单片机对步进电机进行控制的控制系统.docx

1绪论1.1 提出问题并拟定设计方案1.1.1 问题的提出传统的步进电机控制方法是由触发器产生控制脉冲来进行控制的，但此种控制方法工作方式单一且难于实现人机交互,当步进电机的参数发生变化时，需要重新进行控制器的设计。并且由传统的触发器构成的控制系统具有控制电路复杂、控制精度低、生产成本高等缺陷。为了克服传统控制器的缺陷，满足工业生产新的控制规定,在此设计一种以单片机为核心的新型控制器。112明确课题任务单片机对步进电机的控制有如下几项规定：(1)为用户使用方便,需要实现人机交互。(2)为实现对不同相数的步进电机进行控制而不更换控制器的规定，需要实现励磁方式的可控性。(3)规定实现步进电机的转速可控和旋转角度可控。(4)规定有足够的控制精度。1.1.3 拟定设计方案通过对控制系统的分析,拟定了如下的设计方案：(1)拟定系统的I/O点数和通道：输入和输出量的拟定:输入量：重要是键盘输入。输出量：步进电机的驱动信号和1.ED数码管显示信号。输入、输出通道的拟定：除了键盘/显示器的输入/输出外,输出通道尚有驱动步进电机信号的输出通道。(2)选择单片机：根据控制系统所规定的控制精度、响应速度、开发环境、I/O点数、输入/输出通道数等情况选择了MCS-51系列的8位单片机8051,其具有4KBRoM和256BRAM,因此不需要进行存储器的扩展。(3)拟定键盘/显示器。本设计需要一个8X2的键盘和一个6位的显示器，它们的接口电路采用8255A。单片机日记：8255A是有Intel公司生产的NMOS器件，输入和输出与TT1.电平兼容。电源电流最大值为120mA,具有3个8位的并行I/O口，有三种工作方式，可通过编程改变其功能，使用灵活，通用性强。因此，本设计键盘和显示部分选用8255A芯片。(4)设计单片机控制系统图:输入数码管显示脉冲分配器步进电机图IT单片机对步进电机控制系统图步进电机接口电路与单片机连接时，为了可靠地实现信号隔离，减少输入输出设备对单片机系统的电信号干扰，需要用光电耦合器。1.2 研究内容和方法本课题的重要任务是设计一个单片机对步进电机进行控制的控制系统，重要研究内容和方法如下。12.1研究内容(1)重要研究内容是通过单片机对步进电机的正转，反转，转速，步距角进行控制。(2)用6位1.ED显示器组成高亮度的显示电路来显示步进电机的转速等运营参数。(3)用8255A作为键盘和显示电路的接口芯片。(4)用PMM8713作为步进电机的接口芯片。(5)设计单片机控制系统的硬件电路。(6)编写控制系统主程序，绘制程序流程图。重要研究方法是：用单片机原理及其接口技术，通过软硬件相结合的方法实现对步进电机的工作状态和工作参数的控制。单片机对步进电机的控制有串行控制和并行控制两种方式。本设计采用的是串行控制方式，此方式下单片机控制系统与步进电机驱动器之间只有两条控制线。一条发出时钟脉冲信号来控制步进电机的转速；另一条发出转向信号控制步进电机的转向。这两个信号都是送入步进电机驱动器的输入端，驱动器中具有环行分派器，对步进电机励磁方式的控制和控制脉冲的分派都是由环行分派器来完毕的。由于单片机控制系统与驱动器之间只有两条控制线，从而使系统结构大为简化。控制系统按速度控制的规定从时钟脉冲控制线发出相应的控制脉冲即可对步进电机的转速进行控制。当需要恒速运营时，就发出恒定频率的控制脉冲；当需要加速运营时，就发出频率递增的控制脉冲；当需要减速运营时，就发出频率递减的控制脉冲；当需要锁定状态时，只需要停止发脉冲就可以了。因此，可以方便地对电动机的转速进行控制。转向控制线可实现对步进电机转向的控制，当输出高电平“1”时，环行分派器按正方向进行脉冲分派，步进电机正向旋转；当输出低电平“0”时，环行分派器按反方向进行脉冲分派，步进电机反方向旋转。1.3 本课题研究的意义传统的步进电机控制方法是由触发器产生控制脉冲来进行控制的，由此种方法构成的控制系统具有电路复杂、灵活性差、控制精度低、生产成本高、调试和维护麻烦等缺陷。在本设计中应用单片机接口技术，使用大规模集成电路PMM8713设计了一种新型的步进电机控制系统，这种控制系统具有集成度高、电路简朴、成本低、控制精度高、调试和维护方便等优点。