电子设计论文发表之步进电机控制器的设计

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摘要：摘要：步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制组件。本设计主要通过单片机编程实现对四相步进电机的ABCD四相输送稳定的有频率的脉冲信号，完成步进电机的信号分配功能。只需要简单的编程，便可通过调节单片机输出

　　摘要：步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制组件。本设计主要通过单片机编程实现对四相步进电机的ABCD四相输送稳定的有频率的脉冲信号，完成步进电机的信号分配功能。只需要简单的编程，便可通过调节单片机输出脉冲控制步进电机的转向、转速和制动。利用proteus7.8进行仿真，给出了仿真结果，并成功地在FPGA器件上验证了设计的可能性，控制部分硬件结构简单，成本低廉该二维运动控制器经过严格测试，达到了设计要求。

　　关键词：步进电机;运动控制器;转向;电子设计

　　一、步进电机的概述和发展趋势

　　1.1 步进电动机的概述

　　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。

　　步进电机不需位移传感器就可精确定位,所以在精确定位系统中应用广泛。目前打字机、计算机外部设备、数控机床、传真机等设备中都使用了步进电机。随着电子计算机技术的发展,步进电机必将发挥它的控制方便、控制准确的特点,在工业控制等领域取得更为广泛的应用。

　　1.2 步进电动机的发展趋势

　　步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。

　　步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。

　　任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1.8°/0.9°(全步/半步);还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。

　　步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO　DENKI和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量(含国外独资公司)近2亿台。

　　另外的结论是HB型电动机更适合于低速大转矩用途;RM型适用于平稳运行以及转速大于1000r/min的用途;而PM型成本低，在低转速时的振动和高转速时的大转矩方面，三相PM型电动机比两相电动机的性能要好。

　　因此，当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：

　　发展趋势之一，是继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。

　　发展趋势之二，是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30%～40%。

　　发展趋势之三，对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。

　　发展趋势之四，向五相和三相电动机方向发展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。

　　二、控制器的设计原理

　　2.1 控制器的设计原理

　　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。步进电机分三种：永磁式(PM)，反应式(VR)和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度(不距角)或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。

　　(1)四相步进电机的工作原理

　　该设计采用了 20BY-0 型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。

　　(2)步进电机的静态指标及术语

　　相数：产生不同队 N、S 磁场的激磁线圈对数，常用 m 表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用 n 表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例， 有四相四拍运行方式即 AB→BC→CD→DA→AB,四相八拍运行方式即 A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。 步距角： 对应一个脉冲信号， 电机转子转过的角位移用θ表示。Θ=360 度 (转子齿角运行拍数) ，以常规二、四相，转子齿角为 50 齿角电机为例。四相运行时步距角为θ=360 度/(50*4)=1.8 度，八拍运行时步距角为θ=360 度/(50*8)=0.9 度。定位转矩：电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)。静转矩：电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

　　(3)四相步进电机的脉冲分配规律

　　对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。

　　三、控制器的电路设计

　　3.1 步进电机控制器的设计

　　在本次系统设计中我们选用的是三相步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，即当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定角度。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，从而达到加速的目的。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，其工作原理为:通电换相这一过程成为脉冲分配。例如:三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。如果给定的工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。如果给电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它就会再转一步。两个脉冲的问隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。本次系统设计要使用的三相步进电机为三相六拍方式—单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲A→AB→B→BC→C→CA正转，A→AC→C→CB→B→BA反转。由于从单片机输出的电流很小，不足以驱动电机，所以步进电机采用达林顿管驱动，其中一个步进电机的ABC三相分别通过驱动器P2.0，P2.1和P2.2提供控制步进电机的时序脉冲，另一步进电机的三相接P2.4，P2.5\P2.6控制步进电机的运行。系统采用软件来完成脉冲的分配，这样可以根据应用系统的需要，方便灵活地改变步进电机的控制方式，步进一步的时问可由两个控制字的送出时问问隔决定。这里的输出电路输出两路信号:即X车由脉冲和Y车由脉冲，两路信号分别从单片机的P2.0- P2.6经过缓冲器再经过光离输出。输出的两路信号经过驱动器驱动X车由步进电机和Y车由步进电机，从而控制工作平台按规定的轨迹移动。

　　3.2 复位电路的设计

　　单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如:复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。单片机复位的条件是:必须使RST/VPd或RST引脚加上持续两个机器周期(24个震荡周期)的高电平。例如，若时钟频率为12MHz，机器周期为lus，则只需2us以上时问的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。本系统设计中是上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬问，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。只要保证RESET为高电平的时问大于两个机器周期，便能正常复位，其中R=1K, U=22UF。

　　3.3 晶振电路的设计

　　单片机工作时，是一条一条地从ROM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时问，称之为机器周期。一个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了12MHz晶振，它的时钟周期是1/12us，它的一个机器周期是12* C1/12)us，即为lush;

　　AT89C51单片机的所有指令中，有一些完成的比较快，只要一个机器周期就行了，有些完成的比较慢，得要两个机器周期，还有两条指令需要四个机器周期才行。

　　3.2 LED显示电路设计

　　在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。

　　本设计选用的LCD液晶显示,低压微功耗、平板型结构、被动显示型(无眩光，不刺激人眼，不会引起眼睛疲劳)、显示信息量大(因为像素可以做得很小)易于彩色化(在色谱上可以非常准确的复现)、无电磁辐射(对人体安全，利于信息保密)、长寿命(这种器件几乎没有什么劣化问题，因此寿命极长，但是液晶背光寿命有限，LCD液晶显示器引脚，如下图2。

　　图2 LED图

　　3.4 系统初始化流程图

　　对相应的系统参数进行初始化，包括系统上电默认运行参数设定，包括两相四拍的工作方式，初始速度档位是30转/分，系统中断设定，定时器设定，载入定时器初值和默认的工作参数等，具体流程图如图3所示。

　　图3 系统初始化流程图

　　四、步进电机正反转硬件设计

　　4.1 总体设计

　　步进电机控制系统框图如图1所示。主要由3个模块组成：键盘电路、单片机模块、驱动控制信号、步进电机模块;可实现如下功能：

　　(1)通过按钮可设定步进电机转速。

　　(2)通过“复位”键设定电机启动;

　　(3)通过“正向”和“反向”开关改变电机的转向;

　　步进电机控制系统主要由单片机及单片机工作外同电路组成。单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3分别连到步进电机的A、B、C、D四相绕组，单片机的控制信号输出到步进电机绕组就可以驱动步进电机运转。由键盘设置步进电机运行的转速和步数;由各个功能键控制系统的运行，启动后按正转按键或者反转按键，步进电机转动，当按加速或减速按钮控制加减速，按停止开关电机停止。

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