轴线位置,

由此可见,每通电一次转子转过角度为30°即每步转过步距角为30°。

(a)A相通电 (b)B相通电 (c)C相通电

图2.2转子为四极三相步进电机

2.1.2三相双三拍通电方法

假如将步进电机控制绕组通电方法改为:AB-BC-CA-AB或AC-CB-BC-
为BC相通电情况,可见转子每步转过角度为30°和单三拍运行方法相同,

每拍使步进电机从一个状态转变为另一个状态时,总有一相绕组保持通电。

比如由AB相通电变为BC相通电时,B相保持继续通电状态,

C相磁极力图使转子逆时针转动,而B相磁极却起阻止转子继续向前转动作用,

即起到一定电磁阻尼作用,所以步进电机工作比较平稳,三相单三拍运行时,

因为没有这种阻尼用,所以转子抵达新平衡位置后会产生振荡,

(a)AB相通电 (b)BC相通电

图2.3三相双三拍运行方法

2.1.3三相六拍通电方法

这是一个将一相通电和两相通电结合起来运行方法,其具体通电方法为:
这时步进电机工作情况图2.4所表示, 图2.4(a)为A相通电时情况,转子齿1、

3磁轴和A相磁极轴线重合,当通电状态由A转为AB时,步进电机状态图2.4(b)

所表示,转子齿1、3磁极离开A相磁极轴线,即转子逆时针转过15°。

通电方法由AB转为B时,步进电机状态图2.4(c)所表示,转子齿2、

3磁极轴线离开A相磁极轴线30°角,即转子又逆时针方向运行了一步,

对应角度为15°如这类推,可见步进电机每走一步,将转过15°,

六拍运行方法和双三拍相同,由一个通电状态转变为另一通电状态时,

也总有一相继续保持通电,一样含有电磁阻尼作用,工作也比较平稳。

(a)A相通电 (b)AB相通电

(c)B相通电 (d)BC相通电

图2.4三相六拍通电方法

经过分析可知一台步进电机能够有不一样通电方法,

即能够有不一样拍数。拍数不一样时,其对应步距角大小也不一样,

拍数多则步距角小。通电相数不一样也会带来不一样工作性能。另外,

也能够看到同一个通电方法,对于转子磁极数不一样步进电机,

也会有不一样步距角。步距角θs可由式(1-1)求得【3】

θs=360°/mKZR (1-1)

式中m—控制绕组相数;

ZR —转子齿数;

