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基于单片机的步进电机控制器设计
摘要
本文介绍的是一种应用ST89CR52、步进电机、步机电机驱动芯片、LCD显示屏、独立键盘,构建了步进电机控制器系统。
文中讨论了步进电机变频调速的方法。
步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法,可以有效地减少系统开发的周期和成本。
此系统采用模块化编程,用C语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止、显示、延时子程序,通过单片机、电机的驱动芯片ULN2003以及相应的按键实现以上功能。
关键词:
ST89CR52、步进电机、变频调速
Abstract
InthispaperisastepapplicationST89CR52,steppermotor,mechanicalandelectricalmachinedrivingchip,LCDdisplay,keyboardindependently,toconstructasystemofthesteppermotorcontroller.Thispaperdiscussesthestepmotorvariablefrequencyspeedregulationmethod.Steppingmotorcontrolsystemofthedevelopmentofthehardwareandsoftwarecollaborativesimulationmethodwasadopted,thesystemdevelopmentcycleandcostcanbegreatlyreduced.Thissystemusesmodularprogramming,usingClanguagetowritethemotorforward,reverse,speedup,slowdown,stop,display,delaysubroutine,throughsinglechip,motordrivechipULN2003aswellasthecorrespondingbuttontoachieveabovefunctions.
Keywords:
ST89CR52,steppermotor,interpolationmethod,frequencycontrolofmotorspeed.
摘要…………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………Ⅱ
1绪论…………………………………………………………………1
1.1课题研究的目的和意义…………………………………………1
1.2国内外研究概况…………………………………………………1
1.3步进电机常见的控制方案与驱动技术简介……………………2
1.3.1常见的步进电机控制方案………………………………………5
1.3.2驱动技术简介……………………………………………………6
2步进电机概述……………………………………………………7
2.1步进电机介绍………………………………………………………7
2.1.1步进电机概述……………………………………………………7
2.1.2步进电机的工作原理……………………………………………9
2.1.3步进电机的分类与选择……………………………………9
2.2步进电机驱动系统介绍……………………………………………11
2.2.1步进电机驱动系统简介……………………………………11
2.2.2步进电机绕组的电气特性…………………………………13
3系统的硬件设计…………………………………………………16
3.1系统设计方案……………………………………………………16
3.1.2系统的组成及其对应功能简述…………………………………16
4.3液晶显示子程序…………………………………………………26
5系统的调试与检测……………………………………………………27
5.1程序编译时的错误与解决方法……………………………………27
5.2步进电机转动错误及解决方法…………………………………27
总结…………………………………………………………………28
参考文献………………………………………………………………29
附录……………………………………………………………………30
程序…………………………………………………………………30
电路图…………………………………………………………………34
外文文献及翻译……………………………………………………35
致谢……………………………………………………………………51
1绪论
1.1课题研究的目的和意义
步进电动机是用电脉冲信号进行控制,将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机,它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速,快速起停、正反转控制及制动等,并且用其组成的开环系统既简单、廉价,又非常可行,因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。
同时,步进电机在工业控制生产以及仪器上应用十分广泛。
通常都要对一些机械部件平移和转动,对移动的位移和角度控制要求较高,一般的电机很难实现对位置和角度的精确控制,在一些智能化要求较高的场合,用模拟芯片控制器及信号发生器来控制有一定局限性。
而用单片机控制步进电机可以改善性能,步进电机能实现精确的角度和转数,具有良好的步进特性,最适合数字控制。
在工控设备中得到了广泛的应用。
而单片机具有芯片体积小,兼容性强,低电压地,低功耗等特点,使单片机成为驱动步进电机的最佳空盒子单元。
所以单片机控制步进电机系统控制精度高,运行稳定,得以广泛运用。
随着微电子和计算机技术的发展,步进电动机的需求量与日俱增,研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。
1.2国内外研究概况
步进电机最早是在1920年由英国人发明的。
我国步进电机的研究及制造起始于本世界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。
中国在文化大革命中已经生产和应用,例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产,而且都在各行业使用,驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的,当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路,还有电容耦合输入的计数器,触发器,环形分配器。
70年代初期,步进电机的生产和研究都有所突破,除反映在驱动器设计方面的长足进步以外,对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。
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。
至80年代中期以来,由于步进电机精确模型做了大量研究工作,各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。
国外在大功率的工业设备驱动上,目前基本不使用大扭矩步进电动机,因为从驱动电路的成本,效率,噪音,加速度,绝对速度,系统惯量与最大扭矩比来比较,比较不划算,还是用直流电动机,加电动机编码器整体技术和经济指标高。
一些少数高级的应用,就用空心转杯电机,交流电机。
国外在小功率的场合,还使用步进电机,例如一些工业器材,工业生产装备,打印机,复印件,速印机,银行自动柜员机。
国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用,除了前面提到的旋转编码器,打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机,实现闭环直线位移控制。
国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控,有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床,在驱动设备的主要差距,是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强,先进的控制理论作为软件,写在控制器内部。
总的来说,步进电机是一种简易的开环控制,对运用者的要求低,不适合在大功率的场合使用。
在卫星、雷达等应用场合,中国在文化大革命后期,就生产了力矩电机,就生产了环形力矩电机,在高品质的控制场合,有时还不能使用步进电机。
步进电机的细分控制,在改革开放初期,国内就已经基本掌握,这与交流电动机的矢量控制相比,难度要低得多。
1.3 步进电机常见的控制方案与驱动技术简介
1.3.1 常见的步进电机控制方案
1、基于电子电路的控制
步进电机受电脉冲信号控制,电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。
由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱,因此必须有功率放大驱动电路。
