2022年步进电机控制系统设计 2.pdf

电气工程及其自动化专业方向课程设计课题：步进电机控制系统设计班级XXXX 学号XXXXX 姓名XXXXX 专业XXXXXXXXXXX 系别XXXXXXX 指导教师XXXX 淮阴工学院电气工程及其自动化教研室2010年 12 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 13 页 - - - - - - - - - 步进电机控制系统设计与仿真一、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。二、步进电动机行业的现状和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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 13 页 - - - - - - - - - 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、SANYODENKI 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3040。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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 13 页 - - - - - - - - - 三、步进电动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四. 系统硬件设计4.1 总体设计设计一个单片机三相步进电机控制系统要求系统具有如下功能：(1)用 K0-K2 做为通电方式选择键， K0 为单三拍， K1 为双三拍， K2 为三相六拍；(2)K3、K4 分别为启动和方向控制；(3)正转时红色指示灯亮，反转时黄色指示灯亮，不转时绿色指示灯亮；(4)用 K5-K12 作为步数的给定值。(5)用 3 位 LED 显示剩余工作步数。根据设计要求用 PROTIU 所做的硬件连线图如下图1：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 13 页 - - - - - - - - - ALEA0A1XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115U180C51D034D133D232D331D430D529D628D727RD5WR36A09A18RESET35CS6PA04PA13PA22PA31PA440PA539PA638PA737PB018PB119PB220PB321PB422PB523PB624PB725PC014PC115PC216PC317PC413PC512PC611PC710U28255AC11nFC21nFX1CRYSTALK0SW-SPDTK1SW-SPDTK2SW-SPDT红灯LED-RED黄灯LED-YELLOW绿灯LED-GREENK3SW-SPDTK4SW-SPDTK12SW-SPDTK11SW-SPDTK10SW-SPDTK9SW-SPDTK8SW-SPDTK7SW-SPDTK6SW-SPDTK5SW-SPDT+12V1B11C162B22C153B33C144B44C135B55C126B66C117B77C10COM9U3ULN2004A+88.8+12v+12VD03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U474LS37312U5:A7404图 1 4.2 关键模块设计4.2.1步进电机的转向控制顺时针顺相序接线三相交流电各相电压或电流的变化顺序是,A 相先达到最大值,然后是 B 相、最后是 C 相达最大值。这种变化的顺序即为相序。ABC 或 BCA、CAB 为顺相序 ;ACB、BAC、CBA 为逆相序。如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转。 若步进电机的励磁方式为三相六拍,即 A-AB-B-BC-C-CA 。如果按反序通电换相,即则电机就反转。 其他方式情况类似。4.2.2步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。2 个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。 调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。1 步进脉冲的调频方法对步进电机控制的一个中心问题就是速度调节。即产生一系列频率可调的步进脉冲序列， 送到驱动电源， 控制电机绕组的轮流通电，实现电机的转动。脉冲名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 13 页 - - - - - - - - - 序列的产生用微处理器实现，有软件延时和硬件定时两种方法。(1)软件延时：通过调用标准的延时子程序来实现。 假定控制器基于 AT89S52单片机 ，晶振频率为 12 MHz，那么可以编制一个标准的延时子程序如下：DELAY : MOV A , 0DH DEL2 : NOP JZ DEL2 NOP CLR C NOP RRC A DEL3 : NOP JZ DEL3 NOP MOV 0DH , A NOP DJNZ 0DH , $ DEL6 : MOV A , 0EH JMP DEL6 JZ DEL5 D252 : MOV R0 , #53H DEL4 : CALL D252 D253 : NOP DJNZ 0EH , DEL4 DJNZ R0 , D253 DEL5 : RET RET 该子程序的入口为 (0E)(0D)两个字节，若需要20000 us的延时，则给 (0E)(0D)两个字节赋值 4E20H，即执行下面程序：MOV 0EH，#4EH ；20 000的十六进制码为 4E20。