三相六拍步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書1 引言1.1課程設(shè)計任務(wù)和要求 課程設(shè)計任務(wù): 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(wù): （1） 設(shè)計接口電路和驅(qū)動電路，對步進電機進行控制。（2） 選擇控制算法，編寫控制程序，實現(xiàn)三相步進電機在六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(wù)要求: （1）查閱資料，確定設(shè)計方案 （2）選擇器件，設(shè)

2、計硬件電路，并畫出原理圖和PCB圖 （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(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)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

3、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(dǎo)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(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然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,其機械位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率

4、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。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

5、率應(yīng)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86BYG250A型電機給出的值為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0.75/1.5、五相的為0.36/0.72

6、。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（HOLDINGTORQUE） 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

7、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、1/3、2/3,（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，C與齒3向右錯開2/3，A與齒5相對齊，（A就是A，齒5就是齒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

8、 ,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)。步進電機的勵磁方式為三相六拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CA-A。如果按反序通電換相 ,即則電機就反轉(zhuǎn)。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(yīng)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

9、適應(yīng)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CPU直接來驅(qū)動，這種方法一般不宜采用，因為CPU的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CPU來間接驅(qū)動，就是把從CPU輸出的信號進行放大，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(yīng)采用CPU間接驅(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

10、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)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

11、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(fù)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(yīng)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CPU選用89C5l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

12、，而且完全兼容MCS5l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（FPEROMFAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高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CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的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。 單片機的引腳功能1）VCC（40）：電源+5V。2）VSS（20）：接地，也就是GN

13、D。3）XTL1（19）和XTL2（18）：振蕩電路。4）PSEN（29）：片外ROM選通信號，低電平有效。5）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號輸出端/EPROM編程脈沖輸入端。6）RST/VPD（9）：復(fù)位信號輸入端/備用電源輸入端。 7）EA/VPP（31）：內(nèi)/外部ROM選擇端8）P0口（39-32）：雙向I/O口。P1口（1-8）：準雙向通用I/0口。9）P2口（21-28）：準雙向I/0口。原理圖如4.1.1所示： 圖4.1 AT89C51的引腳圖4.2 步進電機的選擇 反應(yīng)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(yīng)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

14、個最簡單的三相反應(yīng)式步進電動機為例說明其工作原理. 三相六拍通電方式設(shè)A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、A對齊。然后在A相繼續(xù)通電的情況下接通B相。這時定子B、B極對轉(zhuǎn)子齒2、4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動，但是A、A極繼續(xù)拉住齒1、3，因此，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到兩個磁拉力平衡為止。這時轉(zhuǎn)子的位置如圖所示，即轉(zhuǎn)子從圖位置順時針轉(zhuǎn)過了15。接著A相斷電，B相繼續(xù)通電。這時轉(zhuǎn)子齒2、4和定子B、B極對齊，轉(zhuǎn)子從圖的位置又轉(zhuǎn)過了15。其位置所示。這樣，如果按AA、BBB、CCC、AA的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動，步距角15。電流換接六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進了一個齒距角。如果按AA、CC

15、C、BBB、AA的順序通電，則電機轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動。 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，若將失調(diào)角的坐標軸統(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O，點B 相通電時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/3 齒距相當于轉(zhuǎn)過2/3 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 * MERGEFORMAT * MERGEFORMA

16、T * 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(yīng)。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* MERGEFORMAT處，如果將A相通電改變?yōu)锽相通電，那么矩角特性應(yīng)向前移動一個步距角* MERGEFORMAT 變?yōu)榍€B，* MERGEFORMAT 點為新的穩(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=0的位置，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩卻由O突變?yōu)榍? MERGE

17、FORMAT線B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* MERGEFORMAT點為止對應(yīng)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(yīng)的頻率也就越高。最大負載能力: 步進電動機帶恒定負載時負載轉(zhuǎn)矩為* MERGEFORMAT，* MERGEFORMAT若A 相控制繞組通電則轉(zhuǎn)子

18、的穩(wěn)定平衡位置為圖中曲線A上的* MERGEFORMAT點，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)锽 相，矩角特性變?yōu)榍€B 在改變通電狀態(tài)的瞬間電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩* MERGEFORMAT 大于負載轉(zhuǎn)矩* MERGEFORMAT ，電機在該轉(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 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

19、機三相步進電機控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)具有如下功能：(1) 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PROTEUS所做的硬件連線圖如下圖1： 圖6.1 總體硬件連線6.2 步進電機控制電路 圖6.2 按鍵控制圖（1）K3為啟/?？刂崎_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為工作模式控制開關(guān)，K2接電時，步進電機工作模式為三相六拍。 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

20、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： 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，由于B相齒與A相齒相差120度。且 * M

21、ERGEFORMAT 不為整數(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)锽相通電，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) 通過這次課程設(shè)計，我加強了動手、思考和解決問題的能力。在整個設(shè)計過程中，通過對各個元件的比較和認識，找到了簡單、正確的方法。對電路條件的限制，要求能更深次地理解各種器件的原理及使用規(guī)則，對具體的情況做到正確的判斷

22、，提高了我們對書本知識的掌握，也把我從理論水平提高到實踐水平。做課程設(shè)計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，我了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。在對陌生各種元件使用時，我們才了解到我們現(xiàn)在的知識水平還很有限，需要我們自己拓展，要多看一些關(guān)于其他類型的不同的見解。附錄：總程序如下：#include #include void delay1(void); void delay2(void); void display(int); int bs=0;main(

23、) char a,b,c,d,j,*q, done18=0x01,0x02,0x04,0x00,0x01,0x04,0x02,0x00, done28=0x03,0x06,0x05,0x00,0x03,0x05,0x06,0x00, done314=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05,0x00,0x01,0x05,0x04,0x06,0x02,0x03,0x00; P3=0x20; delay1(); L: a=P3; while(!(a&0x08) /判斷是否啟動，若沒啟動則重新啟動 P3=0x20; a=P3; delay1(); a=P3; /判斷工作模式 if(

24、a&0x01) /方式1模型 q=done1; if(a&0x02) /方式2模型 q=done2; if(a&0x04) /方式3模型 q=done3; if(a&0x10) /判斷電機是否要正轉(zhuǎn) P3=0x80; /P3.4口為1，電機正轉(zhuǎn) b=0; else P3=0x40; /P3.4口為，電機反轉(zhuǎn) if(a&0x04)b=7; else b=4; d=b; while(1) c=*(q+b); /判斷電機步數(shù)是否走完 if(c=0)b=d; /步數(shù)走完，電機重新再走 else P1=c; /從P1輸出電機控制信號 b+; bs+; /總步數(shù)加1 display(bs); /顯示步數(shù) j=a; a=P3; if(a!=j) /判斷P3口狀態(tài)信號是否改變 if(!(a&0x08)bs=0; /若為停止信號，總步數(shù)清零 goto L; /狀態(tài)信號改變，返回到開始，重新對電機控制 void delay1() int i,j; for(i=0;i200;i+) for(j=0;j300;j+); void display(int n)unsigned char tab10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x67; un