这种步进电机的接口电路，可以通过对单片机的设定，用同一种电路，实现对各种励磁方式下3、4相步进电机的控制和驱动，从而大大提高了接口电路的灵活性和通用性。通过本课题的研究，能全面巩固单片机及其控制技术的相关知识和技能；能掌握步进电机的运营原理及控制方法；能了解芯片的选择、程序的编写、软硬件的配合、各种抗干扰措施的应用等方面的知识。总之，本设计既能结合工业生产生活的实际又能达成本次毕业设计的规定。2控制系统硬件电路的设计2.1单片机最小应用系统设计单片微型计算机(SingIechipmicrocomputer)简称单片机。它把组成微型计算机的各功能部件：中央解决器(CPU),随机存取存储器RA血只读存储器ROM,可编程存储器EPR0M,并行及串行输入/输出(I/O11)接口电路及其它功能部件如定期器/计数器、中断系统等集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机。随着大规模集成电路技术的发展,单片机内还可包含A/D和D/A转换器、高速输入/输出部件、DMA通道、浮点运算等新的特殊功能部件。由于它的结构和指令都是按工业控制规定设计的，特别适合于工业控制及与控制有关的数据解决场合，因而目前应确切称其为微控制器(MiCrOCOntrOller)。由于单片机和普通微机相比，具有小巧、灵活、成本低、可靠性强、面向控制好、易于产品化、适应温度和湿度变化范围宽，能在各种恶劣的环境下工作等独特的优点，使得它在众多需要进行高精度控制的场合得到广泛应用。单片机加上适当的外围器件和应用程序便构成了最小应用系统。最小应用系统设计是单片机应用系统设计的基础。它涉及单片机的选择、时钟系统设计、复位电路设计、简朴I/O扩展、掉电保护等。Cl=IC2；1.*+57XTA1.ltPlXTA1.2p2RSTP380512.1.18051单片机简介（1） 8051单片机的基本结构8位中央解决器CPU振荡器与时序电路4KB程序存储器ROM256B的数据存储器RAM1个可编程串行口4个8位的I/O端口2个16位的定期器/计数器Pl.01VocPl.12PO.0Att>Pl.23PO.lADPl.34PO.2/ADePl.45PO.3/ADBPl.56PO.4/ADjPl.67PO.5/AftPl.78PO.6/AIbRST9PO.7/AD?RXD/P3.01080512EAVTXD/P3.111A1.E/PROGfNTP3.212PSENlNTlP3.313P2.7/A15T0/P3.414P2.6A<T1/P3.515P2.5/AisWR/P3.616P2.4A三WP3.717P2.3/AnXTA1.218P2.2oXTA1.l一19P2.1V20P2.0图2-28051引脚图8051为双列直插式40脚封装,有40个引脚，大体可分为电源、（2） 8051的引脚时钟、地址总线、数据总线和控制总线6个部分。电源线Vcc（40脚）：主电源，接+5VVss（20脚）：电源地线控制线A1.E/丽前（30脚）：当访问片外存储器时，A1.E的输出用于锁存低字节地址信号。不访问外存储器时，其以不变的频率周期性地出现脉冲信号,其频率为振荡器频率的1/6。因此，它可以用作对外输出的时钟脉冲，或用于定期目的。PSEN（29脚）：片外程序存储器的读选通信号。CPU在从片外程序存储器取指令期间，每个机器周期两次有效。在访问内部程序存储器时，该信号不会出现。RST/Vpd（9脚）：单片机复位/备用电源引脚。当接上电源时，其内部各寄存器处在随机状态，在引脚上输入两个机器周期的高电平将使单片机复位。当Vcc电压忽然下降或掉电时，此引脚上的备用电源能保护片内RAM中的信息，使复位后能继续正常运营。EA/Vpp（31脚）：当丽输入高电平时，CPU可访问片内程序存储器4KB的地址范围。当超过此范围时，将自动转向片外程序存储器。当输入低电平时，CPlJ只能访问片外程序存储器。XTA1.l（19K）和XTA1.2（18脚）：外部晶振引脚。I/O总线PO口可作为一般I/O口用，但当系统采用外部总线结构时，它分时作为低8位地址线和8位双向数据线用。