三相雙三拍步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、中北大學信息商務學院計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書摘要進步電機是幾點數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的控制元件之一。由于其精度高，體積小，控 制方便靈活，因此在智能儀表和位置中得到廣泛的應用。步進電機是機電控制中一種常見的執(zhí)行機構(gòu)。步進電機最早是在1920年由英國人所開發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進電機上，這對于數(shù)字化的控制變得 更為容易。以后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分 解性能、高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、 省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控 制、需要精確操作各項指令動作的靈活

2、控制性場合步進電機用得最多。步進電機作為執(zhí) 行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微 電 子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民 經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。 他易于實現(xiàn)與計算機或其他數(shù)字元件接口，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。261課程設(shè)計任務和要求課程設(shè)計任務設(shè)計一個三相步進電機控制系統(tǒng)，設(shè)計一個計算機步進電機程序控制系統(tǒng)，可以對 步進電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向以及位置進行控制。通過設(shè)計，掌握步進電機的工作原理、掌握 步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計原理、設(shè)計步驟，進一步提高綜合運用知識的能力。要求完成的主要任務：(1)設(shè)計接口電路和驅(qū)動電路，對步進電機進行控制。(2)選擇控

3、制算法，編寫控制程序，實現(xiàn)三相步進電機在雙三拍工作方式下先正轉(zhuǎn)90度，然后再反轉(zhuǎn)60度，要求其速度可調(diào)，轉(zhuǎn)向可控。(3)寫出設(shè)計說明書。課程任務要求(1)查閱資料，確定設(shè)計方案(2)選擇器件，設(shè)計硬件電路，并畫出原理圖和 pcbs(3)畫出流程圖，編寫控制程序(4)撰寫課程設(shè)計說明書2步進電機的概述2.1 步進電機的特點1) 一般步進電機的精度為步進角的 3-5%,且不累積。2)步進電機外表允許的溫度高。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁， 從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材 料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至

4、高達攝氏200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 80-90度完全正常。3)步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電 感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率(或 速度)的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4)步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步 進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖 頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即 啟動頻率較低，然

5、后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。2.2 步進電機的工作原理步進電機是一種用電脈沖進行控制 ，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相位移的電機，具機械位 移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率成正比，每一個脈沖信號可使步進電機旋轉(zhuǎn)一個固定的角度.脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了電機運 轉(zhuǎn)的速度.當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個 固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控 制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來 控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。

6、2.3 步進電機的技術(shù)參數(shù)1）空載啟動頻率即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機 不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率更低。如果要使電 機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后一定加速度升到所 希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。2）電機固有步距角它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一 個步距角的值，如86byg250即電機給出的值為0.9 ° /1.8。（表示半步工作時為0.9 °、 整步工作時為1.8° ）,這個步距角可以稱之為電機固有步距角，它不

7、一定是電機 實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。3）步進電機的相數(shù)是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機 相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9° /1.8 °、三相的為0.75 0/1.5 °、五相的為0.360 /0.72 0 0在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的 步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則相數(shù)將變得沒有意義， 用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。4）保持轉(zhuǎn)矩（holding torque是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電

8、機最重要的參 數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度 的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進 電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2n.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是 指保持轉(zhuǎn)矩為2n.m的步進電機。2.4 步進電機的內(nèi)外結(jié)構(gòu)步進電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別 與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/32/3 t,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示）,即a與齒1相對齊，b與齒2向右錯開1/3 t, c與齒3向右錯開2/3 t, a'與齒5相對 齊，（a'就是a,齒5就

