基于单片机控制的步进电机课程设计

单片机控制步进电机

第一章、概述

1.1课题简介

1.1.1步进电机简介

步进电机是一种感应电机（如左图1所示），它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电

（ 图1）

的，多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 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。

1.1.2步进电机控制工作原理

步进电机实际上是一个数字\\角度转换器，也是一个串行的数\\模转换器。步进电机的基本控制包括启停控制、转向控制、速度控制、换向控制4 个方面。从结构上看 ,步进电机分为三相、四相、五相等类型 ,常用的则以三相为主。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3 种 。

1.1.3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。

1.1.4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二六拍 ,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。

1.1.5步进电机的速度控制

如果给步进电机发一个控制脉冲 ,它就转一步 ,再发一个脉冲 ,它会再转一步。2 个脉冲的间隔越短 ,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率 ,就可以对步进电机进行调速。

1.1.6步进电机的换向控制

步进电机换向时 ,一定要在电机减速停止或降到突跳频率范围之内再换向 ,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1 个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求要有一定的脉冲宽度(一般不小于5μs)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了减速→换向→加速3 个过程。

1.2基本设计要求

此次我们所设计的是一个步进电机控制系统，可以通过按键来控制系统的启/停工作，当系统运转时，用按键来控制方向，同样由按键来选择工作模式。最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。详细的设计步骤将在下面说明。

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1.3步进电机的脉冲分配

步进电机的控制主要由脉冲分配和驱动电路两部分组成，步进电机脉冲控制的任务有三点：控制电机的转角、控制电机的转速、控制电机的转向。控制输送给电机的脉冲数就可以控制电机相应的转角数；控制输送给电机的脉冲频率就可以控制电机的转速；控制电机的转向，实际就是控制脉冲输送给电机绕组的顺序分配，这种分配称为环行分配。在数控系统中，脉冲分配器是将插补输出脉冲，按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电路的各相输入端，用以控制绕组中电流的开通和关断。同时由于电动机有正反转要求，所以脉冲分配器的输出既是周期性的，又是可逆的，因此，也可称之为环形分配器。

脉冲分配可以用硬件电路实现，也可以用软件程序实现。

1.3.1硬件环形分配

硬件环行分配器由集成电路的逻辑门、触发器等逻辑单元构成。三相六拍环形分配器由三个D触发器和若干个与非门所组成。CP端接进给脉冲控制信号，E端接电机方向控制信号（高电平或低电平信号）。环行分配器的输出端QA、QB和QC分别控制电机的A、B和C三相绕组。其原理图见图4。正向进给时环行分配器真值表见表2。

对图4进行分析可知：置E为“1”时，三相六拍的运行方式是A→AB→B→BC→C→CA…顺序轮流通电方式，称之为正转，则转子便顺时针方向一步一步转动；置E为“0”时，三相六拍的运行方式是CA→C→CB→B→BA→A…顺序轮流通电方式，称之为反转，则转子便逆时针方向一步一步转动。

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表2 正、反向进给时环行分配器真值表 CP 0 1 2 3 4 5 6

DA 1 0 0 0 1 1 1 DB 1 1 1 0 0 0 1 DC 0 0 1 1 1 0 0 QA 1 1 0 0 0 1 1 QB 0 1 1 1 0 0 0 QC 0 0 0 1 1 1 0 通电相 A AB B BC C CA A 图5所示为专用的环形分配集成芯片CH250，是专为三相步进电机设计的环形分配集成芯片，采用CMOS工艺集成，可靠性高，它可工作于单三拍、双三拍、三相六拍等方式。图所示为三相六拍的接线图，步进电机的初始励磁状态为AB相，当进给脉冲CP的上升沿有效，并且方向信号E=1时则正转，E=0时则反转。

对于不同种类、不同相数、不同分配方式的步进电机都必须重新设计不同的硬件分配电路或选用不同的集成芯片，显然有些不方便。

1.3.2软件环形分配

1、软件环形分配原理

采用MCS-51系列单片机来进行环行脉冲的软件控制，现以控制两只四相八拍电机的环行分配程序为例说明其原理。

设有X向四相步进电机，以四相八拍方式运行。按照四相八拍方式运行时的通电顺序为：正转：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→…；反转：A→AD→D→DC→C→CB→B→BA→…；设以8031的P1口作为两只电机的输出口，其对应关系如

