基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)

1、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）機電工程現(xiàn)代設(shè)計方法結(jié)課論文基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)院（系）： 工程技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 機械工程 姓 名： 王程 學(xué) 號： 2102130007 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)王程（工程技術(shù)學(xué)院 2102130007）摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，社會對產(chǎn)品的要求也越來越高。各種精密器件需求增加，這就使得我們對制造產(chǎn)品的機器要求越高。而步進電機恰好有運行平穩(wěn)、低噪音、響應(yīng)快、使用壽命長、高輸出扭矩和控制誤差小的特點。步進電機必將會在國民生產(chǎn)起到越來越大的作用。根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求及步進電機應(yīng)用環(huán)境，確定了設(shè)計系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實現(xiàn)了基于8051單片機的四相步進

2、電機的開環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過單片機存儲器、I/O接口、中斷、鍵盤、LED顯示器的擴展、步進電機的環(huán)形分頻器、驅(qū)動及保護電路、人機接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、單電壓驅(qū)動電路等的設(shè)計，實現(xiàn)了四相步進電機的正反轉(zhuǎn)，急停等功能。 關(guān)鍵詞：單片機；控制系統(tǒng)；步進電機1. 步進電機原理及控制技術(shù) 步進電機是一種將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制驅(qū)動元件, 具有快速起動和停止的特點。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，同時步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正

3、反轉(zhuǎn)控制等，這是步進電動機最突出的優(yōu)點。 正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點，所以成了機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)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(yīng)用。近年來由于微型計算機技術(shù)的快速發(fā)展，使步進電機的控制系統(tǒng)發(fā)生變革。由于步進電機的優(yōu)點突出，它被廣泛應(yīng)用在電子計算機的許多外圍設(shè)備中，例如打印機，紙帶輸送機構(gòu)，卡片閱讀機，主動輪驅(qū)動機構(gòu)和存儲器存取機構(gòu)等，步進電機也在軍用儀器，通信和雷達設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)

4、中得到應(yīng)用。因而，對于步進電機控制的研究也就顯得尤為重要了。2 設(shè)計原理2.1總體設(shè)計方框圖總體設(shè)計方框圖如圖所示2.2 元器件介紹（1）步進電機 步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式(HB)，步進電機又稱為脈沖電機，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉(zhuǎn)和制動的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位

5、移，由于開環(huán)下就能實現(xiàn)精確定位的特點，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進電機的運轉(zhuǎn)是由電脈沖信號控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每個一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度（不距角）或前進、倒退一步。步進電機旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進電機為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。 四相步進電機的工作原理 該設(shè)計采用了20BY-0型步進電機，該電機為四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機轉(zhuǎn)動。當(dāng)某一相繞組通電時，對應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑

6、的特點，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對齊，由此可見，錯齒是促使電機旋轉(zhuǎn)的原因。 步進電機的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同隊N、S磁場的激磁線圈對數(shù)，常用m表示。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即ABBCCDDAAB,四相八拍運行方式即AABBBCCCDDDAA。步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度（轉(zhuǎn)子齒角運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒角為50齒角電機為例。四相運行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度，八拍運行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度。

7、定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電的狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機不做旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。雖然靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)。但過分采用減小氣隙，增加勵磁匝數(shù)來提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。 四相步進電機的脈沖分配規(guī)律 目前，對步進電機的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計利用單片機進行控制，主要是利用軟件進行環(huán)形脈沖分配。四相步進電機的工作方式為四相單四拍，

8、雙四拍和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時的時序 與波形分別如圖1 a、b、c所示。本設(shè)計的電機工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進電機的工作的時序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進電機跟不上頻率的變化后電機會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進電機允許的范圍內(nèi)。（2）89C51單片機 Atmel公司生產(chǎn)的89C51單片機是一種低功耗/低電壓高性能的8位單片機，它采用CMOS和高密度非易失性存儲技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容；片內(nèi)的Flas

9、h ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編程器來編程，內(nèi)部除CPU外，還包括256字節(jié)RAM，4個8位并行I/O口，5個中斷源，2個中斷優(yōu)先級，2個16位可編程定時計數(shù)器，89C51單片機是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計需要。2.3方案論證從該系統(tǒng)的設(shè)計 要求可知，該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向，速度應(yīng)該有增減變化，通常用加減按鈕控制速度，這樣只要2根口線，再加上一根方向線盒一根啟動信號線共需要4根輸入線。系統(tǒng)的輸出線與步進電機的繞組數(shù)有關(guān)。這里選步進電機，該電機共有四相繞組，工作電壓為+5V，可以個單片機共用一個電源。步進電機的四相繞組用P1口的P1.0P1.