MOV 0DH#20H CALL DELAY ；调用标准延时子程序DELAY 。若要控制步进电机走100 步，每两步之间延时20 000 s ，则汇编程为：MOV 0FH，#100D ；准备走 100 步。CONTI： CALL I_STEP ；电机走一步 (调用电机的脉冲分配子程序) MOV 0EH，#4EH ；20 000的十六进制码为 4E20。MOV 0DH，#20H CALL DELAY ；相邻步之间的延时 (决定电机的转速 )。DJNZ 0FH，CONTI ；循环次数减 1 后，若不为 0 则继续，循环 100 次。可以看出， 采用软件延时方法实现速度调节的优点是程序简单，思路清晰， 不占名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 13 页 - - - - - - - - - 用硬件资源。缺点是浪费CPU 的宝贵时间，在控制电机转动的过程中，CPU 不能做其它事。(2)硬件定时：假定控制器仍为AT89S52单片机，晶振频率为12 MHz ，将AT89S52 的 TD 作为定时器使用，设定T0 工作在模式 1(16 位定时计数器 )。今要求它能定时地发出步进脉冲，其定时中断产生的脉冲序列的周期(即步进电机的脉冲间隔 )假定为 20 000 s ，则可算出 TD 所对应的定时常数为B1E0H，CPU相应的程序如下：主程序：MOV TMOD ，#01H ；设 T0 取工作模式 1。MOV TH0#0B1H ；装入定时常数高8 位。MOV TLO ，#0E0H ；装入定时常数低8 位。SETB TR0 ；启动 T0 定时。SETB ET0 ；允许 T0 中断。SETB EA ；允许 CPU 中断。$ ；CPU 等待 T0 的定时到。中断服务程序：CLR ET0 ;关 T0 中断。CALL I_STEP ；控制电机走一步 (调用电机的脉冲分配子程序)。RETI ；T0 中断返回。本例中，只要改变 T0 的定时常数，就可实现步进电机的调速。这种方法既需要硬件 (T0 定时器 )又需要软件来确定脉冲序列的频率， 所以是一种软硬件相结合的方法。它的缺点是占用了一个定时器。在比较复杂的控制系统中常采用定时中断的方法，这样可以提高CPU 的利用率。2 升降频方法及其实现21 升降频方法当步进电机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电机可以用运行频率直接起动， 并以该频率连续运行， 需要停止的时候， 可以从运行频率直接降到零速。此时，电机运行于恒速状态， 无需升降频控制。 当步进电机的运行频率fbfa (fa 为步进电机有载起动时的起动频率)时，若直接用 fb 起动，由于频率太高， 步名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 13 页 - - - - - - - - - 进电机会丢步，甚至产生堵转。同样，在fb 频率下突然停止，步进电机会超程。因此，当要求步进电机在运行频率fb 下正常工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电机从启动频率fa 开始，逐渐加速升到运行频率fb，然后进入匀速运行，最后的降频可以看作是升频的逆过程。步进电机常用的升降频控制方法有3 种：(1)直线升降频。这种方法是以恒定的加速度进行升降，平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。加速时间虽然长，但软件实现比较简单。(2)指数曲线升降频。这种方法是从步进电机的矩频特性出发，根据转矩随频率的变化规律推导出来的。 它符合步进电机加减速过程的运动规律，能充分利用步进电机的有效转矩， 快速响应性能较好， 升降时间短。 指数升降控制具有较强的跟踪能力， 但当速度变化较大时平衡性较差，一般适用于跟踪响应要求较高的切削加工中。(3)抛物线升降频。抛物线升降频将直线升降频和指数曲线升降频融为一体，充分利用步进电机低速时的有效转矩，使升降速的时间大大缩短， 同时又具有较强的跟踪能力，这是一种比较好的方法。22 软件实现步进电机在升降频过程中， 脉冲序列的产生， 即两个脉冲时间间隔的软件确定，有 2 种方法：(1)递增递减一定值。如线性升降频，两脉冲频率的差值f= |fi-fi-1| 是相等的，其对应的时间增量f 也是相等。时间的计算若采用软件延时的方法，可先设置一个基本的延时单元Te，不同频率的脉冲序列可由Te的不同倍数产生。设起动时所用频率对应的时间常数为tNe 以后逐次递减 t( 设 t=tM) ， 直到等于运行频率所对应的时间 (tRe)为止。这种方法编程简单， 节省内存。 时间计算也可采用定时中断的方法，可将定时常数逐次递增递减一定值，实现升降频控制。因其定时不是连续的， 所以升降速曲线不是一条直线，而是折线， 但可近似看成直线。(2)查表法。为了对步进电机实现最佳升降频控制，缩短电机的升降频时间，可从步进电机矩频特性出发进行分析。由步进电机的矩频特性可知，转矩M 是频率 f 的函数 (即角加速度 d/dt=M(f)J，J 为电机的转动惯量 )，它随着 f 的上名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 13 页 - - - - - - - - - 升而下降，所以它呈软的特性。当频率较低时，转矩M 较大，对应的角加速度d/dt也较大，所以升频的脉冲频率增加率dfdt 应取得大一些； 当频率较高时，较小， d/dt也较小，此时，升频的脉冲频率增加率dfdt 应取小一些，否则，会由于无足够的转矩而失步。因此，根据步进电机的矩频特性，可以看出： 在步进电机的升频过程中，应遵循“ 先快后慢 ” 的原则。按此要求，从开始升频到升至fb 之间，按最佳升频要求的频率取出f1，f2，f3，fn 并将它们所对应的脉冲间隔时间 t1，t2 ， ，tn，依次存于内存的一个数据区，如表1 所示(称阶梯频率表 )。