三相六拍步进电机控制系统设计

中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书第1页共18页1引言1.1课程设计任务和要求课程设计任务:设计一个三相步进电机控制系统，设计一个计算机步进电机程序控制系统，可以对步进电机的转速、转向以及位置进行控制。通过设计，掌握步进电机的工作原理、掌握步进电机控制系统的设计原理、设计步骤，进一步提高综合运用知识的能力。要求完成的主要任务:（1）设计接口电路和驱动电路，对步进电机进行控制。（2）选择控制算法，编写控制程序，实现三相步进电机在六拍工作方式下先正转90度，然后再反转60度，要求其速度可调，转向可控。（3）写出设计说明书。课程任务要求:（1）查阅资料，确定设计方案（2）选择器件，设计硬件电路，并画出原理图和PCB图（3）画出流程图，编写控制程序（4）撰写课程设计说明书2步进电机的概述2.1步进电机的特点1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2）步进电机外表允许的温度高。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。步中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书第2页共18页进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。2.2步进电机的工作原理步进电机是一种用电脉冲进行控制,将电脉冲信号转换成相位移的电机,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了电机运转的速度.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。2.3步进电机的技术参数1)空载启动频率即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。2)电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。3)步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书第3页共18页4)保持转矩（HOLDINGTORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。2.4步进电机的内外结构步进电机转子均匀分布着很多小齿，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、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开如图2.4.2所示：3步进电机控制工作原理3.1步进电机的启停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感,即振动感。为了使电机转动平滑,减小振动,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机的转轴不能自由转动。3.2步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转。步进电机的励磁方式为三相六拍,即A-AB-B-BC-C-CA-A。如果按反序通电换相,即则电机就反转。其他方式情况类似。中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书第4页共18页3.3系统设计思路此次我们所设计的是一个步进电机控制系统，主要由单片机80C51，3相步进电机，7段数码管，及一些其他相关元件设计而成。可以通过开关来控制系统的启/停工作，当系统运转时，用开关来控制方向，并使相应的指示灯亮起，同样由开关来选择工作模式。运转时，用4位7段数码管来输出步数。最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。3.4系统的整体框图3.5驱动方式的确定并于步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过CPU直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动；别一种是通过CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。固本次设计应采用CPU间接驱动步进电机。用编码器还的测速发电机作为转速测量工具,因为选择了闭环控制，就必须有反馈元件，反馈元件一般有两种，一种是采用同轴的测速发电机，把步进电机的转速中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书第5页共18页反馈回来，然后通过显示器显示出来并对步进电机进行调节；别一种是通过光同轴的电编码器把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调节；两者相比，后者的设计比较简单，价格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光电骗码器作为反馈元件。3.6驱动电路的选择步进电机的驱动电机有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。单电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。它的最大特点是结构简单，因它的工作效率低，特别是在高频下更显的突出。它的外接电阻R要消耗相当一部分的热量，这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。双电压驱动是电路一般采用两种电源电压来驱动，因这两个电源分别是一个为高压一个为低压，因此也称为高低压驱动电路。双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降。不宜于电机的正常运行。对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。别一种是用单片机采用数子脉宽调制的方法获得阶梯电流，这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。但因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的调节范围比较广，固应选用驱动芯片8713来驱动，并通过软件来实现步进电机的调速。4硬件电路的设计4.1单片机的选择本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片．89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上.使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FAlshProgrAmmABleAndErAsABleReAdOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。单片机的引脚功能1）VCC（40）：电源+5V。中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书第6页共18页2）VSS（20）：接地，也就是GND。3）XTL1（19）和XTL2（18）：振荡电路。4）PSEN（29）：片外ROM选通信号，低电平有效。5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。6）RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。7）EA/VPP（31）：内/外部ROM选择端8）P0口（39-32）：双向I/O口。P1口（1-8）：准双向通用I/0口。9）P2口（21-28）：准双向I/0口。原理图如4.1.1所示：图4.1AT89C51的引脚图4.2步进电机的选择反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理.三相六拍通电方式中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书第7页共18页设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子将转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图所示，即转子从图位置顺时针转过了15°。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐，转子从图的位置又转过了15°。其位置所示。这样，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A„的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A„的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。图4.2三相双三拍运行方式在分析步进电动机动态运行时，不仅要知道某一相控制绕组通电时的矩角特性，而且要知道整个运行过程中各相控制绕组通电状态下的矩角特性，即所谓矩角特性族以三相单三拍的通电方式为例，若将失调角θ的坐标轴统一取在A相磁极的轴线上，显然A相通电时矩角特性如图中曲线A所示稳定平衡点为O，点B相通电时转子转过1/3齿距相当于转过2π/3电角度,它的曲线C,这三条曲线就构成了三相单三拍通电方式时的矩角特性族总之矩角特性族中的每一条曲线依次错开一个用电角度表示的步矩角\*MERGEFORMAT\*MERGEFORMAT\*MERGEFORMAT步进电机的动态特性是指步进电动机在运行过程中的特性它直接影响系统工作的可靠性和系统的快速反应。中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书第8页共18页1)单步运行状态单步运行状态是指步进电动机在一相或多相控制绕组通电状态下仅改变一次通电状态时的运行方式.2)动稳定区当A相控制绕组通电时矩角特性如图所示，若步进电动机为理想空载则转子处于稳定平衡点\*MERGEFORMAT处，如果将A相通电改变为B相通电，那么矩角特性应向前移动一个步距角\*MERGEFORMAT变为曲线B，\*MERGEFORMAT点为新的稳定平衡点由于在改变通电状态的初瞬转子位置来不及改变还处于θ=0的位置，对应的电磁转矩却由O突变为曲\*MERGEFORMAT线