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表3所示。

表3 两只四相电机输出口分配 Y电机 P1.7 D

P1.6 C P1.5 B P1.4 A P1.3 D C X电机 P1.2 P1.1 B P1.0 A 由于控制口的输出信号一般须经驱动电路进行反向放大，故当某P1口输出为“0”时即接通某相电机绕组，当某P1口输出为“1”时即表示不接通某相电机绕组。表4为X向电机的通电顺序。设X向电机以通电状态的顺序号作为地址，并记忆在内部RAM的52H中，把X的状态记忆在55H中，与P1口相对应，55H的低四位放X向电机的状态，当电机正转时，通电顺序号加1增大；当电机反转时，通电顺序号减1减小。把X向电机的进给方向符号放在位地址02H中，“0”表示正，“1”表示负。同时设计Y向电机的通电状态顺序号记忆在内部RAM的53H中，Y向电机的进给方向符号放在位地址03H中，55H的高四位放Y向电机的状态。

表4 X向电机的通电顺序 通电 顺序 号 1 2 3 4 5 6 7 8

输出口 P1.3 D 1 1 1 1 1 0 0 0 P1.2 C 1 1 1 0 0 0 1 1 P1.1 B 1 0 0 0 1 1 1 1 P1.0 A 0 0 1 1 1 1 1 0 16进制 状态 E C D 9 B 3 7 6 通电 相数 A AB B BC C CD D DA 环行分配时，先从52H或53H中查得当时的通电顺序号，根据相应电机在插补过程中是正向进给还是负向进给，决定是通电顺序号加1还是通电顺序号减1运算。加1后若地址超过8则赋顺序号为1，减1后若地址小于1则赋顺序号为8。根据加1减1得到的新地址查表取得新的通电状态，再把新的通电状态在适当时机送向输出口P1，完成步进电机行走一步。

2、软件环形分配流程图

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1.4步进电机的驱动电路

必须指出，由微机根据控制要求发出的脉冲，并依次将脉冲分配给各相绕组，因其功率很小，电压幅度不足5V，电流为mA级，必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培，才能驱动步进电机。因此，步进电机驱动器实际上是一个功率放大器。驱动器的质量直接影响步进电机的性能，驱动器的负载是电机的绕组，是强电感性负载。对驱动器的主要要求是：失真要小，要有较好的前后沿和足够的幅度；效率要高；工作可靠；安装调试和维修方便。

1.4.1单电源驱动电路

图6是一种实际应用的单电源驱动电路。图中的La, Lb, Lc分别是步进电机的三相绕组，每相绕组由一组放大器驱动。三相放大器完全相同，现以A组为例说明。

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放大器输入的是脉冲信号，设脉冲信号的低电平为OV，高电平为3V，输入级由开关管3DK4接成射级输出器，将输入信号电流放大，以推动输出级3DD15D。没有脉冲时，3DK4和3DD15D均截止，电机绕组中无电流通过，电机不转。

当第一个脉冲输入A端时，两级管子均饱和导通，La有电流流过，电机转动一步；第二个脉冲输入B端时，Lb得电，再转一步；第三个脉冲输入C端时，Lc得电，又转一步。当脉冲依次加到A, B, C三个输入端时，三组放大器分别驱动不同的绕组，一步一步地转动，称为三相单三拍工作方式。

电路中的二极管D起泄放作用，因为在功率管3DD15D突然关断时，在绕组L中将产生一个大的反电动势，此反电动势叠加在直流电源上加到功放管的集电级，可能会将该管击穿，有了这个二极管就能泄放L中储存的能量，从而保护了功放管。该单电源驱动电路虽然结构简单，但也存在明显的不足。由于限流电阻R是串在大电流的输出回路中，要消耗一定的能量，因此这种放大器的效率很低，且发热厉害，输出功率小，这种电路通常是用在对速度要求不高的小型步进电机中。

