单片机的步进电机(带汇编程序)

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1、长春工业大学毕业设计（论文）摘 要步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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

2、步进电机在机电一体化控制等大多数场合。实践证明，基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更好的性能，更加简单、方便、可靠。本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执行器件步进电机。关键词: 步进电机 单片机 正反转控制 加减速控制 XY工作台Control of Stepping MotorsAbstract Stepper motor is a pure digital control motor, is the electric pulse signal into angular displacement or linear displacement of the open-l

3、oop control components. In this paper, SCM AT89C51 and pulse distributor PMM8713, stepper motor drives, optical isolator 4N25 so constructed stepper motor controller and driver as one of the stepping motor control system. AT89C51 and pulse distributor PMM8713 through the completion of the various st

4、epper motor control methods, to achieve 3-phase stepper motor 6 shooting in the way of working and processing under the control Reversible deceleration control. Screw by stepper motor linked to drive XY table linear motion, from a starting point A to point B booking point displacement control. The s

5、ystem adopts modular design, simple structure, reliable interface for human-computer interaction through the realization of the feature set, simple, easy to master. The system can be applied to stepping motor control in mechatronics most occasions. Practice shows that the control of stepper motor ba

6、sed on single chip than the traditional step controller has better performance, more simple, convenient and reliable. The main object of study of this design is the open-loop servo system, the most commonly used implementation of the device - stepper motor. Keywords: stepper motor control MCU Revers

7、ible acceleration and deceleration control XY table目 录1 绪论11.1 步进电机及其发展11.2 步进电机在我国的发展应用及前景11.3 本文研究内容22 步进电机的分类、结构、工作原理及特性22.1 步进电机的概念22.2 步进电机的特点32.3 步进电机的分类32.4 步进电机的结构及工作原理42.4.1 结构42.4.2 对齿和错齿42.4.3 工作原理52.4.4 工作方式（三相）62.5 步进电机的常用术语62.6 步进电机的振荡和失步72.6.1 振荡72.6.2 失步82.7 阻尼方法82.8 步进电机的矩频特性83 步进电机

8、的驱动93.1 单电压功率驱动接口93.2 双电压功率驱动接口103.3 高低压功率驱动接口104 步进电机的单片机控制114.1 步进电机控制系统组成114.2 步进电机控制系统原理114.2.1 脉冲序列的生成124.2.2 方向控制124.3 脉冲分配124.3.1 通过软件实现脉冲分配124.3.2 通过硬件实现脉冲分配134.4 步进电机与微型机的接口电路145 步进电机的运行控制155.1 步进电机的速度控制155.2 步进电机的位置控制155.3 步进电机的加减速控制166 步进电机的XY工作台176.1 设计目标176.2 X、Y工作台的传动方式186.3 程序框图216.4

9、汇编程序23设计总结26参考文献.271、绪 论步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。1.1步进电机及其发展随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。步进电机的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。1950年后期晶体管的发明

10、也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。图1.1 步进电机的外观图1.2 步进电机在我国的发展应用及前景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

11、研究一些装置而使用或开发少量产品。我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的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。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。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

12、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。目

13、前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。1.3 本文研究内容本设计主要是研究基于单片机的步进电机控制，采用单片机AT89C51和脉冲分配器PMM8713控制步进电机在三相六拍工作方式下的启停控制，正反转控制和加减速控制，

14、以实现基于步进电机的XY工作台两点间的位移控制。2 步进电机的分类、结构、工作原理及特性2.1 步进电机的概念步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。我们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；同时我们也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。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

15、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。从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。2.2 步进电机的特点1. 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。2. 步进电机外表不允许较高的温度。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

16、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. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。5. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。6. 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。7. 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。8. 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。9. 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制

17、系统和机械负载采取相应的措施。10. 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。伴随着不同的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。2.3 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。1. 反应式步进电机：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。2. 永磁式步进电机：一

18、般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；3. 混合式步进电机：是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，性能最好。2.4 步进电机的结构及工作原理2.4.1 结构图2.4.1 步进电机内部结构图如图2.1所示，步进电机分为转子和定子两部分：1. 定子：由硅钢片叠成的，定子上有6大磁极，每2个相对的磁极（，S）组成一对，共有3对。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、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1

19、/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）。2. 转子：由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿相同，并且小齿的大小相同，间距相同。2.4.2 对齿和错齿图2.4.2 步进电机转子展开图反应式步进电机的动力来源于电磁力，只有电机存在错齿现象才能转动。在电磁力的作用下，转子被推动到最大磁导率的位置，定子小齿与转子小齿对齐的位置，并处于平衡状态，如图2.2中的A相位置，这种现象被称为对齿。而对于三相步进电机来说，当某一相得磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置，即定子和转子不对齐位置，这种现象被称为错齿。2.4.3 工作原理图2.4.

