单片机控制步进电机调速实验

51系列单片机控制步进电机调速实验

实验目的及要求：

1、熟悉步进电机的工作原理

2、熟悉51系列单片机的工作原理及调试方法

3、设计基于51系列单片机控制的步进电机调速原理图(要求实现电机的速度反馈测量，测量方式：数字测量)

4、实现51系列单片机对步进电机的速度控制(步进电机由实验中心提供，具体型号 42BYG )由按钮控制步进电机的启动与停止；实现加速、匀速、和减速控制。速度设定由键盘设定，步进电机的反馈速度由LED数码管显示。

实验原理：

步进电机控制原理

一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。 因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用将逐渐扩大。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号

可以由单片机产生。

电机转子均匀分布着很多小齿，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て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5

相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：(图2所示

)

图1 是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，联法如图所示。下面介绍反应式步进电动机单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。 一、单三拍通电方式的基本原理

设A 相首先通电（B、C 两相不通电），产生A-A′轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S 极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A′极的位置（图3a）；接着B 相通电（A、C两相不通电），转了便顺时针方向转过30°，它的齿和C、C′极对齐（图3c）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按A→C→B→A→„的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。 二、六拍通电方式的基本原理

设A 相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐（图4a）。然后在A 相继续通电的情况下接通B 相。这时定子B、B′极对转子齿2、4 产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图4b 所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。接着A 相断电，B 相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐（图c），转子从图(b)的位置又转过了15°。其位置如图3d 所示。这样，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A„的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A„的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。

三、双三拍通电方式的基本原理

如果每次都是两相通电，即按A、B→B、C→C、A→A、B→„的顺序通电，则称为双三拍方式，从图4b，和图4d 可见，步距角也是30

°。因此，采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角，每走一

步前进了三分之一齿距角；采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。因此步距角θ 可用下式计算： θ＝360°/Zr×m

式中Zr 是转子齿数；m 是运行拍数。

一般步进电动机最常见的步距角是3°或1．5°。由上式可知，转子上不只4 个齿（齿距角90°），而有40 个齿（齿距角为9°）。为了使转子齿与定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因此，

定子上除了6 个极以外，在每个极面上还有5 个和转子齿一样的小齿。步进电动机的结构图如图5 所示。 由上面介绍可知，步进电动机具有结构简单、维护方便、精确度高、起动灵敏、停车准确等性能。此外，步进电动机的转速决定于电脉冲频率，并与频率同步。 四、步进电动机的驱动电源

步进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让电动机的控制绕组按照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而动作，这个专用电源称为驱动电源。步进电动机及其驱动电源是一个互相联系的整体，步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所形成的综合效果。

1、对驱动电源的基本要求

（1）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都要满足步进电动机的需要； （2）要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求； （3）能最大限度地抑制步进电动机的振荡； （4）工作可靠，抗干扰能力强；

（5）成本低、效率高、安装和维护方便。 2、驱动电源的组成

步进电动机的驱动电源基本上由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成，如图6 所示。 L298N的说明及应用

恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N

L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。

L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。

L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46 V。输出电流可达2．5 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。

L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。表1是L298N功能逻辑图。

In3，In4的逻辑图与表1相同。由表1可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。 L298N控制器原理如下：

图8是控制器原理图，由3个虚线框图组成。

下面是3个虚线框图功能：

（1）虚线框图1控制电机正反转，U1A，U2A是比较器，VI来自炉体压强传感器的电压。当VI＞VRBF1时，U1A输出高电平，U2A输出高电平经反相器变为低电平，电机正转。同理VI＜VRBF1时，电机反转。电机正反转可控制抽气机抽出气体的流量，从而改变炉体压强。

（2）虚线框图2中，U3A，U4A两个比较器组成双限比较器，当VB＜VI＜VA时输出低电平，当VI＞VA，VI＜VB时输出高电平。VA，VB是由炉体压强转感器转换电压的上下限，即反应炉体压强控制范围。根据工艺要求，我们可自行规定VA，VB的值，只要炉体压强在VA，VB所确定范围之间电机停转（注意VB＜VRBF1＜VA，如果不在这个范围内，系统不稳定）。

（3）虚线框图3是一个长延时电路。U5A是一个比较器，Rs1是采样电阻，VRBF2是电机过流电压。Rs1上电压大于VREF2，电机过流，U5A输出低电平。由上面可知，框图1控制电机正反转，框图2控制炉体压强的纹波大小。当炉体压强太小或太大时，电动机转到两端固定位置停止，根据直流电机稳态运行方程[3]： U＝CeФN＋RaIa