步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体,构成步进电机驱动系统。
此种控制电路设计简单,功能强大,可实现一般步进电机的细分任务。
这个系统由三部分组成:
脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。
系统组成如图1.1所示。
图1.1 基于电子电路控制系统
此种方案即可为开环控制,也可闭环控制。
开环时,其平稳性好,成本低,设计简单,但未能实现高精度细分。
采用闭环控制,即能实现高精度细分,实现无级调速。
闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度,然后通过反馈和适当的处理,自动给出脉冲链,使步进电机每一步响应控制信号的命令,从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步[4]。
该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数,功能相对较单一,如需改变控制方案,必须需重新设计,因此灵活性不高。
2、基于PLC的控制
PLC也叫可编程控制器,是一种工业上用的计算机。
PLC作为新一代的工业控制器,由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。
步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。
控制系统采用PLC来产生控制脉冲。
通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲,控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量,同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度,进而控制伺服机构的进给速度。
环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。
PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器,也可采用硬件环形分配器。
采用软件环形分配器占用PLC资源较多,特别是步进电机绕组相数大于4时,对于大型生产线应该予以考虑。
采用硬件环形分配器,虽然硬件结构稍微复杂些,但可以节省PLC资源,目前市场有多种专用芯片可以选用。
步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大,达到比较大的驱动能力,来驱动步进电机。
采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号,并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号,这样就可以省掉专用的步进电机驱动器,降低硬件成本。
但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒,相应的频率只能达到几百赫兹,因此,受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响,步进电机不能在高频下工作,无法实现高速控制。
并且在速度较高时,由于受到扫描周期的影响,相应的控制精度就降低了。
3、基于单片机的控制
采用单片机来控制步进电机,实现了软件与硬件相结合的控制方法。
用软件代替环形分配器,达到了对步进电机的最佳控制。
系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。
由于单片机的强大功能,还可设计大量的外围电路,键盘作为一个外部中断源,设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能,采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序,完成对步进电机的最佳控制,显示器及时显示正转、反转速度等状态。
环形分配器其功能由单片机系统实现,采用软件编程的办法实现脉冲的分配。
本方案有以下优点:
(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制,避免了失步、振荡等对控制精度的影响;
(2)用软件代替环形分配器,通过对单片机的设定,用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动,大大提高了接口电路的灵活性和通用性;(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合,大大提高系统的交互性[5]。
基于以上优点,本次设计采用基于单片机的控制方案。
1.3.2 步进电机驱动技术
步进电动机上个世纪就出现了,它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别,也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。
上世纪80年代以后,由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现,步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。
步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电,同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。
到目前为止,步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。
单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。
该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用,它的优点是结构简单、成本低;缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗,尤其是在高频工作时更加严重,因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。
单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻,用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。
它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振,也带来了损耗大、效率低的缺点。
这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。
高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少,在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率,而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流,即采用加大绕组电流的注入量以提高出力,而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。
但是使用这种驱动方式的电机,其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形,致使电机的输出力矩有所下降。
这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。
为了弥补高低压电路中电流波形的下凹,提高输出转矩,七十年代中期研制出斩波电路,该电路由于采用斩波技术,使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动,流过绕组的有效电流相应增加,故电机的输出转矩增大,而且不需外接电阻,整个系统的功耗下降,效率较高,因而恒流斩波电路得到了广泛应用,本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。
为改善恒流驱动方式的低频特性,设计一个低速时低电压驱动,高速时高电压驱动的电路,使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。
在低速运行时,电子控制器调节功率开关管的导通角,使线路输出的平均电压较低,电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象,从而避免产生明显的振荡。
当运行速度逐渐变快时,平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。
调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路,但实际运行中需要针对不同参数的电机,相应调整其输出电压与输入频率的特性。
