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用单片机实现步进电机细分技术研究

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计算机・PLC应用用单片机实现步进电机细分技术研究徐　军1,葛素娟2(11江苏财经职业技术学院,223001;21江苏淮安信息职业技术学院,223001)

摘要:本文介绍了用单片机实现步进电机高精度细分技术,在对现有的步进电机的细分技术方案探讨的同时,提出了步进电机的细分驱动电路通过电流合成矢量的旋转来实现的解决方案,使步进电机的细分技术提高到了高精度细分的水平。关键词:步进电机;细分技术;单片机控制中图分类号:TP36811 文献标识码:B 文章编号:1004-0420(2004)06-0025-04

Researchonthesubdividedtechnologyofsteppingmotorusings-cprocessorXUJun1,GESu2juan2(11JiangsuFinance&EconomicCollegeofVocationalTechnology,223001;

21JiangsuHuaianInformationCollegeofVocationalTechnology,223001)

Abstract:thispaperintroducesthesubdividedtechnologyofsteppingmotorusings-cprocessor,anddiscussesthesub2dividedtechnologyprojectofsteppingmotor,Itcomeoutasolutionaboutthesubdividingdrivecircuitofsteppingmotorusingcurrentcomposevectorcircumrotate.Itprovidesaveryusefulway.Keywords:steppingmotor;subdividedtechnology;s-cprocessorcontrol

0　引言步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。由于工业技术的不断进步,在自动化控制、精密机械加工、航空航天技术以及所有要求高精度定位、自动记录、自动瞄准等高新技术领域内,对步进电机的细分要求也越来越高。利用步进电机的准确动作和步进电机的细分技术,有利于提高步进电机的角位、点位及连续控制方面的定位精度,有利于与计算机联机,实现全自动化控制。同时,还可以大大提高步进电机的分辨率,大大改善步进电机在动态运转时的特性。因此,多年来,国内外同行都在努力寻求步进电机细分技术的最佳方案及最高细分精度。

1　步进电机驱动器的原理步进电机的运行要有一电子装置进行驱动,

这种装置就是步进电机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号,加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比,控制步进脉冲信号的频率,可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数,可以对电机精确定位。典型的步进电机驱动控制系统组成:步进控—52—

计算机・PLC应用———用单片机实现步进电机细分技术研究机床电器200416

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net制器由单片机实现;驱动器把单片机输出的脉冲加以放大,以驱动步进电机。典型的步进电机驱动控制电路如图1。图1　典型的步进电机驱动控制电路图图中单片机的I/O口一位控制步进电机的一相绕组,根据所选定的步进及控制方式可写出相应的控制方式的数学模型,如三相单三拍、三相双三拍、三相六拍。现以三相六拍为例:步序 控　制　位 C　B　A控制模型D7D6D5D4D3D2D1D0A11111001F9HAB11111011FBHB11111010FAHBC11111110FEHC11111100FCHCA11111101FDH以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型。因此步进驱动控制器实际上就是按上述控制方式所规定的输入顺序脉冲序列,即可实现驱动步进电机三相六拍方式的转动。输入顺序脉冲序列的速率就是步进电机的速率。这种典型的步进电机驱动控制方法及其电路,只能实现步进电机步距角为原来固定步距角的一半。当要求实现步距角细分时,该方法就不能达到要求了,所以在这里就要引入步进电机细分技术方案的探讨。2　细分技术方案探讨细分的基本概念为:步进电机通过细分驱动器的驱动,其步距角变小了。如驱动器工作在10细分状态时,其步距角只为电机固有步距角的十分之一,也就是,当驱动器工作在不细分的整步状态时,控制系统每发一个步进脉冲,电机转动1.8°;

而用细分驱动器工作在10细分状态时,电机只转动了0.18°。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的,与电机无关。目前,国内外的步进电机细分技术的最高微步距细分水平为25.5″,而随着科学和工业技术发展,这一细分水平对于目前很多要求5″以下的微步距角来说,仍远远不能满足要求。为什么长期以来步进电机的细分技术停留在25.5″的水平上而不能再细分?