Pl口的每一位可独立作为I/O口用。P2口可作为一般I/O口和高8位地址线用。P3口为双功能口，除了独立作为I/O口外，每一位还具有第二功能.2.1.2时钟电路设计时钟电路是单片机的心脏，各部Vss分都以时钟频率为基准,有条不紊地一w；7XTA1.l1Y_Ira二;拍一拍的工作。运用芯片内部的振荡电ClzpbII-El11路，在XTA1.I和XTA1.2两端跨接晶二二二振°体振荡器和两个电容Cl、C2就构成了一记1.1至内部电路一个稳定的自激振荡器。8051内部有图2-3内部时钟电路一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTA1.l和XTA1.2分别是反相放大器的输入端和输出端，由于这个放大器与作为反馈元件的片外晶体一起构成了一个自激振荡器，这种形式的时钟信号称为内部时钟方式。电容CI和C2的作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调作用(C1、C2越大则f越小)，典型值为30pF。MCS-51的一个机器周期由六个状态(SI,S2,S6)组成，每一个时钟为2个振荡周期，一个机器周期有6个时钟周期即12个振荡周期。本课题采用的晶振为6MHz,所以每个机器周期为2S02.1. 3复位电路设计单片机在启动或断电后，程序需要从头开始执行，机器内所有寄存器、I/O接口等都必须重新复位，这个功能由复位电路来完毕。设计复位电路是应注意：要保证加在RST上的高电平连续2个机器周期，才干使单片机有效IXTA1.lI地复位。-J-晶早振XTA1.2至内部电路图2-3内部时钟电路在实际的应用系统中，有些外围芯片也需要复位。假如这些复位端的复位电平规定与单片机复位一致，则可以与之相连。复位电路中，干扰易窜入复位端，在大多数情况下不会单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器的错误复位。这时，可在RST引脚上接一个去藕电容。在应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将R、C电路先接史密特电路，然后再接入单片机和外围电路复位端。这样，当系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位，且具有抗干扰能力。本次毕业设计复位电路采用上电自动复位和手工复位两种方式，如图2-4所示。图2-4上电可安钮电平复位电路上电瞬间，电容C两端电压不能突变，+5V电压绝大部分加到电阻R上，RESET端出现高电平。只要高电平连续时间足够长，就可以使单片机有效复位。RESET端加电时应保持的高电平时间涉及VCC的上升时间和振荡器起振时间。Vcc上升时间约为IOnis,振荡器起振时间和频率有关，IOMHz时约为1ms,本课题采用6MHz振荡频率，所以起振时间约为1.7ms三为了可靠复位，RESET端上电时应保持15ms以上的高电平。人工复位时，Rs(330)相对于R(1OK)来说很小，按下RESET键后，+5V电压在电阻R上的分压匕=呸*×5V5V,RESET端为高电平。由于按键为机械弹性开关，其闭合和断开所需时间远远大于单片机的两个机器周期(6MHZ时为4S),所以单片机可以可靠复位。2.2键盘和显示部分设计8255A是Intel公司生产的可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能。因而使用灵活，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255A有三种基本工作方式，三种工作方式由工作方式控制字决定，方式控制字由CPU通过输入/输出指令来提供。三个端口中PC被分为两个部分，上半部分随PA口称为A组，下半部分随PB口称为B组。其中PA口可工作与方式0、1和2,而PB只能工作在方式O和1。8255A共有40个引脚，采用双列直插式封装。设计键盘和显示部分选用8255A芯片。方便良好的人机界面是用8255A芯片来实现的，它具有键盘解决功能，能自动消除键抖动。