20、3 步进电机三相接线图如图2.4.3所示，U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。以反应式步进电机为例：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，

21、此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-

22、CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。2.4.4 工作方式（三相）1. 单三拍：通电顺序为 ABC ；2. 双三拍：通电顺序为 ABBCCA ；3. 三相六拍：通电顺序为 AABBBCCCA 这三种工作方式的区别，如下

23、表所示：表2.1 反应式步进电机三种工作方式的性能比较工作方式单三拍双三拍六拍步进周期TTT每相通电时间T2T3T走齿周期3T3T6T相电流小较大最大高频性能差较好较好转矩小中大电磁阻尼小较大较大振荡容易较容易不容易功耗小大中由表2.1可以看出这三种工作方式中，六拍的性能最好，单三拍的性能最差，因此，在步进电机的控制应用中，选择合适的工作方式非常重要，本文主要研究的是三相六拍工作方式。2.5 步进电机的常用术语1. 齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。z=2/Z (Z 是转子的齿数)2. 步距角：指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。 b=z/N =

24、 2/NZ (N是工作拍数，Z是转子的齿数)3. 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。4. 失调角：指转子偏离零位的角度。转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。5. 零位或初始稳定平衡位置：指不改变绕组通电状态，转子在理想空载状态下的平衡位置。6. 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。7. 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

25、加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。8. 响应频率：在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。9. 运行频率：指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。10. 单步响应：指步进电机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转子由起动到停止的运动轨迹。2.6 步进电机的振荡和失步步进电机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运行，因此要尽力去避免。2.6.1 振荡步进电机的振荡现象主要发生于：步进电机工作在低频区，步进电机工作在共振区，步进电机突然停车时。当步进电机工作在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电机表现

26、为单步运行，当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动，到达平衡点时，电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大，由于惯性，转子冲过平衡点，这时电磁力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动。当转子反转过平衡点后，电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动。如此下去，形成转子围绕平衡点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰弱振荡，最终稳定在平衡点。当步进电机工作在共振区时，步进电机的脉冲频率接近步进电机的振荡频率fo或振荡频率的分频或倍频，这会使振荡加剧，严重时造成失步。振荡失步的过程可描述如下：在第一个脉冲到来后，转子经历了一次振荡。当转子回摆到最大幅值时，恰好第

27、2个脉冲到来，转子受到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆，接着第3个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点，这样，转子经过3个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了三步。当步进电机工作在高频率区时，由于换相周期短，转子来不及反冲，同时，绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个工作区中不会产生振荡。减少步距角可以减少振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。 2.6.2 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。步进电机失步的原因有2种:1. 转子的转速慢于旋转磁场的速度（或者说慢于换相速度）。例如，步进电机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，

28、使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此，步进电动机有一个启动频率启动时，肯定会产生失步。注意，启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、减少负载转动惯量、减少步距角都可以提高步进电机的启动频率。2. 转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和突然换向时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。2.7 阻尼方法 消除振荡是通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼法和电子阻尼法两大类。其中机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器，电子阻尼法则有多种。1. 多相励磁法：采用多相励磁会产生电磁阻尼，会削弱或消除振荡现象。2. 变频变压法：步进电机在高频和在低频时转子

29、所获得的能量不一样，在低频时绕组中的电流上升时间长，转子获得的能量大，因此容易产生振荡，在高频时则相反。所以，可以设计一种电路，使电压随频率的降低而减少，这样使绕组在低频时的电流减少，可以有效地消除振荡。3. 细分步法：细分步法是将步进电机绕组中的稳定电流分成若干阶段，每进一步时，电流升一级。同时，也相对地提高步进频率，使步进过程平稳进行。4. 反相阻尼法：这种方法用于步进电机制动，在步进电机转子要过平衡点之前，加一个反向作用力去平衡惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实现准确制动。2.8 步进电机的矩频特性矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时，输出转矩Md与连续运行频率f之间的关系。矩频特性

30、曲线上每一个频率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩随连续运行频率的上升而下降下。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。步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般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。3 步进电机的驱动 步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电

