小功率步进电机位置控制系统设计

目录

第一章概述 (1)

1.1课题背景 (1)

1.2单片机应用发展简介 (1)

1.3主要研究工作 (2)

第二章步进电机原理及驱动 (3)

2.1步进电机的工作原理 (3)

2.2步进电机的驱动 (3)

2.2.1步进电机的驱动方式................................................ 错误！未定义书签。

2.2.2步进电机的驱动特点................................................ 错误！未定义书签。

2.2.3步进电机驱动器的直流供电电源的确定................ 错误！未定义书签。

2.3步进电机控制系统构成 (5)

第三章单片机控制步进电机的方法 (6)

3.1步进电机控制方法 (6)

3.1.1 串行方式 (6)

3.1.2 并行方式 (6)

3.2PIC单片机介绍 (6)

3.2.1 PIC单片机介绍 ..................................................... 错误！未定义书签。

3.2.2 PIC系列单片机的结构 ......................................... 错误！未定义书签。

3.3步进电机的单片机控制 (7)

第四章系统硬件设计 (8)

4.1系统硬件结构 (8)

4.2模拟步进电机驱动电路 (8)

4.3LED显示接口电路 ........................................................ 错误！未定义书签。

4.4键盘接口设计................................................................. 错误！未定义书签。

4.5石英多谐振荡器电路设计............................................. 错误！未定义书签。

4.6光电编码器原理及分类 .................................................. 错误！未定义书签。第五章系统软件设计 (9)

5.1软件结构 (9)

5.2子程序模块 (10)

5.2.1 串行静态显示模块 (10)

5.2.2 键盘扫描模块 (11)

5.2.3 中断模块 (12)

结论 (13)

参考文献 (14)

致谢 (15)

附录1 .......................................................................................... 错误！未定义书签。附录2 .......................................................................................... 错误！未定义书签。

第一章概述

1.1 课题背景

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的机电执行元件，每外加一个控制脉冲，电机就运行一步故称为步进电机或脉冲马达。当步进电机接收到一个脉冲信号，它就按设定的方向转动一个固定的角度(步进角)。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。

步进电机具有转子惯量低，定位精度高，无累积误差，控制简单等特点。实际操作时不受电源电压，负载，环境，温度的影响能够实现快速启动、制动和反转。步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制，步进电机作为控制执行元件，是机电一体化的关键产品之一，以广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。随着数字技术和计算机的发展，研究步进电机驱动电路，使步进电机的控制更加简便，灵活和智能化，使其应用更加广泛。

步进电动机的发展方向主要有如下三点:

（1）进一步完善和扩展驱动和控制功能。如采用SVPWM技术，采用电子齿轮比技术，扩展通讯网络功能等。

（2）高功率密度步进电动机系统。

（3）闭环控制步进电动机系统。为了彻底克服步进电动机系统一些根本性的弱点，如振荡的倾向及失步等，可改为闭环系统，但这种改变使步进电动机系统已起了质的变化，不再是本来意义上的步进电动机，而成为无刷直流电动机(BLDCM)，或交流伺服电机(AC SERVO）。

1.2 单片机应用发展简介

单片微型计算机（Single Chip Microcomputer)简称单片机，是在一块芯片体上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/O接口等部件，构成的一个完整的微型计算机。

自1971年Intel公司制造出第一块4位微处理器以来，发展十分迅猛，经历了4位机、低档8位机、高档8位机、16位机及最新一代的单片机。最新一代单片机在结构上采用双CPU或内部流水线，CPU有8位、16位、32位，时钟

频率高达20Hz，片内有PWM输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输、调制解调器等。芯片向高集成化，低功耗方向发展，使得单片机在大量数据的及时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。

单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，故在国民经济建设、军事及家用电器等领域有广泛的应用。按照单片机特点，单片机可分为单机应用和多机应用。

1.3 主要研究工作

硬件设计方面：通过单片机实验加深对步进电机的驱动电源和电机工作情况了解，测定并研究其在单步运行状态，角位移和脉冲数关系，平均转速和脉冲频率的关系。观察转子振荡状态，并且掌握步进电机的基本特性和指标。根据功能需要选择电路元器件和型号，设计电路并能解决现实抗干扰问题。画出电路原理图。