对这一问题的研究结果表明,现有技术大多采用以下两种细分方法:

211　方法一首次获得较高分辨率的细分方法采用的是半拍步进的方法,即在对步进电机的步距角进行细分时,将步进电动机的控制位置数(以四相混合式步进电机为例)的四拍通电逻辑顺序变为八拍通电逻辑顺序,从而将步进角降为原来的一半。这种细分驱动方法的优点是只需要改变某一相的电流值,因此在硬件电路的设计上就比较容易实现。但这种方法却带来了一个不可克服的缺陷,即电流合成矢量在旋转过程中的幅值是处在不断变化中,从而引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时,滞后角变化的差值θ已大于所要求细分的微步距角,使得微步距角的继续细分实际上失去了意义。212　方法二利用单片机的脉冲宽度可调波(PWM),使原来的一个矩形脉冲波分解成一个阶梯波形,若设原来阶梯波角度为θ,则按阶梯波的步距角应为θ/n,其中n为阶梯波的个数。其优点是在阶梯

波驱动步进电机的时候,虽然能通过单片机产生的PWM波很灵活地改变输出脉冲的高低和长短,

从而实现步进电机的柔性控制和实现驱动大功率的步进电机。但由于驱动电路复杂和在定位的时候可能会产生振动,若其振动的角度超过了细分的最小角度,则不适合高精密仪器的定位要求。另外,步进电机按运行频率工作时,启动和停止都需要有一个缓慢的升频和降频的过程。启动时,

可在启动频率之下启动步进电机,然后逐渐上升

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机床电器2004.6计算机・PLC应用———用单片机实现步进电机细分技术研究© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net到运行频率;停止时,先将频率逐渐降低到启动频率以下才能停止。特别是负载转动惯性比较大时,该现象很明显严重地影响到细分步进转角的非线性和均匀旋转的控制。这就是现有细分技术方案不能达到超高分辨的根本原因。为解决这个问题,很多资料都曾经提出对细分电流进行修正的方法,但一直未见一个实用、统一的数学模型及可行的细分方法问世。

3　细分电路的设计针对上述两种现有的细分技术状况,从理论和实践的角度,建立一种新的步进电机高精度细分方法和数学模型,以消除现有技术方案中不可克服的滞后角所引起的问题,使细分技术提高到更高的水平。在新原理方法指导下设计相应的硬件控制电路。设计细分控制函数修正的电路及其相应的计算机自动控制程序。步进电机的细分驱动电路通过电流合成矢量的旋转来实现的解决方案叙述如下:

为了实现高精度的定位,对步进电机步距进行高分辨细分的关键,也是本系统的难点所在。从以上分析可知,步进电机的细分驱动电路都是通过电流合成矢量的旋转来实现的。一般的细分方法只改变某一相的电流,该方法的缺陷是电流合成矢量的幅值是不断变化的,使步进电机的转距亦随之变化,从而引起滞后角的变化,最终就影响可细分数的增加,即限制了分辨率的提高。采用现有技术细分方法时的电流矢量旋转示意图如图2。

图2　电流合成矢量的幅值是不断变化的示意图为了能够从根本上解决这个问题,消除现有技术中由于滞后角的变化差值大于微步距角,而导致不可继续细分的问题,只有使电流合成矢量IH形成新的步距角特性曲线,为达到这一点,必须满足以下两个条件:a.电流合成矢量旋转时每次变化的角度要均匀;b.电流合成矢量的大小或幅值要保持不变基于这个条件,即可建立“电流矢量恒幅均匀旋转”细分驱动方法。同时改变两相电流的大小,使电流合成矢量恒幅均匀旋转。这种方式可称为步进电机的模拟运行,它是一种基于交流同步电机概念的特殊细分技术,实质是对运行于交流同步电机状态的步进电机所受的交流模拟信号在一个周期内细分,即每个细分点对应于一个交流值。当细分数相当大时,例如本系统中将一个四分之一周期分成4096个点,电机绕组的电流信号就逼近模拟连续信号。这种细分技术可以极大地提高步进电机的分辨率和运行稳定性。采用该方法时,电流合成矢量的旋转示意图如图3。图3　电流合成矢量恒幅均匀旋转示意图图中得IA、IB、IH分别表示A、B两相电流矢量及两相电流合成矢量。本电路的细分方法其特征在于建立一种可消除滞后角变化影响的步进电机的细分控制函数数学模型:Ia=Im×cosxIb=Im×sinx式中:Ia—A相绕组电流;Ib—B相绕组电流;x—控制参数;Im—电流幅值;cosx—控制参数余弦值;sinx—控制参数正弦值。对运行于交流同步电机状态的步进电机所受控的交流模拟信号在一个周期内细分,每个细分点对应一个交流值。按照细分控制数学模型对A、—72—

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基于单片机的步进电机器控制设计

基于单片机的步进电机器控制设计

摘要本文应用单片机AT89C51和脉冲分配器PMM8713，步进电机驱动器，光电隔离器4N25等，构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。