其中:Ф为电机每极磁通量； Ce为电动势常数； N为电机转数； Ia为电枢电流； Ra电枢回路电阻。

电机转数N为0，电机的电流急剧增加，时间过长将会使电机烧坏。但电机起动时，电机中线圈中的电流也急剧变大，因此我们必须把这两种状态分开。长延时电路可把这两种状态区分出来。长延时电路工作原理：当Rs1过流U5A产生一个负脉冲经过微分后，脉冲触发555的2脚，电路置位，3脚输出高电平，由于放电端7脚开路，C1，R5及U6A组成积分器开始积分，电容C1上的充电电压线性上升，延时运放积分常数为100R5C1。当C1上充电电压，即6脚电压超过2／3 VCC，555电路复位，输出低电平。电机启动时间一般小于0．8 s，C1充电时间一般为0．8～1 s。U5A输出电平与555的3脚输出电平经U7相或，如果U5A输出低电平大于C1充电时间，U7在C1充电后输出低电平由与门U8输入到L298N的6脚ENA端使电机停止。如果U5A的输出电平小于C1充电时间，6脚不动作电机的正常启动。长延时电路吸收电机启动过流电压波形，从而使电机正常启动。1、15脚是输出电流反馈引脚，在通常使用中这两个引脚也可以直接接地。图8是其引脚图： 3、步进电机的静态指标术语

相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。

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。

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度（转子齿数J*运行拍数），

以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。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）。

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）

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，但过份采用减小气隙，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。 4、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。如图9所示：

其它特性还有惯频特性、起动频率特性。

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。如图10所示：

其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压

最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。

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、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。

数字测速

检测光电式旋转编码器与转速成正比的脉冲，然后计算转速，有三种数字测速方法：即M法、T法和M/T

法。

光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件，旋转编码器与电机相连，当电机转动时，带动码盘旋转，便发出转速或转角信号。如图11所示。

数字测速指标

1．分辨率

改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率，用符号Q表示。转速由n1变为n2时，引起记数值改变了一个字，

则该测速方法的分辨率是Q=n2-n1。Q越小，说明该测速方法的分辨能力越强。 2．测速误差率

转速实际值和测量值之差∆n与实际值n之比定义为测速误差率，δ%=速方法的准确性，δ%越小，准确度越高。

∆nn

图11 数字测速装置原理图

⨯100%，测速误差率反映了测

M法测速

测取Tc时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1，用以计算这段时间内的平均转速，称作Ｍ法测速，图12所示。电机的转速为n=

60M1ZTc

r/min，

M法测速的分辨率：Q=

60(M1+1)

ZTc

-

60M1ZTc

=

60ZTc

M法测速误差率：

60M1

60(M1-1)

ZTc

⨯100%=

图12 M测速法原理图

δmax%=

ZTc

1M1

60M1ZTc

⨯100%

M法测速适用于高速段，

T法测速

记录编码器两个相邻输出脉冲的间的高频脉冲个数M2，f0为高频脉冲频率，图13所示。 电机转速

图13 T测速法

n=

60ZTt

=

60f0ZM2

r/min

T法测速的分辨率：

Q=

60f0Z(M

2

-1)

-

60f0ZM

2

=

60f0

ZM2(M

2

-1)

或Q=

Zn

2

60f0-Zn

Ｔ法测速误差率：

60f0

60f0ZM

2

δmax%=

Z(M

2

-1)60f0ZM

2

⨯100%=

M

1

2

-1

⨯100%

T法测速适用于低速段。

M/T法测速

把M法和T法结合起来，既检测TC时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M2，用来计算转速，称作M/T法测速。采用M/T法测速时，应保证高频时钟脉冲计数器与旋转编码器输出脉冲计数器同时开启与关闭以减小误差。

电机转速n=图14所示

60M1ZTt

=

60M1f0ZM

2

r/min

图14 M/T法测速原理图

步进电机的闭环控制

步进电机的主要优点之一是能在开环系统中工作。在开环控制下，步进电机受连续脉冲间具有预订时间间隔的脉冲序列所控制。这种运行方式控制线路经济简单，不需反馈编码器和相应的电子线路，使步进电机获得更为广泛的应用。一般来说，步进电机具有什么样的性能，在很大程度上取决于用什么方法去控制它。步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步转矩而启动的，为了不发生失步，启动频率是不高的。特别是随着功率的增加，转子直径增大，惯量增大，启动频率和最高运行频率可能相差10倍之多。