10、3控制，由于P1口驅(qū)動能力不夠，因而用一片2803增加驅(qū)動能力。用P0口控制第一數(shù)碼管用于顯示正反轉(zhuǎn)，用P2口控制第二個數(shù)碼管用于顯示轉(zhuǎn)速等級。數(shù)碼管采用共陽的。3 硬件設(shè)計本設(shè)計的硬件電路只要包括控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路、顯示電路四大部分。最小系統(tǒng)只要是為了使單片機正常工作?？刂齐娐分灰砷_關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進行操作。顯示電路主要是為了顯示電機的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電路主要是對單片機輸出的脈沖進行功率放大，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。（1）控制電路根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了啟動控制，換向控制，加速控制和減速控制按鈕，分別是K1、K2、S2、S3，控制電路如圖4所示

11、。通過K1、K2狀態(tài)變化來實現(xiàn)電機的啟動和換向功能。當(dāng)K1、K2的狀態(tài)變化時，內(nèi)部程序檢測P1.0和P1.1的狀態(tài)來調(diào)用相應(yīng)的啟動和換向程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機的啟動和正反轉(zhuǎn)控制。根據(jù)步進電機的工作原理可以知道，步進電機轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機的脈沖頻率，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。對于單片機而言，主要的方法有：軟件延時和定時中斷在此電路中電機的轉(zhuǎn)速控制主要是通過定時器的中斷來實現(xiàn)的，該電路控制電機加速度主要是通過S2、S3的斷開和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進電機的輸出脈沖頻率，從而改變了電機的轉(zhuǎn)速。圖4 控制電路原理圖

12、（2）最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，素質(zhì)用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)，對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、復(fù)位電路、晶振電路。復(fù)位電路：使用了獨立式鍵盤，單片機的P1口鍵盤的接口。該設(shè)計要求只需4個鍵對步進電機的狀態(tài)進行控制，但考慮到對控制功能的擴展，使用了6路獨立式鍵盤。復(fù)位電路采用手動復(fù)位，所謂手動復(fù)位，是指通過接通一按鈕開關(guān)，使單片機進入復(fù)位狀態(tài)，晶振電路用30PF的電容和一12M晶體振蕩器組成為整個電路提供時鐘頻率。如圖5示。晶振電路：8051單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL1和XTAL2外

13、部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖5示。其電容值一般在530pf,晶振頻率的典型值為12MHz,采用6MHz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路實用較多。圖5 復(fù)位及時鐘振蕩電路（3）驅(qū)動電路通過ULN2803構(gòu)成比較多的驅(qū)動電路，電路圖如圖6所示。通過單片機的P1.0P1.3輸出脈沖到ULN2803的1B4B口，經(jīng)信號放大后從1C4C口分別輸出到電機的A、B、C、D相。圖6 步進電機驅(qū)動電路（4）顯示電路在該步進電機的控制器中

14、，電機可以正反轉(zhuǎn)，可以加速、減速，其中電機轉(zhuǎn)速的等級分為七級，為了方便知道電機的運行狀態(tài)和電機的轉(zhuǎn)速的等級，這里設(shè)計了電機轉(zhuǎn)速和電機的工作狀態(tài)的顯示電路。第一個數(shù)碼管接的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P0.0P0.7口，用于顯示電機正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，正轉(zhuǎn)時顯示“1”，反轉(zhuǎn)時顯示“一”，不轉(zhuǎn)時顯示“0”。第二個數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P2.0P2.7口，用于顯示電機的轉(zhuǎn)速級別，共七級，即從17轉(zhuǎn)速依次遞增，“0”表示轉(zhuǎn)速為零。電路如圖7所示。圖7 顯示電路（5）總體電路圖 把各個部分的電路圖組合成總電路圖，如圖8所示。圖8 總體電路圖4 軟件設(shè)計通過分析可以看出，實現(xiàn)系統(tǒng)功能