9、是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開如圖2.4.2所示：3步進電機控制工作原理3.1 步進電機的啟?？刂撇竭M電機由于其電氣特性，運轉(zhuǎn)時會有步進感，即振動感。為了使電機轉(zhuǎn)動平滑 ， 減小振動，可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細分的梯形波，可以減小步進電機的步進角,提高電機運行的平穩(wěn)性。在步進電機停轉(zhuǎn)時 ，為了防止因慣性而使電機 軸產(chǎn)生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進電機的轉(zhuǎn)軸，使步 進電機的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。3.2 步進電機的轉(zhuǎn)向控制如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)。若步進電機的勵磁方式為三相六 拍，即a-ab-b-bc-c-ca。如果按反序通電換相，即則電機就反轉(zhuǎn)

10、。其他方式情況類似。 3.3系統(tǒng)設(shè)計思路此次我們所設(shè)計的是一個步進電機控制系統(tǒng)，主要由單片機80c51, 3相步進電機，7段數(shù)碼管，及一些其他相關(guān)元件設(shè)計而成?？梢酝ㄟ^開關(guān)來控制系統(tǒng)的啟/停工作，當系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時，用開關(guān)來控制方向，并使相應的指示燈亮起，同樣由開關(guān)來選擇工作模式。運轉(zhuǎn)時，用4位7段數(shù)碼管來輸出步數(shù)。最后根據(jù)思路所設(shè)計出來的硬件圖設(shè)計相適應的軟件。3.4 系統(tǒng)的整體框圖3.5 驅(qū)動方式的確定并于步進電機的驅(qū)動一般有兩種方法，一種是通過 cpus接來驅(qū)動，這種方法一般 不宜采用，因為cpu勺輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進電機的轉(zhuǎn)動；別一種 是通過cp皿間接驅(qū)動，就是把從cpu俞

11、出的信號進行放大，然后直接驅(qū)動或是再通過 光電隔離間接來驅(qū)動步進電機，這種方法比較安全可靠。固本次設(shè)計應采用cpu同接驅(qū)動步進電機。用編碼器還的測速發(fā)電機作為轉(zhuǎn)速測量工具，因為選擇了閉環(huán)控制，就必須 有反饋元件，反饋元件一般有兩種，一種是采用同軸的測速發(fā)電機，把步進電機的轉(zhuǎn)速反饋回來，然后通過顯示器顯示出來并對步進電機進行調(diào)節(jié)；別一種是通過光同軸的電 編碼器把步進電機的轉(zhuǎn)速反饋回來對步進電機進行調(diào)節(jié)；兩者相比，后者的設(shè)計比較簡 單，價格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光電騙碼器作為反饋元件。3.6 驅(qū)動電路的選擇步進電機的驅(qū)動電機有多種，但最為常用的就是單電壓驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、斬波驅(qū)

12、 動、細分控制驅(qū)動等。單電壓驅(qū)動是步進電機控制中最為簡單的一種驅(qū)動電路，它在本 質(zhì)上是一個單間的反相器。它的最大特點是結(jié)構(gòu)簡單，因它的工作效率低，特別是在高 頻下更顯的突出。它的外接電阻 r要消耗相當一部分的熱量，這樣就會影響電路的穩(wěn)定 性所以此種驅(qū)動方式一般只用在小功率的步進電機的驅(qū)動電路中。雙電壓驅(qū)動是電路一 般采用兩種電源電壓來驅(qū)動，因這兩個電源分別是一個為高壓一個為低壓，因此也稱為 高低壓驅(qū)動電路。雙電壓驅(qū)動電路的缺點是在高低壓連接處電流出現(xiàn)谷點，這樣必然引 起力矩在谷點處下降。不宜于電機的正常運行。對于斬波電路驅(qū)動則可以克服這種缺點， 并且還可以提高步進電機的效率。別一種是用單片機采

13、用數(shù)子脈寬調(diào)制的方法獲得階梯 電流，這種方法需要復雜的計算可使細分后的步距角一致。但因本次設(shè)計對步進電機的 精度要求比較高轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍比較廣，固應選用驅(qū)動芯片8713來驅(qū)動，并通過軟件來實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。4硬件電路的設(shè)計4.1 單片機的選擇本次設(shè)計以cpu4用89c51作為步進電機的控制芯片.89c51的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編 程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上.使用方便等優(yōu)點，而且完全兼容mcs51系列單 片機的所有功能。at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(fpero>m falsh programmable and erasable read only mem