31、动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。3.1 单电压功率驱动接口单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电，它的特点是电路最简单。 步进电机使用脉冲电源工作，脉冲电源的获得可通过下图说明，开关管T是按照控制脉冲的规律“开”和“关”，使直流电源以脉冲方式向绕组L供电，这一过程我们称为步进电机的驱动。实用电路如下图所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简

32、单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。Rs对步进电动机单步响应的改善如图3.1所示：图3.1 单电压功率驱动接口电路图在图3.1中，电路中只有一个电源V，电路中的限流电阻R1决定了时间常数，但R1太大会使绕组供电电流减小。这一矛盾不能解决时，会使电动机的高频性能下降，可在R1两端并联一个电容，以使电流的上升波形变陡，来改善高频特性，但这样做又使低频性能变差。R1在工作中腰消耗一定的能量，所以这个电路损耗大，效率低，一般只用于小功率步进电机的驱动。3.2 双电压功率驱动接口 用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样就产生了双电压驱动。双电压驱动有两种工作方式：双电压法和高低压法。双电

33、压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH驱动。这种功率接口需要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。图3.2中，功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。当Uh低电平，TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。反之Uh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。其电路图如下所示：图3.2 双电压功率驱动接口电路虽然这方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好的高频特性，但仍没有摆脱单电压驱动的弱点，在限流电阻R上仍然会产生损耗和发热。3

34、.3 高低压功率驱动接口高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，高压管VTH的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取13ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。高低压驱动电路如下图所示：图3.3 高低压驱动接口电路图高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法，由于这种驱动在

35、低频时电流有较大的上冲，电动机低频噪声较大，低频共振现象存在，使用时要注意。4 步进电机的单片机控制4.1 步进电机控制系统组成图4.1 用微型机控制步进电机原理系统图与传统步进控制器相比较有以下优点：1. 用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。2. 只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。3. 根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。4.2 步进电机控制系统原理4.2.1 脉冲序列的生成图4.2.1 脉冲的生成脉冲幅值：由数字元件电平决定。 TTL 0 5V CMOS 0 10V 接

36、通和断开时间可用延时的办法控制。要求：确保步进到位。4.2.2 方向控制步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。 三相六拍，通电顺序为: 正转: AABBBCCCA 反转: AACCCBBBA 改变通电顺序可以改变步进电机的转向 4.3 脉冲分配 实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法4.3.1 通过软件实现脉冲分配软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的IO向驱动电路发出控制脉冲，下面以三相六拍为例上面提到了三相六拍工作方式通电换相得正序为A-AB-B-BC-C-CA-A,，反序为A-AC-C-CB-B-BA-A图4.3.1 用软件实现脉冲分配

37、的接口示意图注：P1.0：A相驱动P1.1：B相驱动P1.2：C相驱动三相六拍控制字如下表所示：表4.1 三相六拍工作方式的控制字通电状态P1.2P1.1P1.0控制字A00101HAB01103HB01002HBC11006HC10004HCA10105H注：0代表使绕组断电，1代表使绕组通电在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1口，步进电机就会转动一个齿距角，每送一个控制字，就完成一拍，步进电机转过一个步距角。软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPU时间，可能使单片机无法同时进行其他工作（如监测等），所以，人们更喜欢用硬件法。4.3.2 通过硬件实现脉冲分配所

38、谓硬件法实际上就是使用脉冲分配器8713，来进行通电换相控制。8713是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电机，我们选择的是三相六拍工作方式。8713可以选择单时钟输入或双时钟输入，具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监视等功能，所有输入端内部都设有斯密特整形电路，提高抗干扰能力，使用418V直流电源，输出电流为20mA。本例选用单时钟输入方式，8713的3脚为步进脉冲输入端，4脚为转向控制端，这两个引脚的输入均由单片机提供和控制，选用对三相步进电机进行六拍方式控制，所以5、6脚接高电平，7脚接地。如下图所示：图4.3.2 89C51单片机系列和8713脉冲分配器的接口图由于

39、采用了脉冲分配器，单片机只需提供步进脉冲，进行速度控制和转向控制，脉冲分配的工作交给8713来自动完成，因此，CPU的负担减轻许多。4.4 步进电机与微型机的接口电路由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。总之，只要按一定的顺序改变8713脉冲分配器的 13脚15脚 三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器（一是抗干扰，二是电隔离。）以防强功率的干扰信号反串进主控系统。电路图如下所示：图4.4.1 单片机与步进电机的接口电路图1.