为了充分发挥电机的快速性能，通常使电机在低于启动频率下启动，然后逐步增加脉冲频率直到所希望的速度，所选择的变化速率要保证电机不发生失步，并尽量缩短启动加速时间。

为了保证电机的定位精度，在停止以前必须使电机从最高速度逐步减小脉冲率降到能够停止的速度(等于或

稍大于启动速度)。因此，步进电机拖动负载高速移动一定距离并精确定位时，一般来说都应包括“启动-加速-高速运行(匀速)-减速-停止”五个阶段，速度特性通常为梯形，如果移动的距离很短则为三角形速度特性，如图1所示。

图15 步进电机的速度曲线

步进电机控制系统结构

单片机机在适当的时刻通过对计数器0赋初值，设置好加减速过程的频率变化(即速度、加速度变化)，以防止失步。例如，在点位控制中设置好速度曲线图，在起动和升速时，使步进电机产生足够的转矩驱动负载，跟上规定的速度和加速度;在减速时，下降特性使负载不产生过冲，停止在规定的位置。启动细分驱动电路中的固化程序以产生一定频率的脉冲，经功率放大后驱动步进电机运动。步进电机运动方向的改变及启动和停止均由计算机控制硬件控制电路实现。

图16 步进电机控制系统

步进电机升降速数学模型

为使步进电机在运行中不出现失步现象，一般要求其最高运行频率应小于(或等于)步进响应频率fs。在该频率下，步进电机可以任意启动、停止或反转而不发生失步现象。 步进电机升降速有两种驱动方式，即三角形与梯形驱动方式(见图15)，而三角形驱动方式是梯形驱动的特例，因而我们只要研究梯形方式。电机的加速和减速是通过计算机不断地修改定时器初值来实现的。在电机加速阶段，从启动瞬时开始，每产生一个脉冲，定时器初值减小某一定值，则相应的脉冲周期减小，即脉冲频率增加;在减速阶段，定时器初值不断增加，则相应的脉冲周期增大，脉冲频率减小，对应梯形脉冲频率特性的减速阶段。该设计的关键是确定脉冲定时tn，脉冲时间间隔即脉冲周期Tn和脉冲频率fn。假设从启动瞬时开始计算脉冲数，加速阶段的脉冲数为n，并设启动瞬时为计时起点，定时器初值为D1，定时器初值的减量为△。从加速阶段的物理过程

可知，第一个脉冲周期，即启动时的脉冲周期T1=D1/f0，t1=0。由于定时器初值的修改，第2个脉冲周期T2=(D1-△)/f0=T1-△/f0，脉冲定时t2=T1，则第n个脉冲的周期为： Tn=T1-(n-1)△/f0 (1) 脉冲定时为：

(2)

脉冲频率为：

1/fn=Tn=T1-(n-1)△/f0 (3)

上式分别显示了脉冲数n与脉冲频率fn和时间tn的关系。令△/f0=δ，即加速阶段相邻两脉冲周期的减量，则上述公式简化为：

tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)δ/2 (4) 1/fn=T1-(n-1)δ (5) 联立(4)、(5)，并简化fn与tn的关系，得出加速阶段的数学模型为：

(6)

其中，是常数，其值与定时器初值及定时器变化量有关，A=-δ, B=(2T1+δ)2,C=8δ。 加速阶段脉冲频率的变化为：

(7)

从(6)、(7)式可以看出，在加速阶段，脉冲频率不断升高，且加速度以二次函数增加。这种加速方法对步进电机运行十分有利，因为启动时，加速度平缓，一旦步进电机具有一定的速度，加速度增加很快。这样一方面使加速度平稳过渡，有利于提高机器的定位精度，另一方面可以缩短加速过程，提高快速性能。 对于减速阶段，按照与上述类似的分析方法，可以得出脉冲频率特性的表达方式为：

(8)

(9)

其中，A=-δ, B=(2T1-δ)2,C=8δ，T1为减速开始时脉冲周期，δ为减速阶段相邻两个脉冲周期的增量。由于T1>>δ，则B=4T12，由(8)、(9)式可以看出，脉冲频率在减速阶段不断下降，且加速度为负，绝对值以二次函数减小。这种减速性能对步进电机同样有利，它使步进电机在减速时能够平稳地停止而没有冲击，提高了机器的定

位精度。

综上所述，可以得出本设计的脉冲频率特性(见图17)。

图17脉冲频率特性

参考资料：

1. 史敬灼 步进电动机伺服控制技术 出版科学出版社2006-07-1

2. 周宏甫 机电传动控制 化学工业出版社 2006-8-1

3. 刘宝廷 等 步进电动机及其驱动控制系统 哈尔滨工业大学出版社

4. 何立民编著.《单片机应用系统设计》.北京航空航天大学出版社

5.李立华编.《MCS-51系列单片机实用接口技术》.北京航空航天大学出版社

6.周航慈著.《单片机应用程序设计技术》.北京航空航天大学出版社

10