本设计中键盘控制部分可控制8X2个按键，采用有6位1.ED显示，具有较强的人机互动功能。2.2.1 8255A简介（1）8255A的内部结构数据端口A、B、CA11:一个8位数据输出锁存/缓冲器，一PAs1/40PAiPAz239PAS个8位数据输入锁存器。PJUPAD343837PMPA?RD536-WRB11:一个8位数据输入/输出、锁存/缓存CS635RESETGND734DoAiQ33DI器。一个8位数据输入缓冲器。Ao932-DzPCr一1031DSC:一个8位数据输出锁存/缓冲器，一PCbPCs11123029D4DsPC41328比个8位数据缓冲器。PCb1427DtPCi一1526-VccPCz1625PBt工作方式控制电路PCs1724PBbPBo1823PBs工作方式控制电路有两个，一个是A组控PBiPB219202221PBiPBs制电路一个是B组控制电路。这两组控制电路图2-58255A引脚图共用一个控制命令寄存器，用来接受中央解决器发来的控制字，以决定两组端口的工作方式，也可以根据控制字的规定对C口按位清O或者按位置loA组控制电路用来控制A口和C口上半部分（PC7PC4）。B口控制电路用来控制B口和C口下半部分（PC3PC0）。总线数据缓冲器总线数据缓冲器是一个三态双向8位缓冲器，作为8255A与系统总线之间的接口，用来传送数据、指令、控制命令及外部状态信息。读/写控制逻辑电路读/写控制逻辑电路接受CPU发来的控制信号HO、WR、RESET、RD、和地址信号AlAl,然后根据控制信号的规定，将端口数据送往CPU,或者CPU数据送来的数据写入端口。(2)8255A的引脚功能D7-DO:三态双向数据线，与单片机数据总线连接，用来传送数据信息。国：片选信号，低电平有效时芯片被选中。RD：读出信号线，低电平有效时允许数据读出。丽：写入信号线，低电平有效时允许数据写入。Vcc:+5v电源。PA7-PAO：A口输入/输出线。PB7-PBO：B口输入/输出线。AlA0：地址线，用来选择内部端口。RESET：复位信号线，高电平有效。复位后清除控制寄存器，所有口均为输入。(3)8255A的工作方式选择工作方式控制字的格式如下表。8255有方式0、方式1和方式2三种基本工作方式，可由工作方式控制字来选择，由CPU通过输出指令(地址A1=A2=1时)写入。其中C口被分为两部分，上半部分与A口配合组成A组，下半部分与B口配合组成B组。A口可工作于方式0、方式1或方式2,而B口只能工作于方式0或方式1。1D6D5D4D3D2DlDO1为工作方式控制字标志。D6、D5：A组工作方式选择，OO为方式O,01为方式1,10为方式D4：A口输入输出选择，1为输入，0为输出。D3：C口上半部分输入输出选择，1为输入，。为输出。D2：B组工作方式选择，1为方式1,0为方式0。DI：B口输入输出选择，1为输入，0为输出。DO：C口下半部分输入输出选择，1为输入，0为输出。2.2.2显示电路简介cobaedcOBcdp图2-6数码管引脚图显示器是最常用的输出设备。特别是发光二极管显示器（1.ED）和液晶显示器（1.CD）,它们是最常用的显示器件，由于它们都具有结构简朴、耗电少、价格低廉、接口简朴、寿命长等优点，广泛应用于智能仪表场合，特别是单片机系统中大量应用。考虑到一般工业现场的工作特点（工作温度、光线等），在本设计中选用1.ED数码管显示。数码管是运用发光二极管1.ED（lightemittingdiode）显示字段的显示器件。其外形结构如图2-6。它由八个发光二极管构成，通过不同的组合可用来显示O9、AF、负号“一”和小数点等字符。单片机系统中，数码管显示接口一般采用静态驱动和动态扫描两种驱动方式。静态驱动方式工作原理是每一个数码管用一个I/O端口驱动，亮度大，耗电也大，占用I/O口线多。动态扫描方式是将多个数码管的段码同名端接在一起，位码分别控制，运用眼睛的视觉滞留效应，分别进行显示。只要保证一定的扫描频率，看起来的效果和静态显示是同样的。本系统已将Pl口用作地址/数据复用总线，P2口用作高位地址总线，Pl口用于矩阵键盘，没有足够的I/O口线用于静态显示，故采用动态扫描方式，将段码锁存器和位码锁存器当成两个外设进行控制。