基于单片机的步进电机器控制设计

摘 要

本文应用单片机AT89C51和脉冲分配器PMM8713，步进电机驱动器，光电隔离器4N25等，构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。通过AT89C51和脉冲分配器PMM8713完成步进电机的各种运行控制方式，实现步进电机在3相6拍的工作方式下的正反转控制和加减速控制。并通过步进电机丝杠连动，带动XY工作台的直线运动，实现从起点A点到预定点B点的位移控制。

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。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。

关键词：步进电机 单片机 控制

目 录

绪论????????????????????????????????????1 1、步进电机及其发展????????????????????????????1 1．1步进电机在我国的发展应用及前景????????????????????2 1.2本文研究内容?????????????????????????2 2、步进电机的分类、结构、工作原理及特性??????????????????2 2.1步进电机的概念????????????????????????????2 2.2步进电机的特点????????????????????????3 2.3步进电机的结构及工作原理????????????????????????3 2.4步进电机的常用术语????????????????????????4 3、步进电机的单片机控制??????????????????????????5 3.1步进电机控制系统组成??????????????????????????5 3.2步进电机控制系统原理??????????????????????????6 3.3脉冲分配???????????????????????????????6 3.4步进电机与微型机的接口电路??????????????????????8 4、步进电机的运行控制?????????????????????????9 4.1步进电机的速度控制??????????????????????????9 4.2步进电机的位置控制???????????????????????9 4.3步进电机的加减速控制???????????????????????10 5、步进电机的程序设计???????????????????????????11 5.1程序框图???????????????????????????????11

结论???????????????????????????????????13

致谢辞??????????????????????????????????13

参考文献?????????????????????????????????13

绪 论

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。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，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。

1、步进电机及其发展

步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。步进电机的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。以下为步进电机的外观如图1-1。

图1-1 步进电机的外观图

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1.1 步进电机在我国的发展应用及前景

我国步进电机的研究及制造起始于本世界50年代后期，从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。70年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。至80年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。

目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

1. 2 本文研究内容

本设计主要是研究基于单片机的步进电机控制，采用单片机AT89C51和脉冲分配器PMM8713控制步进电机在三相六拍工作方式下的启停控制，正反转控制和加减速控制，以实现基于步进电机的XY工作台两点间的位移控制。

2、步进电机的分类、结构、工作原理及特性

2. 1 步进电机的概念

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。我们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；同时我们也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。

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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系

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的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。 只有周期性的误差而没有积累误差等特点。

2.2 步进电机的特点

1. 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。

2. 步进电机外表不允许较高的温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

2.3 步进电机的结构及工作原理

2.3.1 结构

步进电机分为转子和定子两部分：

1. 定子：由硅钢片叠成的，定子上有6大磁极，每2个相对的磁极（Ｎ，S）组成一对，共有3对。定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3π、2/3π,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以π表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3π，C与齿3向右错开2/3π，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）。

2. 转子：由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿相同，并且小齿的大小相同，间距相同。

2.3.2 工作原理

电机的U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 。以反应式步进电机为例：

如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2与B对齐，此时转子向右移过1/3π，此时齿3与C偏移为1/3π，齿4与A偏移（π-1/3π）=2/3π。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3π，此时齿4与A偏移为1/3π对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3π 这样经过A、B、C、

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A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3π,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3π改变为1/6π。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3π变为1/12π，1/24π，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

2.3.3 工作方式（三相）

1. 单三拍：通电顺序为 A?B?C ； 2. 双三拍：通电顺序为 AB?BC?CA ；

3. 三相六拍：通电顺序为 A?AB?B?BC?C?CA 这三种工作方式的区别，如下表所示表2-1。

表2-1 反应式步进电机三种工作方式的性能比较

工作方式 步进周期 每相通电时间 走齿周期 相电流 高频性能 转矩 电磁阻尼 振荡 功耗 单三拍 T T 3T 小 差 小 小 容易 小 双三拍 T 2T 3T 较大 较好 中 较大 较容易 大 六拍 T 3T 6T 最大 较好 大 较大 不容易 中 由表2-1可以看出这三种工作方式中，六拍的性能最好，单三拍的性能最差，因此，在步进电机的控制应用中，选择合适的工作方式非常重要，本文主要研究的是三相六拍工作方式。