细分驱动是指在每次脉冲切换时,不是将绕组的全部电流通入或切除,而是只改变相应绕组中电流的一部分,电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。
细分驱动时,绕组电流不是一个方波而是阶梯波,额定电流是台阶式的投入或切除。
比如:
电流分成n个台阶,转子则需要n次才转过一个步距角,即n细分细分驱动最主要的优点是步距角变小,分辨率提高,且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩:
其次,减弱或消除了步进电机的低频振动,降低了步迸电机在共振区工作的几率。
可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃[6]。
1.4论文的主要研究内容
本论文所选的步进电机是四相步进电机,采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。
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。
本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的,并且通过LCD显示其运行情况。
另外通过单片机实现它的正反转,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。
通过本文了解步进电机和ST89C52RC单片机的原理,掌握单片机控制步进电机系统,学会用电路图编程软件Protel画图,学会用C语言模块化编程。
2步进电机概述
2.1步进电机介绍
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。
2.1.1步进电机概述
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,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
正常情况下,步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入一定频率的脉冲时,电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。
由于步进电动机能直接接收数字量的输入,所以特别适合于微机控制。
本次毕业设计采用的是步距角为7.5度的四相八拍永磁式步进电机。
步进电机的基本参数:
(一)步进电机的静态指标术语:
1)相数:
产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。
常用m表示。
2)拍数:
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用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.
3)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°(转子齿数*运行拍数),以常规二相电机、四相电机,转子齿为50齿的电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。
4)定位转矩:
电机在不通电状态下,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)。
5)静转矩:
电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。
此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过分采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。
(二)步进电机动态指标及术语:
1)步距角精度:
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分比表示:
误差/步距角*100%。
不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在5%之内,八拍运行时应在15%以内。
2)失步:
电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。
称之为失步。
3)失调角:
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转时必存在失调角,由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的。
4)最大空载起动频率:
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的最大频率。
5)最大空载的运行频率:
电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率。
6)运行矩频特性:
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据。
电机一旦选定,电机的静力矩确定,而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态电流),平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬。
要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,使采用小电感大电流的电机。
7)电机的共振点:
步进电机均有固定的共振区域,二相感应子式步进电机和四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角为0.9度),电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多。
8)电机正反转控制:
当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转,通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转。
(三)步进电机的特征如下:
1)一般步进电机的精度为步进角的3%-5%,且不积累。
2)步进电机外表允许的最高温度。
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)的增大而相电流减少,从而导致力矩下降。
4)步进电机低速时可以正常转动,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步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,可能发生丢步或者堵转。
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)。
步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。
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。
2.1.2步进电机的工作原理
步进电机的工作就是步进转动,其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移,就是给一个脉冲信号,电动机转动一个角度或是前进一步。
步进电机的角位移量与脉冲数成正比,它的转速与脉冲频率(f)成正比,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,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
如下所示的步进电机为一四相步进电机,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2-1 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。
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2-2所示:
图2-2步进电机工作时序波形图
2.1.3步进电机的分类与选择
(一)步进电机的分类
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。
反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子,其结构简单,生产成本低,步距角可以做的相当小,一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩,但动态性能相对较差。
永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁
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