15、可以采用多種方法，由于隨時有可能輸入加速、加速信號和方向信號，因而采用中斷方式效率最高，這樣總共要完成4個部分的工作才能滿足課題要求，即主程序部分、定時器中斷部分、外部中斷0和外部中斷1部分，其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置及啟動開關(guān)的檢測，若啟動開關(guān)合上則系統(tǒng)開始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時器部分控制脈沖頻率，它決定了步進電機轉(zhuǎn)速的快慢；兩個外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能。下面分析主程序與定時器中斷程序及外部中斷程序。（1）主程序設(shè)計主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種開關(guān)狀態(tài)的檢測判斷等。其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設(shè)置內(nèi)容較多，該系統(tǒng)中，需

16、要初始化定時器、外部中斷；對P1口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲區(qū)送初值決定步進電機的啟動速度。若初始化P1=11H、速度和方向初始值均設(shè)為0，就意味著步進電機按四相單四拍運行，系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下，步進電機不旋轉(zhuǎn)，方向值顯示“0”，速度值顯示“0”，主程序流程圖如圖9所示。開 始初 始 化速度值為0？啟動開關(guān)為0？停止計時器顯 示啟動計時器延 時停止計時器圖9 主程序流程圖YNYN（2）定時中斷設(shè)計步進電機的轉(zhuǎn)動主要是給電機各繞組按一定的時間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通入電流，步進電機才會旋轉(zhuǎn)，時間間隔越短，速度就越快。在這個系統(tǒng)中，這個時間間隔是用定時器重復(fù)中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的，即調(diào)

17、節(jié)時間間隔就是調(diào)節(jié)定時器的中斷次數(shù)，因而在定時器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機的運行方向、發(fā)下一個脈沖，以及保存當(dāng)前的各種狀態(tài)。程序流程圖如圖10所示。中斷返回T0中斷入口發(fā)速度脈沖讀方向指示重送相關(guān)狀態(tài)恢復(fù)現(xiàn)場保護現(xiàn)場中斷次數(shù)-1=0？NY圖10 定時中斷程序流程圖（3）外部中斷設(shè)計 外部中斷所要完成的工作是根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進電機的輸出脈沖頻率，也就是改變了電機的轉(zhuǎn)速。速度增加按鈕S2為INT0中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當(dāng)值等于7時，不改變原數(shù)值返回，小于7時，數(shù)據(jù)加1后返回；速度減少按鈕S3，當(dāng)原數(shù)據(jù)不為0，減1保存數(shù)

18、據(jù)，原數(shù)據(jù)為0則保持不變。程序流程圖如圖11所示。外部中斷入口保護現(xiàn)場延時去抖中斷返回速度值±1恢復(fù)現(xiàn)場速度=上或限值？按鈕是否彈起？NNNYY圖11 外部中斷程序流程圖5.總結(jié)本設(shè)計通過分析步進電機結(jié)構(gòu)、工作原理，查閱步進電機控制系統(tǒng)的相關(guān)科技文獻，遵循實用、簡單、可靠和低成本的原則，設(shè)計了一種既可用于精度要求不高，但控制需完備的場合。對本次設(shè)計，有以下結(jié)論：（1）采用單片機為控制核心，利用其強大的功能，把鍵盤和顯示電路有機的結(jié)合起來，組成一個操作方便、交互性強的控制系統(tǒng)。而且整個系統(tǒng)所包含的技術(shù)幾乎包括了現(xiàn)本科學(xué)?？刂茖I(yè)所要求的知識，有利于實踐教學(xué)取得最大效果。（2）鍵盤電路和顯示電路采用了動態(tài)掃描技術(shù)，節(jié)約了單片機資源。（3）系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計，具有易維護性，根據(jù)用戶新的要求，對軟件系統(tǒng)進行少量的修改，使系統(tǒng)功能得到一定程度的提高。6.結(jié)束語由于我理論與經(jīng)驗不足，難免有許多考慮不周全的地方，系統(tǒng)的應(yīng)用討論不夠，精度還有待于進一步提高。由于時間的原因，設(shè)備的原因，實驗做的不好不夠，相關(guān)驗證性的數(shù)據(jù)、信息不夠豐富?？梢钥隙?，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，步進電機的控制應(yīng)用前景將越來越寬闊，而其控制系統(tǒng)也將向著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。本論文的研究和探討還遠遠不