4.3.5 八段数码管显示电路由 8255A 的 PB 口取出显示码如图6，从 80c51 的 P1.5-1.7输出位选码如图7，设计中我们主要用到3 位显示步数既可。图 6图 7 五、总结通过这次课程设计我了解异步电机方面的知识。学会了如何将所学到的知识运用到实践当中。 在第一周时间里通过上网和去图书馆查阅资料的过程中，对本次课题有了大体的了解， 对异步电机闭环变频控制系统有了更进一步的了解。在这次的课程设计中， 我学到了步进电机的转向控制和速度控制的方法，了解了过程。参考文献1 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 M. 北京 : 机械工业出版社 , 1992 2纪志成 , 薛 花, 沈艳霞 . 基于 MATLAB 交流异步电机矢量控制系统的仿真建名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 13 页 - - - - - - - - - 模J. 系统仿真学报 . 2004 3赖福新 . 电机控制系统 M. 上海 : 上海交通大学出版社 , 1995 4刘竟成主编 . 交流调速系统 M. 上海 :上海交通大学出版社 , 1984 5何冠英编著 .电子逆变技术及交流电动机调速系统.北京：机械工业出版社，1985 6郭庆鼎，王成元著 .异步电动机的矢量变换控制原理及应用.沈阳：辽宁民族出版社， 1988 7陈伯时，陈敏逊 .交流调速系统 .电气自动化新技术丛书 .北京：机械工业出版社，1998 8陶永华，尹怡欣，葛芦生编著.新型 PID 控制及其应用 .电气自动化新技术丛书.北京：机械工业出版社， 1998 附:总体程序设计：ORG 0000H AJMP MAIN 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 13 页 - - - - - - - - - MAIN: MOV A,#020H ；PC5口置 1，绿灯亮，不工作MOV DPTR,#8002 MOVX DPTR,A LCALL DELAY LOOP:MOV DPTR,#8002 MOVX A,DPTR ANL A,#020H ；判断是否启动，若没启动则重新启动JZ MAIN MOV DPTR,#8002 ；判断工作模式；MOVX A,DPTR ANL A,#01H JNZ L1 MOV DPTR,#8002 MOVX A,DPTR ANL A,#02H JNZ L2 MOV DPTR,#8002 MOVX A,DPTR ANL A,#04H JNZ A,L3 L1: MOV DPTR,#DONE1 ；跳转到方式 1 的控制模型JMP LP2 L2: MOV DPTR,#DONE2 ；跳转到方式 2 的控制模型JMP LP2 L3: MOV DPTR,#DONE3 ；跳转到方式 3 的控制模型JMP LP2 LP2：MOV DPTR,#8000 ；读入 PA 口设定的步数到R2 MOVX A,#DPTR MOV R0,A 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 13 页 - - - - - - - - - LP3: MOV DPTR,#8002 ；判断 PC4 口（正反转口）是否为0，为 0 电机反转MOVX A,#DPTR ANL A,#010H JZ LP5 MOV A,#080H ；PC4 不为 0,正转，红灯亮MOV R1,#00H LP4: MOV A,R1 ；P1口输出电机模型MOVC A,A+DPTR JZ LP3 MOV P1,A LCALL DELAY INC R1 ；控制步数加 1 DEC R0 ；剩余步数减 1 LCALL LED ；LED 显示剩余步数DJNZ R0,LP4 ；步数未走完，继续RET LP5:MOV A,#040H ；PC4 为 0，反转，黄灯亮MOV R1,A AJMP LP4 DONE1:DB 01H,02H,04H,00H,01H,04H,02H,00H DONE2:DB 03H,06H,05H,00H,03H,05H,06H,00H DONE3:DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H,01H,05H,04H,06H,02H,03H,00H DELAY: MOV R2,#0 DELAY0: MOV R4,DELAY0 RET DISPLY:MOV A,#30H ；(显示输出参考课本P68) MOV DPTR,#8001 MOV DPTR,A 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 13 页 - - - - - - - - - MOV R2,#30H ；显示缓冲区首地址送R2 MOV R3,#04H ；位选码指向最左一位,第三位DISPY1: MOV A,R ；取出要显示的数MOV DPTR,#SEGTAB ；指向换吗表首址MOVC A,A+DPTR ；取出显示码MOV DPTR,#8001 ；从 B 口输出显示码MOV A,R3 ；从 P1 口输入位选码MOV P1,A LCALL DELAY MOV A,R3 JNB ACC.O,DISPY2 RET DISPY2:INC R2 ；求下一位待显示的数的存放地址MOV A,R3 ；求下一个位选码RR A MOV R3,A AJMP DISPY1 DELAY: MOV R4,#20 ；延时程序DELAY1: MOV R5,#0 DJNZ R5,DELAY1 DJNZ R4,DELAY1 RET SEGTAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H ；对应字符 0 F，8 段管显示码END 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 13 页 - - - - - - - - -