题目基于单片机的步进电机正反转的控制

题目：基于单片机的步进电机正反转的控制

摘要：步进电机自上世纪50年代后期发展至今已占有重要的应用和研究地位,尤其是在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。本次课程设计主要是对步进电机基于单片机的正反转控制，着重于软件程序的开发。

关键词：步进电机，正转，反转。

Abstract：Stepper motors since the late 1950 s development has an important

application and research status, especially in the numerical control system,

automatic production line, automated instrumentation, drawing machine,

and is widely applied in computer peripheral equipment. This course design

mainly based on single chip microcomputer and reversing the stepper motor

control, focuses on the development of software programs.

Key words: stepper motor, forward, inversion.

1我国步进电机发展

我国步进电动机的研究及制造起始于20世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。70年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛利用。

2步进电机的应用原理

步进电机是一种能将电脉冲信号转换成机械角位移或线位移的执行元件，它实际上是一种单相或多相同步电机。电脉冲信号通过环形脉冲分配器，励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子转过一定角度(称为步距角)。在正常运行情况下，电机转过的总角度与输入的脉冲数成正比；电机的转速与输入脉冲频率保持严格的对应关系， 步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关；电机的运动方向由脉冲相序控制。因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，它被认为是理想的数控执行元件。故广泛应用于数控机床、打印绘图仪等数控设备中。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合，可以使用步进电机，以发挥其结构及驱动电路简单、可靠性高和成本低的特点。伴随着不同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。

现在比较常用的步进电机有反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路是由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段反应式步进电机应用最广泛。

目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。步进电机必然会成为机电一体化元件组件的必然趋势。由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。市场上有很多现成的步进电机控制机构，但价格都偏高。应用SGS公司推出的L297和L298两芯片可方便的组成步进电机驱动器，并结合Atmega16L单片机可以构成很好的步进电机控制系统。

步进电机实际上是一个数字\角度转换器，也是一个串行的数\模转换器。步进电机的基本控制包括启停控制、转向控制、速度控制、换向控制4 个方面。从结构上看 ,步进电机分为三相、四相、五相等类型 ,本次实验用的步进电机为四相。四相步进电机的工作方式有四相单四拍、四相双三拍和四相八拍3 种。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，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

图1 四相步进电机步进示意图

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：

a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍

图2.步进电机工作时序波形图

两相四拍通电方式：

正转：AB—BC—CD—DA—AB

反转：AB—AD—DC—CB—AB

两相八拍通电方式：

正转：AB—B—BC—C—CD—D—DA—A—AB

反转：AB—A—AD—D—DC—C—CB—B—BA

步进电机控制系统框图

步进电机驱动电路原理

步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，必须使用专用的步进电机驱动控制器。正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。

步进电机系统的驱动框图

如图所示，它一般有脉冲发生单元、脉冲分配单元、功率驱动单元保护和反馈单元组成。除功率驱动单元以外，其他部分越来越趋向于用软件来实现。

3．软件控制方法（并行控制）

并行控制是指用硬件或软件方法实现脉冲分配器的功能，它输出的多相脉冲信号，经功率 放大后驱动电机的各相绕组，其框图如图所示。

步进电机软件控制框图

该实验系统中的脉冲分配器由软件实现的，由数据采集卡中的DO1～DO4作为并行驱动驱动，驱动四相反应式步进电机。

脉冲序列的生成

脉冲幅值：由数字元件电平决定.接通和断开时间可用延时的办法控制。

3.课程设计的方案

一般的步进电机工作中，其电源均采用单极性直流电，通过对步进电机的各相绕组按恰当的时序方式通电，就可使其执行步进转动。当某一相绕组通电时相应的两个磁极就分别形成N-S极产生磁场，并与转子形成磁路。在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对其，从而使步进电机向前“走”一步。转子的角位移大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入的脉冲同步。只要能正确控制输入的电脉冲数、频率以及电机各相绕组通电的相序，即可得到所需要的转角、转速及转向，通过单片机很容易实现对步进电机的数字控制。本设计采用AT89S52单片机实现对两相步进电机的转速控制。由单片机产生的脉冲信号经过脉冲分配器后分解出对应的四相脉冲，分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。本课程设计的原理是模拟的智能设备是常用的豆浆机。在模拟设计中，我们把转速和时间都做了一定的修改，以便于实验操作和提交演示。在实际的豆浆机应用之中原理是相同的。整体方案主要是由AT89C51，步进电机，通过单片机编程，实现步进电机控制的脉冲分配，使电机实现正转，反转以及停止等功能。主要实现的是正转一段时间—停顿—反转一段时间。

主程序的框图如下：

其中中间的停顿实际是为了方便看出正反转转换过程。在主要正反转部分还分别有四相单四拍和四相双四拍的转动。

开始

正转

停顿

反转

断电结束

引用文献：

[1] 何丽民，《单片机初级教程》，北京航空航天大学出版社2010；

[2]康华光，《电子技术基础》（包括模拟部分和数字部分），北京高等教育出版社2006；

[3 ]周宇，《c语言程序设计教程》，东南大学出版社2010；

[4] 张迎新 ,《单片机初级教程——单片机基础》，北京航空航天大2005；

[5 ]薛弘晔,《计算机控制技术》，西安电子科技大学出版社2003；

[6]杨立，《计算机控制与仿真技术》，中国水利水电出版社2003。

心得体会：

步进电机的控制可以用硬件，也可以用软件通过单片机实现。本次的课程设计采用了软件方法，即用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态，这种方比采用硬件方法，即采用脉冲分配器芯片进行通用换相控制，电路更加简单，成本更低。

对于我来说，课程设计的第一大难题就是软件编程了。我们组的题目方向是步进电机，属于开环控制系统，相对简单，不需要PID的真正知识，但也是认真弄清PID之后才知道的。我们先是把应用设备自带的程序研读清楚再自己着手各组的设计的，两人分工进行。

在做本次设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计了。我们是按照学号分组，2人一组，我的搭档特别善于单片机编程，而且他对编程特别有兴趣，在我们软件编程的过程中，有很多他提出来的问题我都无法解释，只好去查书，为了让设计更加完善，查阅这方面的设计资料也是十分必要的。在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：C语言、模拟和数字电路知识等。虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学发现效率很高，这是做这次课程设计的又一收获。设计结束了，但是从中得到的知识会让我们受益终身。发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于在以后的学习工作和生活中。此次设计更锻炼了我们的毅力和小组合作交流的能力，我觉得做任何事情要善始善终，不要中途放弃，只要自己认真的去