软件设计方面：通过汇编语言编写核心模块对步进电机进行控制。最终编写出一个完整步进电机控制程序，能够调节步进电机的转向和速度。由于转速是通过调节脉冲频率实现的，因此设计脉冲分配采用完全软件方式，既按照给定的通电换向顺序，通过单片机I/O口向驱动电路发出控制脉冲，这样就避免采用复杂脉冲分配芯片，来实现单片机对步进电机的控制。程序设计按照掌握计算机相序控制方法，采用适合三相单四拍、双四拍和单、双八拍的循环移位法，并且在现实操作中解决堵转和启动失步等问题。

第二章步进电机原理及驱动

2.1 步进电机的工作原理

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。

步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。

2.2 步进电机的驱动方式

步进电机常用的驱动方式是全电压驱动，即在电机移步与锁步时都加载额定电压。为防止电机过流及改善驱动特性需加限流电阻。由于步进电机锁步时，限流电阻要消耗掉大量的功率。因此，限流电阻要有较大功率容量，并且开关管也要有较高的负载能力。

步进电机的另一种驱动方式是高低压驱动，即在电机移步时加额定或超过额定值的电压，在较大电流驱动下，使电机快速移步。而在锁步时则加低于额定值的电压，只让电机绕组渡过锁步所需的电流值。这样既可以减少限流电阻的功率消耗，又可以提高电机运行速度，但这种驱动方式的电路相对要复杂一些。驱动脉冲的分配可以使用硬件方法，即使用脉冲分配器实现。现在脉冲分配器已经标准化，芯片化，市场上可以买到。但硬件方法不但结构复杂，而且成本也较高。

步进电机控制也可以使用软件方法，即使用单片机实现，这样不但简化了电路，而且也降低了成本。使用单片机以软件方法，驱动步进电机，不但可以通过编程方法在一定范围内自由地设定步进电机的转速，往返转动的角度以及转动次数等，而且还方便灵活控制步进电机的运行状态。

步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备—步进电动机驱动器。步进电动机驱动系统的性能，除与电动机自身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。

图 2-1 驱动器构成

步进电动机驱动器的主要构成如图2-1所示，一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还要有多种保护线路。

环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲，并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个CP脉冲，环形分配器的输出转换一次。因此，步进电动机转速的高低、升速或降速、起动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序或者按反序转换，于是就决定了步进电动机的转向。接受CP脉冲和方向电平是环形分配器的最基本功能。

从环形分配器输出的各相导通或截止的信号送入信号放大与处理级。信号放大的作用是将环形分配输出信号加以放大，变成足够大的信号送入推动级，这中间一般既需电压放大，也需电流放大。信号处理级是实现信号的某些转换、合成、产生斩波、抑制等特殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组合在一起，形成较高性能的驱动输出。推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级输入的较大信号。有时，推动级还承担电平转换的作用。

保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。有时还需要对输入信号进行监护，发现输入异常也提供保护动作。驱动级直接与步进电动机各相绕组连接，它接受来自推动级的信号，控制电动机各相绕组的导通与截止，同时也对绕组承受的电压和电流进行

控制。

2.3 步进电机控制系统构成

步进电机控制系统由步进控制器、功率放大器和步进电机组成，如图2-5所示。

图 2-5 步进电机控制系统组成图

步进控制器包括缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正反转控制门等。其作用是把输入脉冲变为环形脉冲，以便实现对步进电机的转动和正反向控制。功率放大器的作用是将步进控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。在这种控制中，由于步进控制器线路复杂，成本高，限制了它的应用。

随着微型计算机的广泛应用，采用计算机控制系统，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。这不仅简化了线路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。如图2-6为微机控制步进电机的系统结构图。

图 2-6 微机控制步进电机的系统结构图

在步进电机的运行过程中，将可能出现失步，其失步原因有两种：

（1）转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，也就是低于换相速度而产生的。这是因为输入电机的电能不足，在步进电机中产生的同步力矩无法使转子速

度跟随定子磁场的旋转，从而引起失步。

（2）转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时间较长，大于转子步进一步所需要的时间，则转子在步进过程中获得过多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡，当振荡足够严重时就会导致失步。

第三章单片机控制步进电机的方法

3.1 步进电机控制方法

3.1.1 串行方式

将PIC单片机与串行接口芯片8251组成串行控制系统，与步进电机驱动电源相连，通过将控制信号送入电源中的环形分配器，再经功率放大器放大，就可控制步进电机的运行，如图3-1所示。

图 3-1 串行控制方式示意

3.1.2 并行方式

用PIC单片机和P1的数据输出信号直接控制步进电机各相驱动电路的方式，称为并行控制。在步进电机驱动电源内包括环形分配器，但其功能由单片机系统完成。由系统实现脉冲分配有2种方法，一是纯软件方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止信号，主要有寄存器移位法和缓冲区查表法；二是软硬件相结合的方法，单片机向可编程接口芯片8255输出控制信号数据，在由可编程接口芯片输出步进电机的各相导通或截止的控制信号。