1.ED数码管一般分为共阴型和共阳型两种。共阴型是将8个发光二极管阴极连接在一起作为公共端。而共阳型是将8个发光二极管的阳极连在一起作公共端。本课题采用的是共阴型数码管，在此论述时都以共阴型为例。数码管公共端相称于一个总开关，一般称为位码开关，当它为高电平时数码管全灭；当它为低电平时，根据发光二极管阳极(一般称为段码)的状态，高电平则该段亮；低电平则该段不亮。输出一个段码就可以控制数码管的字型。5432101-1-1-1-1-1-9-7-YOYYY3Y4Y5Y6Y7AB122ABCG-G-G2.2.3741.S138和741.S373简介(1)译码器741.S138741.S138是一个3-8译码器，3相应于ABC三个输入端，其拟定的范围为二进制OOOII1.8相应于8个输出端YOY7。选通端G1、司；、和弧这三个信号都有效时，译码器才有效。在同一时间内最多只有一个输出端被选中，被选中的输出端为低电平，其余均为高电平。共16个引脚，其引脚说明如下：A、B、C：选择端即信号输入端。G1、喙、可:使能端，其中二、司7低电平有效，Gl高电平有效。YOY7：译码输出信号，始终只有一个为低电平。Vcc：电源端，÷5VoGND：线路地。(2)锁存器741.S373741.S373是带有三态门的八D锁存器，OEQODO1239201918VccQ7D7当使能信号线OE为低电平时，三态门处在导D1Q1451716D6Q6通状态，允许D0-D7输出到Qo-Q7；当近端Q2D2671514Q5D5为高电平时，输出三态门断开，输出线Qo-Q7D3Q3891312D4Q4处在浮空状态。G称为数据打入线，当GND1011G741.S373用作地址锁存器时，一方面应使三态图2-8741.S373引脚图门的使能信号瓦为低电平，这时，当G端输入端为高电平时，锁存器输出（QO-Q7）状态和输入端（DO-D7）状态相同；当G端从高电平返回到低电平（下降沿）时，输入端（DO-D7）的数据锁入Qo-Q7的八位锁存器中。当用741.S373作为地址锁存器时，它们的G端可直接与单片机的锁存控制信号端A1.E相连。在A1.E下降沿进行地址锁存。引脚说明如下：D0D7:锁存器8位数据输入线。Q0Q7:锁存器8位数据输出线。GND：接地引脚。Vcc：电源引脚，+5V有效。OE：片选信号引脚。G：锁存控制信号输入引脚。2. 2.4键盘显示接口电路设计如图2-9所示为8X2键盘、6位显示器和单片机的接口电路图。因8225A的衣与741.S138译码器的Y15相连，所以可选FFFFH为8255A的控制字地址，FFFCH为A地址，FFFDH为B地址，FFFEH为C地址。8255A的PB口为输出口，控制显示器字形，PA为输出口，控制键扫描作为键扫描口，同时又作为6位显示器的位扫描输出口,8255A的C作为输入口，PCOPCl读入键盘数，称为键输入口。2.3步进电机控制系统设计步进电机的静态性能和动态性能与驱动器的性能和驱动方式密切相关。步进电机控制器有两个发展趋势，一是高度集成化和专用化，即使用专用集成电路。二是为了提高控制精度和运营的平稳性，采用微步驱动技术。在本设计中脉冲分派器选用了专用集成芯片PMM8713。功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流。平均电流越大电机力矩越大，要达成平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采用不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。步进电机控制系统由环形脉冲，功率放大等组成，如图210所示。2.3.1脉冲分派器PMM8713简介PMM8713为专用的步近电机控制用脉冲分派器，为双列直插式16脚单片CMoS集成芯片。其内部有时钟选通、激励方式控制、可逆环形计数器、激励方式判断等电路。（1） PMM8713的特点：既可以用于三相控制，又可以用于四相控制。励磁有1相、2相和1-2相三种方式。