基于单片机步进电机速度控制研究(正式版)

文件编号：TP-AR-L2541

In Terms Of Organization Management, It Is Necessary To Form A Certain Guiding And Planning Executable Plan, So As To Help Decision-Makers To Carry Out Better Production And Management From Multiple Perspectives.

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基于单片机步进电机速

度控制研究(正式版)

基于单片机步进电机速度控制研究

(正式版)

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本文对步进机一个全面的介绍，再基于单片机对

步进电机的控制。本文采用硬件控制系统，通过单片

机MC9S12XS128与光电编码器对步进电机进行速度的

控制。最后对步进电机的速度曲线进行研究。

步进电机又称为脉冲电动机或者阶跃电动

机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，

广泛应用于各种自动化控制系统之中，比如当今电子

钟表、工业机械手、包装机械和汽车制动元件的测试

中等。步进电机在未来应用前景会往更加小型化、从

圆形电动机往方形电动机和四相、五相往三相电动机

发展。而这便需要对步进电机的控制提出了更高的要求。

1.步进电机综合介绍

1.1.步进电机分类

步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。

1.1.1.反应式步进电机

反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。一般为三相，可实现大扭矩的输出，步进角一般为1.5度。它的结构简单，成本低，但噪音大。

1.1.

2.永磁式步进电机

永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大，步进角一般为7.5度或15度。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小，但启动运行频率较低，还需正负脉冲供电。

1.1.3.混合式步进电机

混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。它分为两相和五相，两相的步进角一般为1.8度，而五相的步进角为0.72度。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。

目前使用最为广泛的为反应式和混合式步

进电机。

1.2.步进电机的工作原理

步进电机是将电脉冲信号转化为角位移增量，也即是说，当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，便驱动电机按照设定的方向转动一定的角位移量。我们可以通过控制脉冲的个数来控制步进电机的角位移量，通过控制脉冲的频率来控制速度与加速度。

定子齿有三个励磁绕组，其几何轴线分别于转子的轴线错开。当A相通电时，由于定齿的A齿与转子的1齿对齐，没有切向力，转子静止，接着B 相通电，转子齿偏移定子一个角度，由于励磁磁通力图沿着磁阻最小的路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转过转动，当转子转到定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而无切向力的作用，故转矩

为零，转子被锁定在该位置上。综上可得出，错齿是促使步进机旋转的根本原因。

在非超载的情况下，电机转速、停止的位置只取决于脉冲信号的脉冲数和脉冲频率，而不受负荷变化的影响。本文是基于这个条件下进行步进电机速度控制研究。

2.步进电机控制系统的研究

2.1.脉冲控制的方法

实现脉冲的分配的方法有两种：软件法和硬件法。软件法在电机运行的过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了CPU大量的时间，可能会使单片机无法进行其它工作，所以现在大部分都是采用硬件法。

2.2.控制系统硬件设计的研究

良好的驱动系统方案能强有力的支撑步进

电机升降速曲线的设计。控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就能够驱动步进电机旋转一个步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。角位移量与脉冲个数相关。步进电机停止旋转时，能够产生两种状态：制动加载能够产生最大或部分保持转矩（通常称为刹车保持，无需电磁制动或机械制动）及转子处于自由状态（能够被外部推力带动轻松旋转）。步进电机驱动器，必须与步进电机的型号相匹配。否则，将会损坏步进电机及驱动器。电机驱动系统的性能直接影响和制约加减速曲线的效果。

其硬件方面，基于MC9S12XS128 16位MCU以及光电编码器、步进电机驱动电路、单片机最小系统板电路支撑软件平台。

MC9S12XS128是飞思卡尔公司为成本敏感型汽车车身电子应用而设计的16位微控制器，其相

关特性足以满足此控制系统的设计要求。

MC9S12XS128 MCU主要特性：

(1)S12X CPU，最高总线速度40MHz；

(2)2.128KB闪存，带有错误校正功能（ECC）；(3)带有ECC 的、4KB 至8KB DataFlash，用于实现数据或程序存储；

(4)可配置8 、10 或12 位模数转换器（ADC），转换时间3μs；

(5)支持控制区域网（CAN）、本地互联网（LIN）和串行外设接口（SPI）协议模块；

(6)带有16-位计数器的、8-通道定时器；

(7)出色的EMC，及运行和停止省电模式。

电机驱动电路的设计采用ULN2003芯片，