3.2 PIC单片机介绍

PIC系列单片机是由美国Microchip公司生产的单片机产品，目前在世界8位单片机冲销量第一。PIC系列单片机具有良好的抗干扰性能、简洁的指令集，所需硬件配置较少，因此，在电脑的外设、家电控制、电信通信、智能仪器、汽

车电子及金融电子等各个领域得到了广泛的应用。

PIC单片机（Peripheral Interface Controller）是一种控制外围设备的集成电路（IC），是把CPU、ROM和I/O等集成在一块芯片上的特殊微型计算机。PIC系列单片机是一种具有分散（多任务）功能的、面对控制应用的一种微处理器。它采用精简指令集、哈佛总线结构、二级流水线指令方式。除了具有一般单片机所具有的实用、低价、低功耗、高速度、体积小、功能强等特点外，还具有品种多、指令集小、简单易学、较强的抗干扰能力、彻底的保密性、自带看门狗定时器等特点，体现了单片机发展的一种新趋势。

3.3 步进电机的单片机控制

步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号。因为步进电机的运动不产生旋转量的误差累积。由单片机实现的步进电机控制系统如图3-2

图3-2 单片机控制步进电机

假定以PIC单片机的PB口线接步进电机的绕组，输出控制电流脉冲，其中PB0接A，PB1接B，PB2接C。

（1）双相三拍控制

双相三拍控制模型如表3-1所示

表3-1

（2）三相六拍控制程序

在双相三拍程序中，PB口输出的控制字是在程序中给定的。而在三相六拍的控制中，由于控制字较多，故可以把这些控制字以表的形式预先存放在内部RAM单元中，运行程序时以查表的方式逐个取出并输出。

第四章系统硬件设计

4.1 系统硬件结构

计算机的硬件和软件是相互结合而工作的，有些任务必须由硬件来实现，另外有些任务必须由软件来实现。但是也有一些任务即可以由软件来完成，也可由硬件来完成。一般来说，增加硬件会提高成本，但能简化设计程序，且实时性好。反之，加重软件任务，会增加编程调试工作量，但能降低硬件成本。所以要合理的安排软、硬件的结构。

图 4-1 系统硬件结构

系统的硬件框图如图4-1示。本系统由键盘接口电路、数码管显示接口电路、多谐振荡电路和发光二极管模拟的步进电机驱动电路构成。由于本微机控制系统采用单片机作为核心部件，利用单片机构成系统应从元件进行系统设计，根据任务需要，选择合理的单片机并配置必须的接口和外围设备来构成系统。

4.2 模拟步进电机驱动电路

本系统是由单片机PC口输出的脉冲信号来控制步进电机，用4个发光二极管LED亮灭的快慢来模拟电机速度，用LED亮灭的顺序来模拟电机的相序和拍数。本系统选择的发光二极管为红色、圆形，开启电压在1.6～1.8V之间，正向电流越大，发光越强。

输出通道的设计内容是确定通道结构和元件装置，合理选择驱动电路。本系统的输出通道也就是控制步进电机的通道，由于PIC单片机的PC口可以作为输出使用，所以将其作为输出通道的控制断口，采用三相四拍的模拟步进电机进行控制需要PC口中的三位。四相、五相需要PC口的四、五位。

本来单片机与步进电机的接口需由专用的控制装置实现，这里单片机与模拟步进电机的发光二极管通过直接连接的方法实现。步进电机的脉冲分配由单片机

通过软件控制构成环形分配器。

第五章系统软件设计

5.1 软件结构

系统应用程序由主程序、中断服务程序和其它子程序组成。在设计中采用模块化程序设计技术，根据系统的功能，将软件分成若干个功能相对独立的模块，包括系统初始化程序模块、处理程序模块、人机接口程序模块等。

系统主程序必须具有系统自检和初始化功能。主程序主要完成初始化、产生脉冲、键盘检测、数值显示等功能。开机后首先执行初始化程序，系统初始化程序模块的功能主要是完成对单片机系统资源的初始分配。主要包括各变量的初始化，时钟振荡器的设置、定时器/计数器初始化、I/O端口的初始化以及标志位的初始化。

