三相雙三拍步進電機控制系統(tǒng)設計說明

1、. . . . 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。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控制性場合步進電機用得最多。步進電機作為

2、執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(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)。1 課程設計任務和要求 課程設計任務 設計一個三相步進電機控制系統(tǒng)，設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)向以與位置進行控制。通過設計，掌握步進電機的工作原理、掌握步進電機控制系統(tǒng)的設計原理、設計步驟，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)三相步進電機在雙三

3、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）寫出設計說明書。 課程任務要求 （1）查閱資料，確定設計方案 （2）選擇器件，設計硬件電路，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，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度

4、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

5、）。 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。可以通過控制脈沖個數(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 步進電機的技術參數(shù)1)空載啟動頻率即步進電機在空載

6、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。3)

7、步進電機的相數(shù)是指電機部的線圈組數(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°。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。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩

8、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 步進電機的外結(jié)構步進電機轉(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、1/3、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.

9、1 步進電機的啟停控制步進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)。其他方式情況類似。3.3 系統(tǒng)設計思路 此次我們所設計

10、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，與一些其他相關元件設計而成?？梢酝ㄟ^開關來控制系統(tǒng)的啟/停工作，當系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時，用開關來控制方向，并使相應的指示燈亮起，同樣由開關來選擇工作模式。運轉(zhuǎn)時，用4位7段數(shù)碼管來輸出步數(shù)。最后根據(jù)思路所設計出來的硬件圖設計相適應的軟件。3.4 系統(tǒng)的整體框圖80c51單片機整體控制LED顯示模塊開關選擇電機工作模式LED顯示燈顯示電機工作狀態(tài)三相步進電機模塊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

11、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。固本次設計應采用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

12、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

13、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，這種方法需要復雜的計算可使細分后的步距角一致。但因本次設計對步進電機的精度要求比較高轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)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 硬件電路的設計4.1 單片機的選擇本次設計以CPU選用89C5l作為步進電機的控制芯片89C51的結(jié)構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 Memor

14、y）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。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GND。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/VP

15、D（9）：復位信號輸入端/備用電源輸入端。 7）EA/VPP（31）：/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A B 兩相

16、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，可見雙三拍運行時的步距角仍是30°,但雙三拍運行時每一拍總有一相繞組持續(xù)通電，例如由A B 兩相通電變?yōu)锽 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)構如圖4.2.1所

17、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  * MERGEFORMAT * MERGEFORMAT步進電機的

18、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)子位置來不與改變還處于=0的位置，對應的電磁轉(zhuǎn)矩卻由O突變?yōu)榍? MERGEFORMAT線B上的C點，電機在該轉(zhuǎn)矩的

19、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* MERGEFORMAT，* 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*

20、 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OB´5 軟件的設計5.1 鍵盤子程序的設計 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)的硬件設計 6.1 總體設計設計一個單片機三相步進電機控制系統(tǒng)

21、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 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：圖6.2 按鍵控制圖（1）K3為啟/?？刂崎_關，控制整個系統(tǒng)的開啟和關閉。（2）K4為正/反轉(zhuǎn)控制開關，控制步進電機的轉(zhuǎn)向。（3）K0-K3為工作模式控制開關，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接電時，步進電機工作模式

22、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

23、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 * MERGEFORMAT 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。可見實際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計，把所學過的各種知識進行了一次全面而系統(tǒng)的綜合，并融會貫通，把所

24、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與與設計相關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，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 洪潤,藍清華. 單片機應用技術教程 . :清華大學,1997.2 曾煌. 電工學 . :高等教育,1999.3 常斗南,等. 可編程序控制器原理、應用、實驗 :機械工業(yè),1998.4 于海生,等. 微型計算機控制技術 . :清華大學,1999.5 王福

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26、 - PC 微機應用系統(tǒng)設計電子科技學,1996.15 黃義源主編1 機械設備電氣與數(shù)字控制中共廣播電視大學,1992. 附錄總程序如下：#include<reg51.h> #include<stdio.h> void delay1(void); void delay2(void); void display(int); int bs=0;main() 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(a&0x01) /方式1模