14、ory )的低電壓，高性能 cmos粒微 處理器，俗稱單片機。該器件采用 atmel5密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標 準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpuf口閃爍存儲器組合在單個 芯片中，atmel勺at89c51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈 活性高且價廉的方案。4.1.1 單片機的引腳功能1) vcc(40):電源+5v。2) vss (20):接地，也就是 gnd3) xtl1 (19)和 xtl2 (18):振蕩電路。4) psen(29):片外romfe通信號，低電平有效5) ale/prog30):地址鎖存信號輸出端/epro

15、m®程脈沖輸入端6) rst/vpd(9):復位信號輸入端/備用電源輸入端。7) ea/vpp (31):內(nèi)/外部ro延擇端口。8) p0 口(39-32):雙向 i/o 口。p1 口(1-8):準雙向通用 i/09) p2 口(21-28):準雙向i/0 口。原理圖如4.1.1所示：p1. 0 fl. 1 p1. 2 fl 3 pl 4 pl 5 f1.6 p1. 7 eeset exd/p3. 0 txd/p3. 1 iht0/p3 2 imt1/p3. 9 t0/p3. 4 t1/p3. 5 wps. 6 m/f3. t xtal2 xtal1pdif vesc1=40 239

16、 1e338 1e437 jl536 r&35 1l:734 jl:833 jr932 jlic31 l1130 1r1229 l1328 1427 jl152b l1625 l1724 jlis23 jl1322 2c21 itccpu. oi/ado pd. 1/ad1 p0. 2/ad2 pcl 3/ad3 po, 4/ad4 pll 5/ad5 po. 6/ad6 pll 7/ad?ea/vpp ale/prj5& psemp2. 7/ad1 5 p2. 6/ad14 p 2.5/ad13 p2. 4/ad1 2 f2 3/ad11 f2. 2/ad10 p2, 1/a

17、d9 p2. 0/ad8圖4.1 at89c51的引腳圖4.2 步進電機的選擇反應式步進電動機是利用凸極轉(zhuǎn)子交軸磁阻與直軸磁阻之差所產(chǎn)生的反應轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn) 動的所以也稱為磁阻式步進電動機現(xiàn)以一個最簡單的三相反應式步進電動機為例說明其 工作原理.4.2.1 三相雙三拍通電方式控制繞組的通電方式為 ab-bc-ca-ab或ab-ca-bc-ab每拍同時有兩相繞組通電三拍 為一個循環(huán)，當ab兩相控制繞組同時通電時轉(zhuǎn)子齒的位置應同時考慮到兩對定子極的 作用，只有a相極和b相極對轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力相平衡才是轉(zhuǎn)子的平衡位置如 4-2-2 b所示，可見雙三拍運彳t時的步距角仍是30° ,但雙三拍運行

18、時每一拍總有一相繞組持續(xù)通電，例如由 ab兩相通電變?yōu)閎c兩相通電時，b相保持持續(xù)通電狀態(tài) c 相磁拉力圖使轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動，而b相磁拉力卻起有阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動的作用。 即起到一定的電磁阻尼作用所以電機工作比較平穩(wěn)，而在三相單三拍運行時由于沒有這 種阻尼作用，所以轉(zhuǎn)子達到新的平衡位置容易產(chǎn)生振蕩穩(wěn)定性不如雙三拍運行方式。三 相雙三拍運行方式ab相與bc相導通的結(jié)構(gòu)如圖4.2.1所示：圖4.2三相雙三拍運行方式在分析步進電動機動態(tài)運行時，不僅要知道某一相控制繞組通電時的矩角特性， 而且要知道整個運行過程中各相控制繞組通電狀態(tài)下的矩角特性，即所謂矩角特性族以 三相單三拍的通電方式為例，若將失