通过AT89C51和脉冲分配器PMM8713完成步进电机的各种运行控制方式，实现步进电机在3相6拍的工作方式下的正反转控制和加减速控制。

并通过步进电机丝杠连动，带动XY工作台的直线运动，实现从起点A点到预定点B点的位移控制。

整个系统采用模块化设计，结构简单，可靠，通过人机交互换接口可实现各功能设置，操作简单，易于掌握。

该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等大多数场合。

关键词：步进电机单片机控制目录绪论 (1)1、步进电机及其发展 (1)1．1步进电机在我国的发展应用及前景 (2)1.2本文研究内容 (2)2、步进电机的分类、结构、工作原理及特性 (2)2.1步进电机的概念 (2)2.2步进电机的特点 (3)2.3步进电机的结构及工作原理 (3)2.4步进电机的常用术语 (4)3、步进电机的单片机控制 (5)3.1步进电机控制系统组成 (5)3.2步进电机控制系统原理 (6)3.3脉冲分配 (6)3.4步进电机与微型机的接口电路 (8)4、步进电机的运行控制 (9)4.1步进电机的速度控制 (9)4.2步进电机的位置控制 (9)4.3步进电机的加减速控制 (10)5、步进电机的程序设计 (11)5.1程序框图 (11)结论 (13)致谢辞 (13)参考文献 (13)绪论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。

单片机控制步进电机程序设计

单片机控制步进电机程序设计

单片机控制步进电机程序设计1.引言步进电机是一种常用的电机类型，其特点是精度高、稳定性好、速度可调。

在很多自动控制系统中，步进电机被广泛应用于位置控制、定位、打印机等领域。

本文将介绍如何使用单片机来控制步进电机，并给出一个简单的步进电机程序设计示例。

2.步进电机简介步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或线位移的电机。

其优点包括：-分辨率高：每个步进电机的旋转角度可以非常小，可实现较高的位置精度。

-可控制性强：通过控制电压脉冲的频率和顺序，可以精确控制步进电机的转动方向和步数。

-响应快速：步进电机的响应速度较快，可达数千转每分钟。

3.单片机选型与连接在实现步进电机的控制过程中，我们选择了一款适用于步进电机控制的单片机。

这款单片机具有以下特点：-高效的运算能力和大容量存储空间，适用于复杂的控制算法。

-可编程性强，支持多种开发环境，开发过程相对简便。

-丰富的外设接口，方便与步进电机的连接和控制。

连接单片机与步进电机的基本电路如下所示：步进电机驱动引脚1--单片机引脚A步进电机驱动引脚2--单片机引脚B步进电机驱动引脚3--单片机引脚C步进电机驱动引脚4--单片机引脚D4.步进电机控制原理步进电机控制原理基于对步进电机驱动引脚输入电压脉冲信号的控制。

针对不同的步进电机类型，控制方式可以有所不同，常见的控制方式包括全步进控制和半步进控制。

4.1全步进控制全步进控制方式是将电流依次施加到步进电机的每个驱动相，使其按照一定顺序正转或反转。

控制步骤如下：1.给引脚A和引脚B施加电压，使电机顺时针转动一个步距。

2.给引脚B和引脚C施加电压，使电机顺时针转动一个步距。

3.给引脚C和引脚D施加电压，使电机顺时针转动一个步距。

4.给引脚D和引脚A施加电压，使电机顺时针转动一个步距。

4.2半步进控制半步进控制方式是在全步进控制的基础上，通过控制相邻两个相的电流互补关系，实现更细微的步距调整。

控制步骤如下：1.给引脚A施加电压，使电机顺时针转动半个步距。

基于单片机的步进电机可变细分驱动器设计

基于单片机的步进电机可变细分驱动器设计

基于单片机的步进电机可变细分驱动器设计胡维庆;宋启超【摘要】以单片机STC89S52作为控制核心,应用单片机实现高可靠性、低成本的步进电机可变细分驱动的方法。

采用等步距角的细分控制策略,设计出步进电机斩波细分驱动控制系统,包括如何利用单片机控制的斩波、细分驱动方案。

%With the STC89S52 as the control core , using the MCU to achieve high-reliability and low-cost variable-subdivision driver for stepping motor. The paper adopts the equal-stepping angle control strategy to design the cut-wave and subdivision driver control system, including the project realized to use the MCU to achieve cut-wave and subdivision driving.【期刊名称】《交通科技与经济》【年(卷),期】2011(013)005【总页数】4页(P115-118)【关键词】细分驱动;斩波;步进电机;单片机【作者】胡维庆;宋启超【作者单位】黑龙江工程学院电子工程系,黑龙江哈尔滨150050;黑龙江工程学院电子工程系,黑龙江哈尔滨150050【正文语种】中文【中图分类】TK3步进电动机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电动机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。