可任选其中一种方式。具有单时钟或双时针工作方式，带有正反转功能和初始化功能。所有输入端均采用施密特整形电路，因此具有很强的抗干扰能力。输出电流大于20毫安，可以直接驱动微型步进电机。（2） PMM8713的各引脚说明:CU（I脚）、Cp（2脚）：双时钟工作的时钟输入端。CU端接正转时钟，CP端接反转时钟。CpCk-0（3脚）：单时钟输入端。单时UD钟输入时步进电机的正反转由UD（4E,脚）来控制。QGEss-U/D（4脚）：旋转方向切换。单PMM8713激励判断图2-11P三8713内部结构图2O356VddCoEm2634R时钟输入时，当U/D为高电平时，输出端输出正转脉冲序列；当U/D为低点平时，输出端输出反转脉冲序列。Ea（5脚）和EB（6脚）：激励方式选择端。EA和EB都为。时，为双激励方式。EA和EB都为1时为1-2相激励方式。EA和EB电平相反时，为单激励方式。C（7脚）：3相或4相选择控制端。当该脚为O时，为3相输出；为I时，则为4相输出。通过该脚可以选择控制3相或4相步进电机。$（8脚）：接地端。R（9脚）：复位控制端。加低点平使输出端复位为下表所示的初始状态（其中1表达高电平，O表达低电平）。一,（1013脚）：4相驱动端。用于输出4相控制信号。3（1113脚）：3相驱动端。用于输出3相控制信号。Em（14脚）：激励方式状态标志。双激励方式时，该端输出为高点平；单激励方式时，该端输出为低点平；1-2相激励方式时，该脚输出两倍时钟周期的脉冲。Co（15脚）：输入时钟检测端。当该电路有时钟脉冲输入时，在Co端输出同步于时钟的脉冲。Vdd（16脚）：电源输入端。输入电压范围+418Vo表2-1PHM8713初始状态表激励方式输入输出3/4EAEBREMc312相O11O11O1O2相OOOO11O1O1相OO11OOO1O1O2. 3.2功率放大电路设计从脉冲分派器输出的电流只有几个毫安，不能直接驱动步进电机。由于一般步进电机需要几个到几十个安培的电流，因此在脉冲分派器后需要有功率放大电路，用放大后的信号去驱动步进电机。功率放大电路的种类有很多，它们对电机性能影响也各不相同。常用的有单一电压型电源和高低压型电源。本设计采用单电压功率放大电路。由于电动机各相绕组都是绕在铁心上的铁圈，所以电感较大。绕组通电时，电流上升受到限制，因而影响电动机各相绕组电流的大小。绕组断电时，电感中磁场的储能元件将维持绕组中已有的电流而不能突变，所以在绕组断电时会产生反电动势。为使电流尽快衰减并释放反电动势必须增长适当的续流回路。R2V2鼠Th三三_O+U11Rl电机一相绕组信号电压U脉冲分配器KVl2.4 光电耦合部分设计为了防止强电干扰及其干扰信号通过oI/O控制电路进入计算机，影响其工作，11r1.通常的办法是实现采用滤波吸取，控制干1.J-!SZQd!扰信号的产生,然后采用光电隔离的办法，;、由I使微机与强电部件不共地，中断干扰信号|>输入OCVTO输出的传导。重要由光电转换元件组成。如图1_2-13所示。图213光电耦合原理图控制输出时，微机输出的控制信号经741.S04非门反相后，加到光电耦合器的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，通过反相加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏三极管截止，输出信号几乎等于加在光敏三极管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏三极管接受发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。本设计中采用光电耦合器T1.P521-4,它能使输入输出绝缘，从而对地电位差干扰和电磁干扰有很强的克制能力，且速度高、价格低、接口简朴。2.5 步进电动机概述步进电动机是一种将电的脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件，通俗的讲，就外加一个脉冲信号于这种电动机时，它就运营一步。