步进电机驱动两坐标线切割控制

一、标题：专业选修课实训—步进电机驱动两坐标线切割控制

1、作品照片

2、焊接电路照片

二、步进电机的应用及发展、电路功能

1、设计目标

利用两个步进电机组成X、Y 坐标系，并分别控制工作台上X 轴和Y 轴的步进脉冲，实现从起点 A 点到预定点 B 点的走向控制。

对步进电机的控制要求:

（1）．判断旋转方向；

（2）．按顺序传送控制脉冲；

（3）．判断所要求的控制步数是否传送完毕。

2、X、Y 工作台的传动方式

为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杆螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。

由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减少工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动，系统总体框图如下：

图1步进电机控制XY轴系统总体框图

3、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。

3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4.步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。

5.由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

6.步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。

7.速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。

8.步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。

9.步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。

10.步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

4、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。

三、电路的组成

1、步进电机的结构及工作原理

结构

图2 步进电机内部结构图

如图2.1 所示，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

工作原理：

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 应与 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、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。

2、步进电机驱动

步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口。

3、步进电机的单片机控制

步进电机控制系统组成

图3用微型机控制步进电机原理系统图

与传统步进控制器相比较有以下优点：

（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。

4、脉冲序列的生成

图4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。

5、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

6、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

四、电路设计

1、设计思路

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，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。

2、设计分析

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A-AB-B-BC-C-CA-A,，反序为A-AC-C-CB-B-BA-A

图5 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所示：

表6三相六拍工作方式的控制字

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。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。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。如下图所示：

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、步进电机驱动（采用单电压驱动）

单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电，它的特点是电路最简单。

步进电机使用脉冲电源工作，脉冲电源的获得可通过下图说明，开关管T是按照控制脉冲的规律“开”和“关”，使直流电源以脉冲方式向绕组L供电，这一过程我们称为步进电机的驱动。实用电路如下图所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。Rs对步进电动机单步响应的改善如图6 所示：

图6单电压功率驱动接口电路图

电路中只有一个电源V，电路中的限流电阻R1 决定了时间常数，但R1太大会使绕组供电电流减小。这一矛盾不能解决时，会使电动机的高频性能下降，可在R1 两端并联一个电容，以使电流的上升波形变陡，来改善高频特性，但这样做又使低频性能变差。

R1 在工作中腰消耗一定的能量，所以这个电路损耗大，效率低，一般只用于小功率步进电机的驱动。

4、完整电路图

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11 脚～13 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。电路图如下所示：

6、程序框图

根据设计任务，可画出控制步进电机正反转，加减速控制，工作方式为双时钟，程序框图如上：

程序代码如下：

本程序的资源分配如下

R0——中间寄存器R1——储存速度级数R2——储存级数步数

R3——加减速状态指针，加速时指向35H，恒速时指向37H，减速时指向3AH;

P0.0——正转脉冲输入；

P0.1——反转脉冲输入；

P1.3——正转按钮K1；

P1.4——反转按钮K2；

P1.5——加速按钮K3；

P1.6——减速按钮K4；

定时常数序列放在以ABC 为起始地址的ROM 中。初始R3=35H,R1、R2都有初始值

ORG 0000H

JNB P0.0,ZZ

JNB P0.1,FZ

ZZ: INC R0

CJNE R0,#06H,ZZ1

MOV R0,00H;

ZZ1:MOV A,R0;

MOV DPTR,#ABC;

MOVC A,@A+DPTR;

MOV P0,A;

FZ: DEC R0;

CJNE R0,#0FFH,FZ1;

MOV R0,#05H ;

FZ1:MOV A,R0;

MOV DPTR,#ABC;

MOVC A,@A+DPTR;

MOV P0,A;

ABC:DB 01H,03H,02H,06H,04H

RET

JS: MOV R0,#35;

CJNE @R0,#0FFH,JS1;

INC R0;

DEC @R0;

JS1:DJNZ R2,JS2;

INC R1;

MOV A,R1;

MOV B,#120;

MUL AB;

MOV R2,A;

JS2:DJNZ R2,JS3;

DEC R1;

MOV A,R1;

MOV B,#180;

MUL AB;

MOV R2,A;

JS3:DJNZ R2,JS1;

DEC R1;

MOV A,R1;

MOV B,#240;

MUL AB;

MOV R2,A

RET;

END

五、调试过程、实验结果

1、调试过程：主要包括以下三个方面

硬件调试：接通电源，检查焊接电路能否正常工作，接头是否接触良好。看是否有输出信号脉冲，和各个开关的按下后是否会变化。

软件调试：按照设计思路用proteus仿真软件画出仿真电路图，先检查单片机的高低电平是否接对和最小系统是否运作正常，接着检查单片机的输出口是否有脉冲信号输出，再检查信号放大电路是否工作，最后检查步进电机的接线是否正确。

运行调试：在硬件调试和软件调试正确的基础上，使电路进入运行状态，观察运行情况，看是否能够实现三相步进电机的正反转、快速、中速、慢速、单步、定步控制。

以上这3个方面的调试基本没有遇到什么困难，做完以上3个方面调试后，接着就是程序的编写和调试过程了，这个过程可以说是最简单但同时也是最复杂的，因为程序中的每个指令都会影响到电路的运作，只要程序中那里稍微喝电路不对或者出现错误，那么你的电路就没有成功可言，所以说做好程序调试着一步，是我本次设计至关重要的一步。我的程序调试过程如下：

1.先编写程序实现步进电机的正反转和停止，因为这步相对来说较简单，正要根据步进电机的型号和工作方式去选择输出脉冲信号的变化就可以得以实现。

2.在实现步进电机的正反转和停止的基础上，进而去实现在原有步进电机的转速上通过编程实现步进电机的正反转、快速、中速、慢速、单步、定步控制。这个步骤相对下来可能较难，因为对步进电机调速，要经过一定计算才能实现，否则会使步进电机产生失步，定位不精等情况。控制系统发出的N个进给脉冲，经驱动线路之后，变成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化次数N，使步进电机定子绕组的通电状态变化N次。由步进电机工作原理可知，定子绕组通电状态的变化次数N决定了步进电机的角位移?,? = Nα(α 即步距角)

2、实验结果：

实现了步进电机的正反转和停止控制，未能实现电机的、快速、中速、慢速、单步、定步控制。正在调试过程中。。。

六、小结、心得体会

本设计通过单片机AT89C51 和脉冲分配PMM8713 来控制步进电机的正反转，加减速，以实现基于XY 轴坐标的步进电机的运动控制。利用步进电机的转子的旋转带动所联接的丝杆的旋转，丝杆又带动了XY 工作台进行直线位移。本设计实现了占用CPU 时间少，效率高；易于控制步进电机的转向转速；提高了步进电机的步进精度等。

通过这次专业选修课实训，让我更加深刻理解了课本的知识，并使我熟悉和掌握了步进电机的控制和使用，掌握了AT89C51的管脚分配和环形分配器PMM8713的使用、汇编程序调试等。通过调试找出了自己的问题所在，相应的修改程序。在编程过程中难免会有不足之处，因此通过调试，再修改程序可以更好实现相应的功能。在今后的学习和工作生活中我会更加的努力，做到课本知识理论扎实同时也会努力把自己所学的知识应用到实践中去。最后感谢在这次在实训中帮助过的同学和老师的悉心指导。