基于单片机的步进电机毕业设计

前言 (1)

第1章步进电机工作原理 (2)

1.1 步进电机的分类 (2)

1.2 步进电机的各项参数指标 (3)

1.3 步进电机控制系统组成 (5)

1.4 步进电机工作原理 (6)

第2章步进电机硬件设计 (8)

2.1 控制方案的确定 (8)

2.2 所用芯片的选择 (8)

2.2.1 CPU选择 (8)

2.2.2 地址锁存器 (10)

2.2.3 I/O扩展 (10)

2.2.4 显示接口 (12)

2.2.5 数据存储器扩展 (12)

2.2.6 程序存储器扩展 (13)

2.3 单片机控制步进电机硬件原理图 (14)

第3章软件设计 (15)

3.1 主程序流程 (15)

3.2 升降频子程序流程 (16)

3.3 走一步子程序流程 (17)

3.4 系统运行程序及分析 (18)

结论 (28)

谢辞 (29)

参考文献 (30)

附录 (31)

外文资料翻译 (32)

前言

步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中都有自己的特点，应用最为广泛的一类便是步进电动机。

步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。

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。

本文第一章系统介绍了步进电机的分类，结构，以及它的工作原理。第二章着重介绍了本系统的硬件控制方案，对用到的外围芯片做了简单的介绍。第三章给出了整个系统的运行流程，以及重要子系统的流程，最终编写了完整的运行程序。

第1章步进电机工作原理

步进电机是一种完成数字/模拟转换的执行元件。步进电机区别于其他控制用途电动机的最大特点是：步进电机接收数字控制信号（电脉冲信号），并将这些脉冲信号转换成与之相对应的角位移或直线位移。

步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中，执行元件是步进电机。它受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制。但它的结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。

从步进电机的矩-频特性可知,启动频率越高,启动转矩越小,带动负载的能力越差。当启动频率较高时,启动时会造成失步,而停止时由于惯性作用又会发生过冲,所以在步进电机控制中必须要采取升降速控制措施。本文根据步进电机的动力学方程和矩-频特性曲线建立系统的数学模型,采用指数规律的升降速算法,对升降速的过程进行离散处理,用定时器控制发出脉冲的时间间隔,采用查表和计算相结合的方法实现了步进电机的升降速过程的控制。本系统采用单片机为核心对步进电机进行控制。

1.1 步进电机的分类

步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，如表1-1所示。

表1-1 步进电机的分类

1.2步进电机的各项参数指标

1.2.1动态指标

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。如图1-1 所示，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。

5、电机正反转控制：当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA为正转，通电时序为DA-CD-BC-AB时为反转。

图1-1 电流（或电压）对动力矩的影响

1.2.2 静态指标

相数：产生不同对磁极N、S磁场的励磁线圈对数。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，以三相电机为例，有三相三拍运行方式即AB-BC-CA-AB，三相六拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CA-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）。

1.3步进电机控制系统组成原理

典型的步进电机控制系统，如图1-2所示。

图1-2 步进电机控制系统的组成

步进电机控制系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。步进电机控制是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正反转控制门组成的。它的作用就是能把输入的脉冲转换成环形脉冲，以便控制步进电机，并能进行正反向控制。功率放大器的作用就是把控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。在这种控制方式中，由于步进控制器线路复杂，成本高，因而限制了它的应用。但是，采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器，问题将大大简化，不仅简化了线路，降低了成本，而且可靠性也大大提高。特别是采用微型计算机控制，更可以根据系统的需要，灵活改变步进电机的控制方案。典型的单片机控制步进电机系统原理图，如图1-3所示。

图1-3 用单片机控制步进电机原理图

图1-3与图1-2相比，主要区别在于用单片机代替了步进控制器。因此，单片机的主要作用就是把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲，它便沿着方向控制线信号所确定的方向走一步。只要负载在步进电机允许的围，那么，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。根据歨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。