2.4 步进电机的常用术语

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1. 齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。 θz=2π/Z (Z 是转子的齿数)

2. 步距角：指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。 θb=θz/N = 2π/NZ (N是工作拍数，Z是转子的齿数) 3. 步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

4. 失调角：指转子偏离零位的角度。转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

5. 零位或初始稳定平衡位置：指不改变绕组通电状态，转子在理想空载状态下的平衡位置。

6. 最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

7. 最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

8. 响应频率：在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。

9. 运行频率：指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。

10. 单步响应：指步进电机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转子由起动到停止的运动轨迹。

3、步进电机的单片机控制

3.1 步进电机控制系统组成

图3-1 用微型机控制步进电机原理系统图

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与传统步进控制器图3-1相比较有以下优点：

1. 用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。

2. 只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。

3. 根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。

3.2 步进电机控制系统原理

3.2.1 脉冲序列的生成如图3-2。

图3-2 脉冲的生成

脉冲幅值：由数字元件电平决定。

TTL 0 ～ 5V CMOS 0 ～ 10V

接通和断开时间可用延时的办法控制。要求：确保步进到位。 3.2.2 方向控制

步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。 三相六拍，通电顺序为: 正转: A?AB?B?BC?C?CA 反转: A?AC?C?CB?B?BA 改变通电顺序可以改变步进电机的转向

3.3 脉冲分配

实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法 3.3.1 通过软件实现脉冲分配

软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的IO向驱动电路发出控制脉冲，下面以三相六拍为例上面提到了三相六拍工作方式通电换相得正序为

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A-AB-B-BC-C-CA-A,，反序为A-AC-C-CB-B-BA-A

图3-3 用软件实现脉冲分配的接口示意图

注：P1.0：A相驱动 P1.1：B相驱动 P1.2：C相驱动

三相六拍控制字如下表3-1所示：

表3-1 三相六拍工作方式的控制字

通电状态 A AB B BC C CA P1.2 0 0 0 1 1 1 P1.1 0 1 1 1 0 0 P1.0 1 1 0 0 0 1 控制字 01H 03H 02H 06H 04H 05H 注：0代表使绕组断电，1代表使绕组通电

在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1口，步进电机就会转动一个齿距角，每送一个控制字，就完成一拍，步进电机转过一个步距角。

软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPU时间，可能使单片机无法同时进行其他工作（如监测等），所以，人们更喜欢用硬件法。

3.3.2 通过硬件实现脉冲分配

所谓硬件法实际上就是使用脉冲分配器8713，来进行通电换相控制。

8713是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电机，我们选择的是三相六拍工作方式。8713可以选择单时钟输入或双时钟输入，具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监视等功能，所有输入端内部都设有斯密特整形电路，提高抗干扰能力，使用4~18V直流电源，输出电流为20mA。本例选用单时钟输入方式，8713的3脚为步进脉冲输入端，4脚为转向控制端，这两个引脚的输入均由单片机提供和控制，选用对三相步进电机进行六拍方式控制，所以5、6脚接高电平，7脚接地。

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如下图3-4所示：

图3-4 89C51单片机系列和8713脉冲分配器的接口图

由于采用了脉冲分配器，单片机只需提供步进脉冲，进行速度控制和转向控制，脉冲分配的工作交给8713来自动完成，因此，CPU的负担减轻许多。

3.4 步进电机与微型机的接口电路

由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。

总之，只要按一定的顺序改变8713脉冲分配器的 13脚～15脚 三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器（一是抗干扰，二是电隔离。）以防强功率的干扰信号反串进主控系统。

电路图如图3-5所示：

C230pFC330pFX1U119XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD393837363534333221222324252627281011121314151617343332313029282753698356U2D0D1D2D3D4D5D6D7RDWRA0A1RESETCSPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC78255APACKAGE=DIL40PORTDHL=20n432140393837181920212223242514151617131211101234567U31B2B3B4B5B6B7BCOM1C2C3C4C5C6C7C916151413121110CRYSTAL18XTAL2+88.8C1910uFRSTULN2003AR110k293031PSENALEEAR2SW10k12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.780C51断开---正转闭合---反转 图3-5 单片机与步进电机的接口电路图

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