步进电机

北京 北京科技大学8706#信箱 100083
李颖宏 郭栋

摘要： 本文主要介绍了基于MSP430F149单片机实现的步进电机通用控制器。该控制器可同时控制多台步进电机按曲线方式运行，包括加减速、定位及换向功能等。文中重点探讨了步进电机升降速曲线的设计方案及其实现方法。

关键词：MSP430F149，单片机，步进电机，通用控制器

Abstract:The paper introduce the design of step-motor controller based on the MSP430F149 . The controller can control many step-motor systems in the meantime, and made motor run in multi-curve including speed-up, speed-down, orientation and direction's change.shoujiyouqi.zj.com. It mainly discussed the method how to design and fulfill the curve of the speed control .

Keywords:MSP430F149, single chip, step-motor, general controller

1.前言
基于步进电机的控制系统，除了步进电机一般还需要专门的驱动电源，驱动电源仅仅完成功率驱动部分，用户并不能使整个控制系统按预定的、期望的工作状态运行，必须对它的驱动电源予以控制，用户需要再次开发。

鉴于此，设计了基于MSP430F149单片机实现的步进电机通用控制器，可以满足大多数控制场合下的要求。控制器的主要功能为：

① 可控制多套步进电机驱动系统；目前可同时控制3套系统。

② 工作方式灵活，可按设定的曲线运行，曲线最多达8段；可按外部检测到的控制信号运行；可按模拟调节测试功能运行；

2．系统的设计

2.1系统的结构
本控制器主要实现了多台步进电机在多段曲线上的运行控制。系统结构如图1所示。

2．2微处理器的选择
本设计选用了TI公司所生产的MSP系列单片机MSP430F149。目的是应用其丰富的接口资源和强大的定时器功能，MSP430F149的性能特点如下：

①6个八位并行接口；完全可以实现该系统所有信号的输入、输出，无须硬件扩展，其中P1、P2八位并行端口的每根口线都具有中断功能，使键盘的软、硬件设计变的非常简单。

②12位A/D转换器ADC；完成模拟设定功能。

③强大的定时器功能；TIMER-A3、TIMER-B7分别为带有3个和7个捕捉/比较寄存器的16位定时器，可以满足系统速度的设定及曲线定时的要求。

④液晶驱动模块；

⑤内置2KB RAM、60KB的FLASH；

MSP430F149所提供的丰富资源，外围硬件扩展只需做很少的工作，不仅设计变得非常简单，而且该控制器体积小、可靠性高。

2．3步进电机起动及加/减速控制方案
步进电动机的最高起动频率（突跳频率）一般为0.1KHz到3-4KHz，而最高运行频率则可以达到N*10² KHz。以超过最高起动频率的频率直接起动，将出现"失步"现象，甚至无法起动。较为理想的起动曲线，应是按指数规律起动。但实际应用对起动段的处理可采用按直线拟合的方法，即"阶梯升速法"。可按两种情况处理，①已知突跳频率则按突跳频率分段起动，分段数n=f/fq。②未知突跳频率，则按段拟合至给定的起动频率，每段频率的递增量（后称阶梯频率）△f=f/8,即采用8段拟合。在运行控制过程中，将起始的速度（频率）分为n分作为阶梯频率，采用"阶梯升速法"将速度连续升到所需要的速度，然后锁定，按预置的曲线运行。如图2所示。

用单片机实现步进电机的加/减速控制，实际上就是控制发脉冲的频率，升速时，使脉冲频率增高，减速时相反。如果使用定时中断来控制电机的速度，加减速控制就是不断改变定时器的初值。速度从V1→V2如果是线性增加，则按给定的斜率升/降速；如果是突变，则按"阶梯升速法"处理。在此过程中要处理好两个问题：

①速度转换时间应尽量短；为了缩短速度转换的时间，可以采用建立数据表的方法。，结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率便可以建立一个连续的数据表，并通过转换程序将其转换为定时初值表。通过在不同的阶段调用相应的定时初值，控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的，并不占用中断时间，保证电机的高速运行。

②保证控制速度的精确性；要从一个速度准确达到另外一个速度，就要建立一个校验机制，以防超过或未达到所需速度。

2．4步进电机的换向问题
步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出。如图3所示。对于CP脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度（一般不小于5μs）、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。

在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速→换向→升速三个过程。

2．5速度与定时器初值的转换
本系统的速度控制是依靠定时产生CP脉冲来完成的，设定的速度与产生CP脉冲的定时器初值间存在一定关系。MSP430F149定时器的工作方式有多种，本设计定时器工作在连续方式下。在连续模式，定时器从它的当前值开始计数，当计到0FFFFH后又从"0"开始重新计数。在该方式下，将定时器的当前值和比较寄存器CCRX相比较，如相等则产生中断，并在该中断服务程序中可以将下一个事件发生的时间加到比较寄存器CCRX上，如图4，如此这样便会得到连续的定时时间间隔，并在每一个定时间隔到来产生中断请求。

定时初值=所需定时值/计数周期；对于步进电机其速度值常以频率形式给定，诸如运行在20KHZ下，因此上式可转换为：定时初值=计数频率/速度值。（其中计数频率为系统时钟频率）

3．结束语
该控制器可以实现步进电机在多段设定曲线下的运行控制，具有硬件简单、体积小、可靠性高的特点，已将其用于电线生产线上的排线控制部分,取得了令人满意的效果。该课题为北方工业大学校科研基金资助项目。

参考文献
1. 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机. 北京航空航天大学出版社，2001.
2. 李仁定. 电机的微机控制. 机械工业出版社，1999.
3. 陈理璧. 步进电动机及其应用. 上海科学技术出版社，1985.
4. MSP430 Assembler, Linker, and Librarian Programming Guide，Texas Instruments Corportation