步进电机的种类很多，一般分为反映式、混合式、永磁式、直线式四大类，其中反映式和混合式比较常用。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朴。2.5.1 步进电机的结构和原理本设计中选用的是三相反映式步进电机,下面对其结构和原理作进行简要的说明。图2-14反应式步进电动机的结构示意图反映式步进电机又为磁阻式步进电机，如图2T4所示，这是一台三相电机，定子铁心有硅钢片叠成，定子上有6个磁极（大齿），共有3套控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁心构成，转子上没有绕组，转子只有4个齿，齿宽等于定子的极靴宽。反映式步进电机的是运用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反映转矩而转动的。当A相控制绕组通电,而B相和C相不同电时，由于磁通具有力图走磁阻最小途径的特点，所以转子齿1,3的轴线与定子A极轴线对齐。同理,当断开A相,接通B相时，转子便按逆时针方向转过30度，使转子齿2,4的轴线与定子B轴线对齐。断开B相，接通C相，转子再转过30度，使转子齿1,3的轴线与C极轴线对齐。如此按A-B-C-A顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步步地按逆时针方向连续转动。其转速取决与各控制绕组通电和断电的频率（即输入脉冲的频率），旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。若上述电机通电顺序改为A-C-B-A则电机转向变为顺时针。这种按A-B-C-A方式运营的称为三相单三拍运营。所谓“三相”,指此步进电机具有三相定子绕组；“单”是指每次只有一相绕组通电；“三拍”指三次换接为一个循环，第四次换接反复第一次的情况。除了这种运营方式外，三相步进电机还可以三相六拍和三相双三拍运营。三相六拍运营的供电方式是A-AB-B-BC-C-CA-A这时，每一循环换接6次，共有6种通电状态。三相双三拍的运营方式是AB-BC-CA-AB方式供电。这时，与单三拍运营时同样，每一循环也是换接3次，共有3种通电状态，但不同的是每次换接都同时有两相绕组通电。2.5.2步进电机控制方法步进电机可进行角度控制。每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号Ob表达。当电机按三相单三拍运营，即按A-B-C-A顺序通电时，若开始时是A相通电，转子轴线与A相磁极的齿轴线对齐；换接一次绕组，转子转过的角度为1/3齿距角；转子需走3步，才转过一个齿距角；此时转子轴线又重新与A相磁极的齿轴线对齐。由于转子相邻两齿间的夹角，即齿距角为(式中，ZR为转子齿数)，所以转子每步转过的空间角度(机械角度)，即步距角为式中，N为运营拍数，N=km(k=l,2;m为相数)步进电机也可以进行速度控制。角度控制时，每输入一个脉冲，定子绕组就换接一次，输出轴就转过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。速度控制时，送入步进电机的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电机连续运转，它的转速与脉冲频率成正比。由上面的公式可知，每输入一个脉冲，转子转过的角度是整个圆周的1/(ZliN),也就是转过1/(ZzfN)转，因此每分钟转子所转过的圆周数，即转速为n=W(r/min)(23)ZnN式中，f为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。步进电机具有自锁能力。当控制脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，电机可以保持在固定的位子上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位子上。这样，步进电机可以实现停车时转子定位。