40、 图中 K1、K2、K3、K4按钮分别控制步进电机正转、反转、加速、减速。2. 因为我们讨论的是三相六拍的工作方式，所以P0.4和P0.6接高电平，P0.7接低电平。3. P0.0输出步进脉冲。4. P0.1控制步进电机的转向。5 步进电机的运行控制5.1 步进电机的速度控制步进电机的速度控制是通过单片机发出的步进脉冲频率来实现，对于软脉冲分配方式，可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速，对于硬脉冲分配方式，可以控制步进脉冲的频率来实现调速。控制步进电机的速度的方法可有两种：1. 软件延时法：改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率，但这种方法CPU长时间等待，占用大量的机时，因此没

41、有实践价值。2. 定时器中断法：在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速，这种方法占有的CPU时间较少，在各种单片机中都能实现，是一种比较实用理想的调速方法。定时器法利用定时器进行工作，为了产生步进脉冲，要根据给定的脉冲频率和单片机的机器周期来计算定时常数，这个定时器决定了定时时间，当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变P1.0的电平状态的操作，这样就可以得到一个给定频率的方波输出，改变定时常数，就可以改变方波的频率，从而实现调速。5.2 步进电机的位置控制 步进电机的位置控制，指的是控制步进电机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位

42、置，步进电机的位置控制是步进电机的一大优点，它可以不用借助位置传感器而只需要简单的开环控制就能达到足够的位置精度，因此应用很广。步进电机的位置控制需要两个参数：1. 第一个参数：步进电机控制执行机构当前的位置参数（我们称为绝对位置），绝对位置时有极限的，其极限时执行机构运动的范围，超越了这个极限就应报警。2. 第二个参数：从当前位置移动到目标位置的距离 我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电机的步数，这个参数是外界通过键盘或可调电位器旋钮输入的，所以折算的工作应该在键盘程序或A/D转换程序中完成。 对步进电机位置控制的一般作法是：步进电机每走一步，步数减1，如果没有失步存在，当执行机构到达

43、目标位置时，步数正好减到0，因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位，作为步进电机停止运行的信号。 5.3 步进电机的加减速控制步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受各种环境条件诸如温度、压力、振动、冲击等影响，而仅仅与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低可以大范围地调节电机的转速，并能实现快速起动、制动、正反转、加减速，而且有自锁的能力，不需要机械制动装置，不经减速器也可获得低速运行。它每转过一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电机驱动执行机构从A点到B点移动

44、的时，要经历升速，恒速，减速过程，如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率，步进电机就有失步现象，因此会造成不能正常启动，如果到终点时突然停下来，由于惯性作用 ，步进电机会发生过冲现象，会造成位置精度降低。如果升速非常缓慢的升降速，步进电机虽然不会发生失步和过冲现象，但影响执行机构的工作效率，所以，对步进电机的加减速要有严格的要求，那就是保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到有可能指定位置。为满足加减速要求，步进电动机运行通常按照加减速曲线进行。图5.1是加减速运行曲线。加减速运行曲线没有 一个固定的模式，一般根据经验和实验得到的。最简单的是匀加速

45、和匀减速曲线，如下图所示：图5.3.1 加减速曲线图其加减速曲线都是直线，因此容易编程实现。按直线加速时，加速度是不变的，因此要求转矩也应该是不变的。但是，由于步进电动机的电磁转矩玉转速时非曲线关系，因而加速度玉频率也应该是非曲线关系。因此，实际上当转速增加时，转矩下降，所以，按直线加速时，有可能造成因转矩不足而产生失步的现象。采用指数加、减速曲线或S形（分段指数曲线）加、减速曲线是最好的选择。步进电机的运行可以根据距离的长短分如下3种情况处理：1. 短距离由于距离较短，来不及升到最高速，因此，在这种情况下，步进电机以洁净启动频率运行，运行过程没有加、减速。2. 中、短距离在这样的距离里，步进

46、电机只有加、减速过程，而没有恒速过程。3. 中、长距离在这样的距离里，步进电机不经有加、减速过程，而且还有恒速过程。由于距离较长，要尽量缩短用时，保证快速反应性。因此，在加速时，尽量用接近启动频率启动，在恒速时，尽量工作在最高速。单片机在用定时器法调速时，用改变定时常数的方法来改变输入步进脉冲频率，达到改变转速的目的，对于MCS-51系列单片机，其定时器属于加1定时器。因此，在步进电机加速时，定时常数应增加；减速时，定时常数应减小。如果采用非线性加、减速曲线，要用离散法将加减速曲线离散化，将离散所得的转速序列所对应的定时常数序列，做成表格存储在程序存储器重。在程序运行中，使用查表得方式重装定时