19、調(diào)角 8的坐標軸統(tǒng)一取在a相磁極的軸線上，顯然 a相通電時矩角特性如圖中曲線 a所示穩(wěn)定平衡點為 。，點b相通電時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/3 齒距相當于轉(zhuǎn)過2冗/3電角度，它的曲線c,這三條曲線就構(gòu)成了三相單三拍通電方式時的矩角特性族總之矩角特性族中的每一條曲線依次錯開一個用電角度表示的步矩角8” mergeformat 證* mergeformat* mergeformat步進電機的動態(tài)特性是指步進電動機在運行過程中的特性它直接影響系統(tǒng)工作的可 靠性和系統(tǒng)的快速反應。1）單步運行狀態(tài)單步運行狀態(tài)是指步進電動機在一相或多相控制繞組通電狀態(tài)下僅改變一次通電狀 態(tài)時的運行方式.2）動穩(wěn)定區(qū)當a相控制繞組通電時

20、矩角特性如圖所示，若步進電動機為理想空載則轉(zhuǎn)子處于穩(wěn) 定平衡點°兒* mergeformat,如果將a相通電改變?yōu)閎相通電，那么矩角特性應向 前移動一個步距角 二：八* mergeformatj曲線b, - -八* mergeformat；新的穩(wěn)定平 衡點由于在改變通電狀態(tài)的初瞬轉(zhuǎn)子位置來不及改變還處于8=0的位置，對應的電磁轉(zhuǎn)矩卻由。突變?yōu)榍? mergeformab上的c點，電機在該轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)子向新的穩(wěn)定平衡位置，移動直至到達-i* mergeforma為止對應它的靜穩(wěn)定區(qū)為止，即改變 通電狀態(tài)的瞬間只要轉(zhuǎn)子在這個區(qū)域內(nèi)就能趨向新的穩(wěn)定平衡位置，因此把后一個通電 相的靜穩(wěn)定

21、區(qū)稱為前一個通電相的動穩(wěn)定區(qū)，把初始穩(wěn)定平衡點oa 與動穩(wěn)定區(qū)的邊界點 a之間的距離稱為穩(wěn)定裕度，拍數(shù)越多步距角越小，動穩(wěn)定區(qū)就越接近靜穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定裕 度越大，運行的穩(wěn)定性越好轉(zhuǎn)子從原來的穩(wěn)定平衡點到達新的穩(wěn)定平衡點的時間越短， 能夠響應的頻率也就越高。4.2.2 最大負載能力步進電動機帶恒定負載時負載轉(zhuǎn)矩為 丁口 * mergeformat/1 區(qū) * mergeformat 若a相控制繞組通電則轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置為圖中曲線a上的網(wǎng)* mergeformat,這一點的電磁轉(zhuǎn)矩正好與負載轉(zhuǎn)矩相平衡，當輸入一個控制脈沖信號通電狀態(tài)由a相改變?yōu)閎相，矩角特性變?yōu)榍€ b在改變通電狀態(tài)的瞬間電機產(chǎn)生的

22、電磁轉(zhuǎn)矩 北*mergeformaff負載轉(zhuǎn)矩 出* mergeform at機在該轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)過一個步距角到達新的穩(wěn)定平衡點ob5軟件的設(shè)計5.1 鍵盤子程序的設(shè)計圖5.1顯示程序流程圖5.2正反轉(zhuǎn)程序流程圖取正轉(zhuǎn)起始地址圖5.2正反轉(zhuǎn)程序流程圖5.3 轉(zhuǎn)速快慢程序流程圖5.3轉(zhuǎn)速快慢程序流程圖5.4 定時中斷流程圖圖5.4中斷子程序流程圖6系統(tǒng)的硬件設(shè)計6.1 總體設(shè)計設(shè)計一個單片機三相步進電機控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)具有如下功能：k1、k2分別為啟動和方向控制；(2)正轉(zhuǎn)時紅色指示燈亮，反轉(zhuǎn)時黃色指示燈亮，不轉(zhuǎn)時綠色指示燈亮;(3)用4位led顯示工作步數(shù)。根據(jù)設(shè)計要求用 proteu所做的硬