2.5.3步进电机的矩频特性作单步运营时的最大允许负载转矩为Tq,但当控制脉冲频率逐步增长时，步进电机所能带动的最大负载转矩值将逐步下降。这就是说，电机连续转动时所产生的最大输出转矩T是随脉冲频率f的升高而减少的。T与f两者间的关系曲线称为步进电机运营矩频特性，如图2-15所示。图2-15步进电机的频率特性2.5.4步进电机的启动若步进电机本来静止于某一相的平衡位置上，当一定频率的控制脉冲送入时电机就开始转动，但转速不是一下子就能达成稳定数值的，有一暂态过程，这就是启动过程。在一定负载转矩下，电机正常启动时（不丢步、不失步）所能加的最高控制频率称为启动频率。这也是衡量步进电机快速性能的重要技术指标。启动频率要比连续运营频率低得多。这是由于电机刚启动时转速为0,在启动过程中，电磁转矩除了克服负载转矩外，还要克服转动部分的惯性矩Jd20dt2（j是电机和负载的总惯量），所以启动时电机的承担比连续运转时要大。假如启动时脉冲频率过高，则转子的速度就跟不上定子磁场的旋转速度，以致第一步后的位置落后于平衡位置，以后各步中转子速度增长不多，而定子磁场仍然以正比于脉冲频率的速度向前转动。因此，转子位置与平衡位置间的距离越来越大，最后转子位置落到动稳定区之外而出现丢步或振荡现象，从而电机不能启动。为了能正常启动，启动频率不能过高，但电机一旦启动以后，假如再逐渐升高脉冲频率，由于这时转子加速度"2。/di?较小，惯性矩不大，因此电机仍能升速。显然连续运营频率要比启动频率高。当电机带着一定的负载转矩启动时.，作用在电机转子上的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转矩越大，加速转矩就越小，电机就越不容易启动。只有当每步有较长的加速时间（即较低的控制脉冲频率）时电机才干启动。所以，随着负载的增长，其启动频率时下降的。要提高启动频率，重要有可以从以下三方面考虑:提高电机的转矩；减小电机和负载的惯量；增长电机运营的拍数，使矩角特性移动速度减慢。2.6电源电路设计电源电路如图2T6所示，由变压器、整流桥、滤波电路和稳压块组成。交流220V通过变压器降压到14V左右，通过整流桥整流为脉动的直流。电路中Cl、C2组成了滤波电路，可以起到改善波纹的作用。C3的作用是改善负载的瞬态响应。1.M7805产生的+5v电源是给单片机系统中的各集成块提供+5V电源。1.M7812产生的+12电源是给步进电机接口电路提供所需要的+12V电源。为此系统电源设立了两路供电线路。一路专为+5V电源。变压器次级的交流电经二极管全桥整流电容滤波后得到的直流电压送入1.M7805三端集成稳压块内，输出+5V电压。另一路为+12V电源。为了避免步进电机工作时的强电磁脉冲干扰系统电路正常工作，采用单独的电源为步进电机供电。此电路选用的是1.M7812集成稳压块。表2-2稳压模块参数型号Vin(V)Vout(V)Imax(V)1.M78057.5204.8-5.21.01.M781214.5271112.51.0(1)单片机对步进电机的控制方法:单片机对步进电机的控制有串行控制和并行控制两种方式。本设计采用的是串行控制方式，此方式下单片机控制系统与步进电机驱动器之间只有两条控制线。一条发出时钟脉冲信号来控制步进电机的转速；另一条发出转向信号控制步进电机的转向。这两个信号都是送入步进电机驱动器的输入端，驱动器中具有环行分派器，对步进电机励磁方式的控制和控制脉冲的分派都是由环行分派器来完毕的。由于单片机控制系统与驱动器之间只有两条控制线，从而使系统结构大为简化。控制系统按速度控制的规定从时钟脉冲控制线发出相应的控制脉冲即可对步进电机的转速进行控制。当需要恒速运营时，就发出恒定频率的控制脉冲；当需要加速运营时，就发出频率递增的控制脉冲；当需要减速运营时，就发出频率递减的控制脉冲；当需要锁定状态时，只需要停止发脉冲就可以了。因此，可以方便地对电动机的转速进行控制。转向控制线可实现对步进电机转向的控制，当输出高电平“1”时，环行分派器按正方向进行脉冲分派，步进电机正向旋转；当输出低电平“0”时，环行分派器按反方向进行脉冲分派，步进电机反方向旋转。步进电机接口的原理图如图2-17所示:DlRlVcc图2-17