47、常数，这样做比用计算机节省时间，提高系统的响应速度。在下章的程序中，参数除了有速度级数N和极步数NC以外，还有以下参数：1. 加速过程的总步数：电动机在升速过程中每走一步，加速总步数就减1，直到减为0，加速过程结束，进入恒速过程。2. 恒速过程的总步数：电动机在恒速过程中每走一步，恒速总步数就减1，直到减为0，恒速过程结束，进入减速过程。3. 减速过程的总步数：电动机在减速过程中每走一步，减速总步数就减1，直到减为0，减速过程结束，电动机停止运行。6 步进电机的XY工作台6.1 设计目标利用两个步进电机组成X、Y坐标系，并分别控制工作台上X轴和Y轴的步进脉冲，实现从起点A点到预定点B点的走向控

48、制。对步进电机的控制要求:1 判断旋转方向；2 按顺序传送控制脉冲；3 判断所要求的控制步数是否传送完毕。6.2 X、Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杆螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减少工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动，系统总体框图如下：图6.2.1 步进电机控制XY轴系统总体框图如图6.1所示，分别用两台步进电机控制XY轴工作台，具体控制图如下所示：图6.

49、2.2 丝杠螺母传动如图6.2所示，当步进电机转动时，带动丝杠转动，丝杠和工作台纹合，致使工作台直线位移。为了方便计算，本文以90BF001系列磁阻式步进电机中的90BF003三相步进电机为例。表6.1 90BF003步进电机技术参数表型号主要技术参数相数步距角(Deg.)电压(V)相电流(A)空载启动频率(Hz)空载运行频率(Hz)分配方式90BF00331.5/3605150080003相6拍外形尺寸(mm)重量kg转子转动模量Kg.m外直径长度轴直径9012594.51764由上表可知，步进电机的步距角为1.5，由b=z/N = 2/NZ可得知步进电机的齿数为40。步进电机的轴周长为C=

50、 2R= D=9，所以步进电机走过一个步距角即1.5，它所连的丝杠走过约为8.5mm。设起点A的坐标为（0,0）通过两台步进电机分别控制XY轴使得轨迹达到B点（34,34）。表6.2 步进电机的运动坐标分配表电机编号坐标(mm)步进电机01(X)008.58.5171725.525.534步进电机02(Y)08.58.5171725.525.53434图6.2.3 步进电机丝杠连动运动轨迹图根据坐标分配表可画出步进电机丝杠连动在XY轴上的运动轨迹图如图6.3所示，由图可知，步进电机走的不是直线，而是折线。下面根据基于XY轴的步进电机控制系统的原理对机床工作台移动的移动量、速度和移动方向进行控制

51、三个方面进行介绍。1.工作台位移量的控制数控机床控制系统发出的 个进给脉冲，经驱动线路之后，变成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化次数 ，使步进电机定子绕组的通电状态变化 次。由步进电机工作原理可知，定子绕组通电状态的变化次数 决定了步进电机的角位移 , ( 即步距角)。该角位移经丝杠、螺母之后转变为工作台的位移量 ， (t为螺距)。即进给脉冲的数量 定子绕组通电状态变化次数 步进电机的转角 工作台位移量 。2.工作台进给速度的控制机床控制系统发出的进给脉冲的频率 ，经驱动控制线路之后，表现为控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化频率，也就是定子绕组通电状态变化频率。而定子绕组

52、通电状态的变化频率 决定了步进电机转子的转速。该转子转速经丝杠螺母转换之后，体现为工作台的进给速度v。即进给脉冲的频率 定子绕组通电状态的变化频率 步进电机的转速工作台的进给速度v。3.工作台运动方向的控制当控制系统发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路，使步进电机的定子各绕组按一定的顺序依次通电、断电；当进给脉冲是负向时，驱动控制线路则使定子各绕组按与进给脉冲是正向时相反的顺序通电、断电。由步进电机的工作原理可知，通过步进电机定子绕组通电顺序的改变，可以实现对步进电机正转或反转的控制，从而实现对工作台的进给方向的控制。综上所述，在步进电机控制系统中，输入的进给脉冲的数量、频率、方向，经驱动控