23、件連線圖如下圖 1:圖6.1總體硬件連線6.2 步進電機控制電路6.2.1 啟/?？刂?、正/反轉(zhuǎn)控制、工作模式控制電路分析原理圖如下: ko j ,1 o-r&sj?.swspdt.：text>., k1 - ' .$w$pdt. ie?t：., k2 一1.$w£pdt .燈曰 k3 i. swspdt k4r -圖6.2按鍵控制圖(1) k3為啟/停控制開關(guān)，控制整個系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉(2) k4為正/反轉(zhuǎn)控制開關(guān)，控制步進電機的轉(zhuǎn)向。(3) k0-k3為工作模式;f5制開關(guān)，ko接電時，為步進電機單三拍工作模式；k1接電時,為步進電機雙三拍工作模式；k2接電

24、時，步進電機工作模式為三相六拍。6.2.2步進電機控制電路將80c51的p1.0-p1.3作為步進電機的輸出控制口。原理圖如下：圖6.3步進電機的輸出控制口6.3顯示電路4.3.1發(fā)光二極管顯示電路用3個不同顏色的發(fā)光二極管來作為指示燈顯示，將p3.5接紅燈，p3.6接黃燈，p3.7接綠燈，正轉(zhuǎn)時紅色指示燈亮，反轉(zhuǎn)時黃色指示燈亮，不轉(zhuǎn)時綠色指示燈亮。原理圖如下：圖6.4指示燈接線圖由80c51的p0口取出顯示碼，從80c51的p2.0-p2.3輸出位選碼，設(shè)計中我們主要用到 4位顯示步數(shù)既可。原理圖如下：/all圖6.5接線圖7實驗結(jié)果與分析在單相三拍方式控制中，假如 a相電源通電，b、c兩相

25、都不通電，在磁場作用下，使轉(zhuǎn)子齒和a相的定子齒對齊。若此時為初始狀態(tài)，并設(shè)與a相磁極對齊的齒為0號齒,122= 131由于b相齒與a相齒相差120度。且丁- 3 * mergeformat；整數(shù)。所以此轉(zhuǎn)子 不能和b號齒對齊，只有13號小齒靠近b相磁極的中心線，與中心線相差3度，如果此 時變?yōu)閎相通電，萬里a c兩相不通電，則b相磁極迫使與13號齒對齊，整個齒就轉(zhuǎn) 了 3度，稱為一步。步進電機就是以這種方式作為動力而轉(zhuǎn)動。光電編碼器的分分辨率是決定著反饋的準確性與反饋的精度。也對步進電機的延時長短起到一定的作用?？梢妼嶋H與理論是有一定的差別的。8總結(jié)通過這兩個多星期的課程設(shè)計，把所學過的各種知

26、識進行了一次全面而系統(tǒng)的綜合, 并融會貫通，把所學到的各種理論與思想進行可一次合理的應用，把所查閱到的各種文 獻及與設(shè)計相關(guān)的資料進行了合理的提取與分析，并應用到實際。這不但增強了自己的 知識結(jié)構(gòu)，同時對所學過的各種理論知識與專業(yè)知識進行了一次全面的終結(jié)。由于不斷 的上機操作與實踐，不但加強了自己動手能力，同時對一些計算機軟件的應用有了一定 的掌握與理解，并加強了網(wǎng)上學習和查閱資料的能力。參考文獻1張洪潤，藍清華.單片機應用技術(shù)教程.北京：清華大學出版社，1997.2秦曾煌.電工學.北京：高等教育出版社,1999.3常斗南，等.可編程序控制器原理、應用、實驗北京：機械工業(yè)出版社,1998.4于

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