基于单片机的步进电机控制系统设计

基于单片机的步进电机控制系统设计

基于单片机的步进电机控制系统设计

摘要：本文应用AT89S51单片机、步进电机驱动芯片、字符型LED和键盘阵列，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。实现步进电机的正反转速度控制并且显示数据。整个系统采用模块化设计，结构简单，可靠，通过人机交互换接口可实现各功能设置，操作简单，易于掌握。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和成本。该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等大多数场合。最后给出了步进电机控制系统的应用实例。

关键词:AT89S51；LED；步进电机；软硬件协同仿真

Design of Stepper Motor Based on SCM

Abstract：In this paper, microcontroller, stepper motor driver chips, character LED and keypad array, build a set of stepper motor controller and driver as one of the stepping motor control system. Implementation of step motor and reversing speed control and display the data.The whole system uses modular design,simple structure reliable,through man-machine exchange interface can be set up to realize eachfunction,simple operation,easy to master.Stepper motor control system has been developed using the software and hardware co-simulation method, can effectively reduce the system development cycle and cost.The system can be applied to the stepping motor in electromechanical integration control and so on most occasions.Finally, an application example is given of stepper motor control system.

Keywords:AT89S51;LED; Stepping Motor;software and hardware co-simulation

引言

随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,

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投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。

步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制[1]。当电流流过定子绕组的时候，定子绕组产生一个矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一定角度，使转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向向着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是根据一定的规律来控制定子绕组电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压转子就会旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲分配方式，步进电机各相绕组的电流会轮流切换，在供给连续脉冲的时候就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[2]。

正是因为步进电机具有突出的优点，所以被广泛的用于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[3]。比如在数控系统中就得到了广泛的应用。目前，世界上所有的国家都在发展数控技术，我国数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够开发各种等级的数控机床控制系统。近些年来因为微型计算机方面快速发展，步进电机的控制也发生了革命性变革。有明显优点的步进电动机被广泛的用于电子计算机的很多外围设备中，比如打印机，纸带输送的机构，卡片阅读机器，主动轮的驱动机构以及存储器的存取机构等，步进电动机也在军用的仪器，通信以及雷达设备，摄影系统，光电的组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗卫生设备和自动绘图装置，数字控制装置，程序的控制系统以及很多航天工业系统中得到应用[4]。因而，对于步进电动机控制的研究也就显得非常重要了。

1 步进电机概述

1.1 步进电机的概述

在电气时代的今天，电动机一直在现代的生产和生活起着十分重要的作用[5]。跟据相关资料统计目前90％以上的动力来源是电动机。我们国家生产的电能大约60％用在了电动机上。电动机在我们生活中占有重要地位，步进电机是机电一体化中一种关键的产品，是专门用于位置和速度精确控制的特种电动机。其最大的特点就是“数字性”，它在控制器的推动下运转一个角度，这个角度被称为一步或步矩角，很适合微机和单片

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基于单片机的步进电机控制系统设计

机的控制。伴随着微电子和计算机的技术发展，步进电机的需求量与日俱增，在国民经济各个领域都有应用。鉴此，设计开发了一种基于单片机的步进电机控制系统。

步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移，用电脉冲信号进行控制的特殊运行方式的同步电动机，它通过专用电源把电脉冲按一定顺序供给定子各项控制绕组，在气隙中产生类似于旋转磁场的脉冲磁场。每输入一个脉冲信号，电动机就移动一步。它把电脉冲信号变换成角位移或直线位移，其角位移量θ或直线位移量S与电脉冲数K成正比，其转速n或线速度v与脉冲频率f成正比。

步进电动机调速范围大，动态性能好，能快速起动、制动、反转。当用微电脑进行数字控制时，它不需要进行D/A转换，能直接把数字脉冲信号转换为角位移。由于步进电动机是根据组合电磁铁的理论设计的，力求定子各相绕组间没有互感，定、转子都采用凸极结构，而不考虑空间磁场谐波的有害影响，只尽一切可能去增加定位转矩的幅值和定位精度，把转速控制和调节放在次要地位，故步进电动机主要用于计算机的磁盘驱动器、绘图仪、自动记录仪以及调速性能和定位要求不是非常精确的简易数控机床等的位置控制。目前，步进电动机的功率做得越来越大，已生产出功率步进电动机，它可以不通过传动齿轮等力矩放大装置，直接由功率步进电动机来带动机床运动，从而简化结构，提高系统精度。 1.2 步进电机的分类

步进电机的种类很多，从广义上来讲，步进电动机的类型可以分成机械式、电磁式和组合式三种类型。按照结构的特点电磁式步进电动机可以分成反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三种类型；按照相数分则可以分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机[6]。