53、制线路和步进电机，转换为工作台的位移量、进给速度和进给方向，从而实现对位移的控制。6.3 程序框图根据设计任务，可画出控制步进电机正反转，加减速控制，工作方式为双时钟，程序框图如下：是否是否否反转改变P0.0状态P0.0=0？正转加速步数减1极步数减1级步数=0？加速1级计算级步数加速步数=0？指针指向恒速减速步数减1级步数减1复位级步数=0？减速一级计算级步数减速步数=0？是图6.3 基于单片机的步进电机控制程序框图6.4 汇编程序本程序的资源分配如下：R0中间寄存器；R1储存速度级数；R2储存级数步数；R3加减速状态指针，加速时指向35H，恒速时指向37H，减速时指向3AH;32H34H存

54、放绝对参数（假设用3个字节），低位在前；35H、36H存放加速总步数（假设2个字节），低位在前；37H39H存放恒速总步数（假设3个字节），低位在前；3AH、3BH存放减速总步数（假设2个字节），低位在前；P0.0正转脉冲输入；P0.1反转脉冲输入；P1.3正转按钮K1；P1.4反转按钮K2；P1.5加速按钮K3；P1.6减速按钮K4；定时常数序列放在以ABC为起始地址的ROM中。初始R3=35H,R1、R2都有初始值。程序如下：ORG 0000HJNB P0.0 ZZ; JNB P0.1 FZ;ZZ:INC R0 CJNE R0,#06H ZZ1; MOV R0,00H;ZZ1:MOV A,

55、R0;MOV DPTR,#ABC;MOVC A,A+DPTR;MOV P0 A;FZ: DEC R0; CJNE R0 #0FFH,FZ1;MOV R0,#05H ;FZ1:MOV A,R0;MOV DPTR,#ABC;MOVC A,A+DPTR;MOV P0,A;ABC:DB 01H 03H 02H 06H 04HRETJS:MOV R0,#35; CJNER0 #0FFH,JS1; INC R0; DEC R0;JS1:DJNC R2 JS2; INC R1;MOV A R1;MOV B,#N;MUL AB;MOV R2 A;JS2:MOV A,35H;ORL A,36H;JNB R3 #

56、37H;MOV R0 #3AH;DEC R0;CJNE R0,#0FFH,JS4;INC R0;DEC R0;JS4:DJNC R2 JS5;DEC R1;MOV A,R1;MOV B,#N;MUL AB;MOV R2,A;JS5:MOV A,3AH;ORL A,3B;JNB R3;RET;总 结本设计通过单片机AT89C51和脉冲分配PMM8713来控制步进电机的正反转，加减速，以实现基于XY轴坐标的步进电机的运动控制。利用步进电机的转子的旋转带动所联接的丝杆的旋转，丝杆又带动了XY工作台进行直线位移。本设计实现了占用CPU时间少，效率高；易于控制步进电机的转向转速；提高了步进电机的步进精度

57、等。再有，本设计过程考虑比较周全，系统中不仅采用光电隔离电路有效地抑制电磁干扰以提高系统的可靠性，而且还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求，因此常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。步进电机控制（包括控制脉冲的产生和分配）使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了电路，也减低了成本。基于单片机的步进电机控制系统性能优于传统的步进控制器，具有相应快，控制方便可靠等一系列优点，在机电一体化、数模转换装置、计算机外围设备、自动记录仪、钟表、印刷设备等中亦得到广泛地应用，发展前景广阔。参考文献1 王晓明、 胡晓柏，电动机的单片机控制M.北京航空航天大学出版社

58、,2002年5月第1版：181-2082 刘宝延、 程树康，步进电动机及其驱动控制系统 M .1997年11月第一版：134-1673 史敬灼， 步进电动机伺服控制技术M .2007年3月第2版：23-354 李海滨、 片春媛、 许瑞雪， 单片机技术课程设计与项目实例J. 中国电力出版社,2009版：56-655刘国永, 陈杰平. 单片机控制步进电机系统设计. 安徽: 安徽技术师范学院学报, 2002, 16 (4) : 61-63.6孙笑辉,韩曾晋. 减少感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法J. 电气传动, 2001 (1) : 8-11.7冯江华,陈高华,黄松涛. 异步电动机的直接转矩控制J. 电工技术学报, 1999 (6) : 29-33.8江一,朱凌,申仲涛. 异步电动机直接转矩控制仿真研究J. 华北电力大学学报, 2003 (1) : 10-13.9徐益民. 步进电机的单片机控制系统的设计D.哈尔滨:黑龙江科技学院. 2005：45-6510廖高华. 高性能步进电机控制系统的研制D. 西安:西安科技大学，2004：76-9811 王福瑞. 单片机微机测控系统设计大全M. 北京:北京航空航天大学出版社, 1998：87-9027