K—和通电方法相关状态系数,当通电方法为单拍,即拍数和相数相同,

K=1;为双拍时,即拍数为相数两倍时,K=2。

2.2 环形脉冲分配器

必需根据该种步进电机励磁状态转换表所要求状态和次序依次对各相绕组进
要 使 步 进 常 工 作 ,

行

环形分配器关键功效是把单片机发出脉冲信号按一定规律分配给步进电机驱

动电路,控制绕组导通和截止。同时步进电机有正反转要求,

所以环形脉冲分配器输出现有周期性又有可逆性。

能够说环形脉冲分配器是一个特殊可逆循环计数器, 但它输出不是通常编码,

而是步进电机励磁状态所要求特殊编码【4】。

控制器和驱动器之间连接方法可分为串行控制和并行控制。串行控制时,

控制器输出脉冲信号和方向电平,环形脉冲分配器把它转换成并行驱动信号,

再控制绕组导通和截止。控制脉冲信号有没有就能控制步进电机运行和停止,

脉冲信号频率决定步进电机运行速度,方向电平控制步进电机运转方向。

并行控制时,控制器直接输出各相绕组导通和截止信号,

此时环形脉冲分配器在控制器中,由软件来替换环形脉冲分配器功效,

不管是串行控制还是并行控制必需有环形脉冲分配器这个步骤。

步进电机按类型、相数来划分种类繁多,不一样种类、不一样相数、

不一样分配方法全部必需有不一样环形脉冲分配器,

所以所需要环形脉冲分配器类型是很多。假如全部用硬件来搭成,

结构是相当复杂,不能满足步进电机驱动系统需要,

为此提出一个用EPROM搭建环形分配器,以满足不一样要求。

存放器内容能够由使用者自己编程,且能够用紫外线照射后重新使用。
EPROM存放器是一个紫外线擦除可编程只读存放器,

首先确定步进电机励磁状态转换表,再以二进制码形式存入EPROM存放器中,

只要根据地址正向或反向次序依次取出地址内容,

用EPROM搭建环形脉冲分配器原理框图图2.5所表示,它由两部分组成。

前面是一个可逆循环计数器,计数脉冲有没有控制步进电机运行和停止,

计数器加减控制端控制步进电机正反转,假如低电平时计数器加计数,

步进电机正转,假如高电平时计数器减计数,步进电机反转。

计数器计数长度应等于步进电机运行一个周期拍数或拍数整数倍,
计数器输出端接到EPROM地址线上,而且使EPROM总是处于读出状态,

这么计数器每个计数状态全部对应存放器一个地址,

简单说存放器存入是一个环形脉冲分配器状态输出表,

计数器每输入一个脉冲,计数器计一个数,这个数值就会选通存放器一个地址,

存放器就输出一个数据,即步进电机一个励磁状态。假如计数器做加计数,

则存放器按地址递增方向依次读取状态表内容,相反,计数器做减计数,

则存放器按地址递减方向依次取出状态表内容,从而控制步进电机正反转。

用EPROM设计环形脉冲分配器,含有以下特点:

1、线路简单。由可逆循环计数器和存放器两部分组成,

计数器能够用现有器件实现,计数长度能够用简单外围电路实现。

对EPROM存放器关键工作是编程,存放状态表,所以工作量小。

2、一个线路能够实现多个励磁状态方法分配,

只要在不一样地址区域存放不一样状态表,除软件工作之外,硬件无需改动。

3、可排除非法状态。驱动电路输入非法状态可能会损坏驱动电路。
存放器中存放内容,除了在选通地址存放所需状态表之外,

其它没用地址全部存放各相截止信号。所以即使有非法地址输入,

输出端输出全部是截止信号,能够保护驱动器不受损坏。

所以存放器输出状态也必需按拍数循环出现,这就要求计数器是可逆计数器,

使用RPROM设计环形脉冲器是一个软硬件结合技术,

经过软件编程能够实现不一样励磁方法输出。

由上可见,这种方法适适用于控制任意类型步进电机。

对于不一样步进电机及不一样励磁方法,只需改变存放状态表,

速度快, 少占用CPU时间,提升了系统响应速度。软件方法优点是节省硬件,
硬件不需要做任何改变。跟软件方法相比,需要增加硬件成本, 但软件简单,

降

其关键缺点是占用CPU时间较多,降低系统响应速度。

由EPROM和可逆计数器组成环形脉冲分配器图2.6所表示,

计数器选择74LS191,74LS191是四位二进制进制可逆计数器,

计数器输出QA~QD直接接到EPROM低四位地址线A0~A3,

这么能够选通2716十六个地址（00H~0FH）。

74LS191第五脚为加减法输入控制端,该输入端作为方向输入控制信号,

当低电平时做加法计数,为正转状态。当为高电平时做减法计数,

为反转状态。74LS191数据输入端A、B、C、D各管脚接地,

11脚是置数端,当它为高电平时74LS191为计数状态,当它为低电平时,

2716管 脚 OE和 CE分别 为输 出 许 可 和片 选 端 ,计数器停止计数,把数据端内容（ABCD）装入计数器。

可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方法。单四拍和双四拍步距角相等,

八拍工作方法步距角是单四拍和双四拍二分之一,所以,

八拍工作方法既能够保持较高转动力矩又能够提升控制精度。

所以本文选择步进电机八拍工作方法。EPROM存放内容如表2.1所表示。

表2.1四相步进电机八拍工作方法存放状态表

地址	内容	D C B A	励磁状态
00H	01H	0001	A
01H	03H	0011 下	载高清

02H	02H	0010	B
03H	06H	0110	BC
04H	04H	0100	C
05H	0CH	1100	CD
06H	08H	1000	D
07H	09H	1001	DA
08H	01H	0001	A

2.3 续流电路

步进电机控制性能,和各相绕组导通和截止时电流增加和衰减速度相关,

对于加速度大、或运行速度高步进电机,当转换速度增加时,
断电相绕组中衰减电流对步进电机起制动作用。

图2.7所表示为一相励磁时等效电路。L为绕组电感,

R为串联回路总电阻,E为反电动势。当步进电机为锁定状态时,