系统软件设计采用模块化程序设计。采用了串行显示程序模块、键盘扫描程序模块、中断程序模块、计数模块。子程序的调用通过ACALL和LACLL指令调用。子程序调用既参数传递中，主程序先把有关参数存入约定位置，子程序执行时，可以从约定位置取得参数，子程序执行完后，将得到的结构存入约定的位置，返回主程序后，主程序可以从约定得到需要的结果。主程序编程流程图如图5-1所示。

图5-1 主程序流程图

5.2 子程序模块

5.2.1 串行静态显示模块

串行静态显示模块硬件采用5个8位输出口控制74LS164移位寄存器来控制发光二极管的恒定导通和截止。寄存器保存CPU扫描到的高电平，显示器显示出高电平的位，其余为暗，这样就会显示出各种字符。串行静态显示模块的子程序流程图如下图5-2。

图5-2 静态显示流程图

5.2.2 键盘扫描模块

系统键盘扫描采用行扫描法。8个功能键可看成一个1行8列的矩阵式键盘。因行线接地线，各行线均为低电平。当列线输出是高电平时，有键按下列线变为低电平。此时读到的键值就是按下的键。带移位寄存器的键盘扫描程序流程图如图5-3所示。

5-3 键盘扫描程序流程图

5.2.3 中断模块

单片机的中断系统由与中断有关的特殊功能寄存器、中断入口、顺序查询逻辑电路组成。中断源有5个，分别为INTO、定时器T0、INT1、定时器T1、串行口。本系统中断模块采用外部INT1中断源，它由P3.3引脚输入，低电平/负跳变有效，在每个机器周期的S5P2采样并建立IE1标志。外部中断1的地址入口为0013H。外部INT1中断服务如下：

INTSEV:

5.2.4 计数模块

单片机都具有定时/计数器，是一个增量溢出计数器，对外部脉冲进行计数使用的。可选择用脉冲的上升沿或者下降沿来触发，进行加1计数。计数器有两种工作方式：同步计数和异步计数。流程图如下图5-4。

图5-4 计数模块流程图

结论

通过系统的设计实现了预期的设计目标，完成了全部的设计任务，具体功能如下：完成了整个系统的硬件设计和软件编程，能通过键盘电路控制步进电机的转速控制，能实现启动、正转、反转、加速、减速控制；通过编程实现了通过单片机能输出四相八拍的脉冲控制序列。整个电机的转速，转动方向，检测到的电机电流的大小等都能通过数码管显示出来；整个的成果形式是最终以步进电机控制电路仿真的形式展示出来了。

由于在本次设计中更多的是注重整体功能的实现，注重的是操作简单，所以本系统采用了开环控制的方式，电机也是选用的最常用的步进电机。通过在本设计中的学习和查阅资料，想要得到更高性能的控制，可以选用混合式步进电机，采用闭环的细分驱动电路。

此外，在设计的过程中考虑到时间和成本的问题，没有完成焊接出电路板的任务。仿真出的程序和显示状态与电路板的操作有点差距的，不能完全显示出步进电机的运行情况和数码管的稳定显示。所以建议以后有做类似设计任务或者实际应用的时候，尽量采用PCB电路板的形式，这样最大的好处就是硬件的可靠性高，外观美观简洁，尤其是在大量设计的时候，采用PCB电路板成本也不高，值得采用。

参考文献

[1]张家生. 电机原理与拖动基础【M】. 北京：北京邮电大学出版社，2006.

[2]马淑华，王凤文，张美金. 单片机原理与接口技术【M】.北京：北京邮电大学出版社，2007.

[3]顾德英，张健，马淑华.计算机控制技术【M】. 北京：北京邮电大学出版社，2006.

[4]华成英，童诗白. 模拟电子技术基础【M】. 北京：高等教育出版社，2008

[5]张靖武，周灵彬. 单片机系统的PROTEUS设计与仿真【M】. 北京：电子工业出版社，2007

[6] 张洪润，蓝清华. 单片机应用技术教程【M】. 北京:清华大学出版社，1997

[7] 秦曾煌. 电工学【M】. 北京:高等教育出版社，1999

致谢

在陈进老师和同学的帮助下，经过不懈的努力，终于较好地完成了课题的研究开发及写作任务。在此期间，我的指导老师给了我极大的帮助和悉心的指导。在设计过程中遇到问题的时候，老师总是为我耐心解答疑问，指正错误，并给我指点了很多的设计思想和设计技巧。在此，我对老师表示最衷心的感谢！在设计中我学到不少新的知识，不仅理论水平大有长进，而且积累了丰富的实践经验。