(1)反应式步进电动机(Variable Reluctance，简称VR)。反应式的步进电机的转子是的原材料是软磁材料，其中是没有绕组的。它结构简单，成本低，步距角也很小，但是它的动态性能是比较差的。反应式的步进电机分为单段式的和多段式的两种类型。 (2)永磁式步进动电机(Permanent Magnet，简称PM)。永磁式的步进电机的转子的材料是永磁材料，这个转子它自身是一个磁源，并且它的极数与定子是一样的，因此一般的步距角是较大的。它的输出转矩较大、动态性能很好、消耗功率相对较小，但是启动运行的频率较低，还是要正负脉冲供电。

(3)混合式步进电动机(Hybrid，简称HB)。混合式步进电动机综合了反应式和永磁式两种电机的优点。它与传统的反应式相比，结构上转子加上了永磁体，用来提供软磁材料的工作点，定子激磁只需要提供变化的磁场不必提供磁材料工作点的耗能，所以该电机效率高，电流小，发热低。 1.3 步进电机的结构

在结构上步进电机是的组成部分是定子和转子，可以用于旋转角以及转速的高精度的控制。当电流经过定子的绕组时，定子绕组所产生的矢量场将带动转子转动一定的角

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度，使磁场的转子和定子磁极磁场的方向旋转一定角度。所以，控制电机的转子实际上是控制定子绕组电流产生的旋转磁场。每有一个脉冲电压，转子旋转一个步距角，称为一个步骤。根据脉冲电压的分布，各相绕组电流的电机开关的步骤，再提供连续的脉冲，可以一步一步的连续转动，使电机转动。电动机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转化为具体的旋转运动。每个由运动产生的脉冲是精确的，可重复的，这就是为什么步进电机的定位应用程序有效的原因。 1.4 步进电机的原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电动机是指混合了永磁式电动机和反应式电动机的优点。它又可以分为两相和五相：两相的步进角一般为1.8度而五相的步进角一般为0.72度。这种步进电动机的应用最为广泛。

步进电动机的一些基本参数： （1）电动机固有步距角

电动机固有步距角表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度[8]。电动机出厂的时候就给出了一个步距角的值，比如86BYG250A型电动机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时是0.9°、整步工作时是1.8°），该步距角可以称为“电动机固有步距角”，它不一定是电动机实际工作的时候的真正步距角，真正步距角和驱动器有关。

（2）步进电动机相数

步进电动机相数是指电动机内部的线圈组数，目前常用的步进电动机有二相、三相、四相、五相。电动机相数不同，它的步距角也不同，一般二相电动机的步距角为0.9°/1.8°、三相步距角的为0.75°/1.5°、五相步距角的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器的情况下，用户主要是根据选择不同相数的步进电动机来满足步距角的要求。使用细分驱动器，那么“相数”就会没有意义，用户只需要在驱动器上改变细分数，就能

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[7]

基于单片机的步进电机控制系统设计

改变步距角。

（3）保持转矩（HOLDING TORQUE）

保持转矩是指步进电动机通电但是没有转动的时候，定子锁住转子的力矩。保持转矩是步进电动机最重要的参数之一，一般步进电动机在低速时的力矩比较接近保持转矩。因为步进电动机的输出力矩随着速度的增大而在不断的衰减，输出功率也随着速度的增大而变化，这样保持转矩就成为了衡量步进电动机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电动机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电动机。 1.5 步进电机选用中的注意事项

（1）步进电动机用于低速场合，即每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好是在1000-3000PPS(0.9度）之间使用，可以通过减速装置使电机在此间工作，这时电动机工作效率高较，噪音较低。

（2）步进电动机最好不要使用整步状态，因为整步状态时的振动比较大。 （3）因为历史原因，只有标称为12V电压的电动机使用12V之外，其他电动机的电压值不是驱动的电压伏值，可以根据驱动器来选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12V电压除12V恒压驱动之外也可以采用其他的驱动电源，但是需要考虑温升。

（4）转动惯量较大的负载应该选择大机座号电动机。

（5）电动机在较高速度或着较大惯量负载时，一般不会在工作速度起动，而是用逐渐升频的提速方式，这样一使电机不会失步，二还能在减少噪音的时候提高停止的定位的精度度。

（6）高精度的时候，应该用机械减速的方式来提高电机的速度,或着用高细分数驱动器解决，也可以采用五相电动机，不过它的整个系统的价格较贵，生产厂家少，它被淘汰的说法是外行话。

（7）电动机不应该在振动的区域内工作，如果必须在振动的区域内工作可以通过改变电压、电流或加一些阻尼来解决。

（8）电动机在600PPS（0.9度）以下工作，应该采用小电流、大电感、低电压来驱动。

（9）应该遵循先选电机后选驱动的原则。

2 步进电机常见的控制方案与驱动技术简介

2.1 常见的步进电机控制方案 2.1.1 基于电子电路的控制

步进电机的电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配，以实现运动的电子元件放大。因为驱动脉冲控制信号非常微弱，所以必须有一个功率放大器电路。步进电机和控制电路，功率放大电路是由步进电机驱动系统构成。控制电路设计简单，功能强大，可

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