SH全系列步进电机驱动器由美国SHAPHON公司与北京斯达特公司联合推出，内部采用了美国最新推出的全功能步进电机专用控制芯片。美观大方的超小型外观设计使安装更方便，独特的'说明式'面板使您操作使用一目了然，方便直观的电流设定方法（由面板上的拨位开关设定）可使您方便快捷的改变电机的相电流，插拔式接线端子的使用使您安装更换更方便，采用全新的贴片生产工艺在中国大规模生产。产品每年不断升级，我们一直努力使我们的产品更好
MS系列步进电机驱动器

主要功能:16档细分数设定、16档输出电流设定、相位自动记忆（无时间限制）、自动半电流保护、过温保护、过流保护、欠压保护、保护信号输出（仅限MS-3H110M、MS-3H130M两种型号）、输入信号可接受单/双两种脉冲方式
驱动器
型号 机身尺寸mm
重量 Kg  细分数 输出电流 供电电压 报价(元) 配套电机
MS-3H057M 99×68×24
0.2Kg 16档可调，细分后步距角分别为：0.9°、0.72°、0.6°、0.45°、0.36°、0.3°、0.225°、0.18°、0.15°、0.12°、0.09°、0.072°、0.06°、0.5625°、0.045°、0.036°
16档可调：(有效值)
范围：0.3A-5.2A

分辨率：0.3A
一组DC
(2440V)
880 57BYG350L、
57BYG350A、57BYG350B
MS-3H090M 132×85×60
0.7Kg 一组AC
(40-60V)
1200 86BYG350A、
86BYG350B、86BYG350C

MS-3H110M 176×104×81
1.2Kg 一组AC
220V
1800 86BYGH350B、86BYGH350C、110BYG350A、110BYG350B、110BYG350C

MS-3H130M 176×104×81
1.2Kg 0.5A--6.8A
16档可调，分辨率0.5A 一组AC
220V
2400 130BYG350A、130BYG350B、130BYG350C

SH系列步进电机驱动器（电机步距角为1.8°/细分数）

SH-2H042Ma 85×60×19
0.15Kg 三档可调：2、4、8 最大1.7A用户不可调，出厂前按要求调好（≤1.7A） 一组DC24V 420 17HS001、17HS101、17HS111、23HS2001
SH-2H042Mb 五档可调：2、5、10、20、40 480
SH-2H057M 112×75×36
0.4Kg 五档可调：2、5、10、20、40 八档可调：0.5A、1.0A、1.3A、1.5A、1.7A、2.0A、2.4A、3.0A 一组DC(24-40V) 880 57BYG096、23HS2003、23HS3002、23HS3002Z
SH-2H090M 132×85×60
0.7Kg 五档可调：2、5、10、20、40 八档可调：1.5A、2.0A、2.5A、3.0A、3.5A、4.0A、4.5A、5.0A 二组 AC17V
AC40VV 1000 86BYG250A、86BYG250B、86BYG250C、34HS300B、34HS300BZ、34HS300C、34HS300CZ、34HS300D、34HS300DZ
SH-2H090MH 二组 AC17V
AC60 1200
SH-2H110M 176×104×103
1.6Kg 五档可调：2、5、10、20、40 八档可调：2.0A、2.5A、3.0A、3.5A、4.0A、5.0A、5.5A、6.0A 二组 AC17V AC(40-110)V 1800 110BYG250A、110BYG250B、110BYG250C
SH-2H130M 八档可调：2.5A、3.0A、4.0A、5.0A、5.5A、6.0A、7.0A、8.0 二组 AC17V AC(40-120)V 2400 130BYG250A、130BYG250B、130BYG250C、130BYG250D

 
　　
说明:  1. 表中〈最大相电流〉一栏中有*号者表示：本型号驱动器的相电流用户无法设定，表中电流值为默认值，如需要其它电流值
（但不能大于表中电流值），订货时须说明。无*号的驱动器用户可以调整电流；

      2.采用二组交流电压供电的驱动器，必须采用变压器的独立绕组,也不能和其它驱动器共用变压器绕组。

11.四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别?

四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。

12.如何确定步进电机驱动器的直流供电电源?

A.电压的确定

混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。

B.电流的确定

供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.5～2.0倍。

13.混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用?

当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。

14.如果用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向?

只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。

步进电机小知识

1.什么是步进电机?

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，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）。您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；同时您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.步进电机分哪几种?

步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，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。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进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。

3.什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）?

保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

4.什么是DETENT TORQUE?

DETENT TORQUE 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没DETENTTORQUE。

5.步进电机精度为多少？是否累积?

一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

6.步进电机的外表温度允许达到多少?

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。

7.为什么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）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

8.为什么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）。

9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声?

步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：

A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；
B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；
C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；
D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；
E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。

10.细分驱动器的细分数是否能代表精度?

步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8°的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。

SH全系列步进电机驱动器由美国SHAPHON公司与北京斯达特公司联合推出，内部采用了美国最新推出的全功能步进电机专用控制芯片。美观大方的超小型外观设计使安装更方便，独特的'说明式'面板使您操作使用一目了然，方便直观的电流设定方法（由面板上的拨位开关设定）可使您方便快捷的改变电机的相电流，插拔式接线端子的使用使您安装更换更方便，采用全新的贴片生产工艺在中国大规模生产。产品每年不断升级，我们一直努力使我们的产品更好 .

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，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更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。

　　步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。

　　现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中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。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。
 
　　步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。

　　步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。

　　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。