步进电动机细分驱动技术首先是由美国学者T.R.Fredriksen在美国增量运动控制系统及器件年会上提出。

20世纪70年代中期步进电动机细分驱动技术开始发展，它在改善步进电动机综合使用性能上有广泛的应用价值。

毕业设计(论文)-基于AT89C51单片机的步进电机控制系统

毕业设计(论文)-基于AT89C51单片机的步进电机控制系统

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：基于AT89C51单片机的步进电机控制系统设计学生姓名：学号：专业：自动化班级：自动化06-3班指导教师：基于AT89C51单片机的步进电机控制系统摘要步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，它能按照控制脉冲的要求，迅速起动，制动，正反转和调速。

具有步距角精度高，停止时能自锁等特点，因此步进电机在自动控制系统中，特别是在开环的控制系统中得到了日益广泛的应用。

本文以单片机和环形脉冲分配器为核心设计的步进电机控制系统，通过软硬件的设计调试，实现步进电机能根据设定的参数进行自动加减速控制，使控制系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象；同时它能准确地控制步进电机的正反转，启动和停止。

硬件是以AT89C51单片机为核心的控制电路，主要包括：环形脉冲分配器、键盘显示电路、步进电机的驱动电路等。

软件部分采用C语言编程，主要包括键盘显示程序、步进电机的调速程序、停止判断程序等。

关键词：步进电机控制系统；调速；单片机Based on AT89C51 Single-chip ComputerStepping Motor Control SystemAbstractStepping motor is a kind of digital control system components. It can achieve quick start-up, positive inversion, stopping and speed control, according to the control pulse. It has high precision step angle, and can be self-locking when it keeps still. As these characteristics, stepping motor in automatic control system, especially in the open loop control system has been widely applied.This article mainly focuses on taking Single-chip Computer and cycle pulse distributor as the core, and designing the stepping motor control system. Through the design of the software and hardware debugging, it realizes controlling the step motor’s acceleration and deceleration automatically, according to parameter setting. Making the system arrive the end point with the shortest time, but not occur outing of step. Besides it can accurately achieve start-up, positive inversion and shutdown. Hardware takes AT89C51 as the core of control circuit, mainly including: cycle pulse distributor, keyboard and display circuit, stepping motor driving circuit, etc. Software part adopts the C language programming, mainly including keyboard and display program, stepping motor speed control program, stop judging program, etc.Key words: Stepping motor control system; speed control; Single-chip Computer目录摘要 (I)Abstract (II)第一章引言 (1)1.1 课题提出的背景和研究意义 (1)1.2 课题的主要研究内容 (2)1.3 本章小结 (2)第二章步进电机控制系统设计 (3)2.1 步进电机的原理 (3)2.1.1 三相单三拍通电方式 (3)2.1.2 三相双三拍通电方式 (5)2.1.3 三相六拍通电方式 (6)2.2 环形脉冲分配器 (8)2.3 续流电路 (12)2.3.1 二极管续流 (13)2.3.2 二极管—电阻续流 (14)2.4 步进电机驱动电路 (15)2.5 步进电机的变速控制 (17)2.5.1 变速控制的方法 (19)2.6 步进电机在自动生产线中的应用 (20)2.7 本章小结 (22)第三章控制系统硬件设计 (23)3.1 硬件系统设计原则 (23)3.2 控制系统组成 (23)3.3 主要元件的选择 (24)3.3.1 单片机的选择 (24)3.3.2 EPROM的选择 (25)3.3.3 可逆计数器的选择 (27)3.4 控制系统接口电路的设计 (27)3.4.1 环形脉冲分配器设计 (27)3.4.2 显示电路设计 (29)3.4.3 外部复位电路设计 (30)3.5 控制系统整体电路设计 (31)3.6 本章小结 (31)第四章控制系统软件设计 (32)4.1 软件系统设计原则 (32)4.2 步进电机控制系统功能设计 (32)4.3 主程序设计 (33)4.3.1 主程序工作过程 (33)4.3.2 主程序工作流程图 (34)4.3.3 定时器T0中断程序流程图 (34)4.4 Proteus仿真 (37)4.5 显示程序设计 (39)4.6 键盘程序设计 (39)4.7 调速程序设计 (41)4.7.1 20BY步进电机参数 (41)4.7.2 步进电机转速与频率的关系 (41)4.8 本章小结 (42)第五章结束语 (43)参考文献 (44)附录 (46)附录A 系统程序（C） (46)附录B 20BY步进电机转速与定时器定时常数关系表 (59)附录C 控制系统电路图 (62)致谢 (63)第一章引言1.1 课题提出的背景和研究意义由于步进电机不需要位置传感器或速度传感器就可以实现定位，即使在开环状态下它的控制效果也是令人非常满意的，这有利于装置或设备的小型化和低成本，因此步进电机在计算机外围设备、数控机床和自动化生产线等领域中都得到了广泛的应用。