1.4.2高低压驱动电路

图7 是一个La绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器几组成高压控制电路。

图7步进电机的高低压驱动电路

无脉冲输入时，T1，T2，T3，T4均截止，电机绕组La中无电流通过，电机不转。

有脉冲输入时，T1，T2，T4饱和导通，在飞由截止到饱和期间，其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加，在变压器次级感生一个电压，使T3导通，80V高压经高压管几加到绕组La上，使电流迅速上升，约经数百微秒，当T2进人稳压状态后，Tp初级电流暂时恒定，次级的感应电压降到0，T3截止，这时12V低压电流经D2加到绕组La上，维持La中的电流为恒定值。

输入脉冲结束后，, T1，T2，T3，T4又均截止，储存在La中的能量通过18Ω的电阻和二极管泄放，18Ω的电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形后沿。由于采用高低压驱动，电流增长快，电机的力矩和运行频率都得到

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改善，但由于电机转动时产生的反电势，使电流波形顶部下凹，使平均电流下降，转矩下降。

1.4.3斩波恒流功放电路

斩波恒流功放电路是利用斩波方法使电流恒定在额定值附近。典型斩波恒流电路如图8：

如图，步进方波信号在有效期不断重复，在绕组中保持在额定电流值上下似锯齿波形。

斩波驱动电路虽然复杂，但它的优点比较突出：绕组的脉冲电流边沿陡，快速响应好；功耗小，效率高；因为电路无外接电阻Rc，而采样电阻Re又很小(一般为0.2欧姆左右)，所以整个系统的功耗下降很多，相应地提高了效率；输出恒定转矩。由于采样电阻Re的反馈作用，使绕组中的电流可以恒定在额定的值。

1.4.4细分驱动电路

细分驱动电路的功率放大部分有线性放大型和开关放大型两种。典型电路图分别如图9中的（a）和(b)。

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第二章、系统的总体设计

主要由单片机AT89C51，步进电机驱动芯片ULN2003A，2相6线步进电机，按键及一些其他相关元件设计而成。总体框图如下图2

驱步进电 控 动芯片机 制 信 号 AT89C51 ULN20 03A （ 图2） 2.1．硬件设计 2.1.1．AT89C51简介

单片机（如图3）：本次设计使用单片机芯片AT89C51

AT89C51的工作特性：

·内含4KB的FLASH存储器檫写次数1000次；

·内含128字节的RAM； ·具有32根可编程I/O线； ·具有2个16位编程定时器

·具有6个中断源，5个中断矢量，2级优先权的中

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断结构； （图3） ·具有1个全双工的可编程串行通信接口； ·具有1个数据指针DPTR； ·具有可编程3级程序锁定位；

·AT89C51的工作电源为5（1±0.2）V且典型值为5V； ·AT89C51最高工作频率为24MHZ；

·AT89C51的编程频率为3~24MHZ，编程启动电流和启动电压 分别为1mA、5或12V。

2.1.3 驱动芯片的选择和介绍

LN2003也是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平。如图4所示 功能特点： 高电压输出50V 输出钳位二极管

输入兼容各种类型的逻辑电路

应用继电器驱动器。

2.2软件设计

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第三章、调试与仿真 3.1Keil程序调试

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3.2 Proteues仿真调试

第四章、课程设计小结

这次课程设计让我受益匪浅，无论从知识上还是其他的各个方面。上课的时候的学习从来没有见过真正的单片机，只是从理论的角度去理解枯燥乏味。但在设计中见过甚至使用了单片机及其系统，能够理论联系实际的学习，开阔了眼界，提高了单片机知识的理解和水平。在这次课程设计中又让我体会到了合作与团结的力量，当遇到不会或是设计不出来的地方，我们就会在QQ群里讨论或者是同学之间相互帮助。团结就是力量，无论在现在的学习中还是在以后的工作中，团结都是至关重要的，有了团结会有更多的理念、更多的思维、更多的情感。 单片机是很重要的一门课程，老师和一些工作的朋友都曾说过，如果学好一门单片机，就凭这个技术这门手艺找一个好工作也不成问题。尽管我们在课堂学到的内容很有限，但在以后的学习中单片机还需要好好的深入研究和学习，学好了单片机也就多了一项生存的本钱。最后感谢老师对我们的精心指导和帮助，感

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谢同学们对我的帮助。

参考文献

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附件：原理图