基于单片机控制的步进电机控制系统毕业论文
目录
1绪论 (3)
2步进电机原理及硬件软件设计 (4)
步进电机原理及其控制技术 (4)
总体设计方框图 (7)
设计原理分析 (7)
2.3.1元器件介绍 (7)
2.3.2方案论证 (9)
2.3.3硬件设计 (9)
2.3.4 软件设计 (12)
3结论 (15)
参考文献 (16)
附录1电路原理图 (17)
附录2程序清单 (18)
致谢 (21)
基于步进电机控制系统的设计
摘要
步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、Ｉ/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分配器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动。随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来, 步进电机的应用得到大大提高。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪、磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被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，它的需要量与日惧增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强、价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。
关键词：8051单片机,四相步进电机,控制
Realizes based on single chip microcomputer 51 the steping motor the control system
ABSTRACT
Stepper motor is a stepper motor for precise electrical and mechanical actuators, which are widely used in industrial machinery, digital control, for the system reliability, interoperability, maintainability, and cost-optimal, according to the control system functional requirements and Control system through the microcontroller memory, I/O interface, interrupt, keyboard, LED display of the expansion of the annular distributor stepping motor, drive and protection circuit, man-machine interface circuit, interrupt system and reset circuit, a single voltage drive circuit, to achieve a four-phase stepper motor rotating, and emergency stop functions.To achieve the stepping motor system in NC Machine T ools, system design, two external interrupts, in order to achieve within a certain period of time stepper motor repeated Reversible function, ie, the turret CNC automatic feed movement. With the continuous development of single chip microcomputer, microcontroller in household electronic products widely applied, since the since the early sixties, the stepper motor applications are greatly enhanced.People use it to drive the clock and other instruments with pointers, printers, plotters, disk CD-ROM drive, a variety of automatic control valves, various tools, as well as robots and other mechanical devices.In addition,as the acIn addition, as the actuator, stepper motor is one of mechanical and electrical integration of the key products are widely used in a variety of automatic control systems, microelectronics and computer technology with the development of its requirements with the Japanese fear of growing in all the field of application of the national economy has. Stepper motor digital control system of electromechanical actuators commonly used, due to its high precision,
small size, flexible to control, so the smart meter and position control has been widely used in large-scale integrated circuits technology development, and SCM The increasing popularity of design features, the lowest price of the stepper motor control driver provides advanced technology and adequate resources.
Keywords: single chip microcomputer 8051, four-phase step motor, control
1.绪论
早在十九世纪三十年代就出现了步进电机，那时候的步进电机实际上是一种可以自由回转的电磁铁，工作原理同今天的反应式步进电机没有什么区别。我国对步进电机的研制及应用起步不算太晚，早在1958年，我国的一些科研院所就研制成功了反应式步进电机，并开始应用于数控机床中，进入上世纪六十年代中期，结构新颖的步进电机相继问世，为了降低电动机功耗以及提高效率，人们发明了永磁式和混合式步进电动机。到上世纪七十年代，步进电机的生产进入了全盛时期，其产量每年都以11%的指数递增。到目前为止，步进电机已被广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外围设备、绘图仪、电子手表等多方面，所以对步进电机的研究越来越重要。
国外方面，1952年，美国麻省工学院首先研制成三坐标数控铣床。数控机床的出现提高了生产效率，推动了机械制造业的发展，对于采用哪种类型的电机作为进给机构的驱动元件一直是争论的焦点，经过理论分析和现场试验，发现使用步进电机作为进给机构的驱动元件是理想的选择，这一应用使得步进电机的使用范围更加广泛。
步进电动机已成为初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。为了适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应有十分广泛的一类便是步进电动机。
步进电机的发展与计算机工业密切相关，自从步进电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机推广应用于其它领域，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。
任何一种产品的成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式、和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电机，由于混合式步进电机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。
由于步进电机的转速随着输入脉冲频率变化而变化，调速范围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用机床上，提高进给机构的自动机水平。
步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。它有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征。它将电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。
单片机在一个集成芯片中，集成有微处理器(CPU)、存储器（RAM和ROM）、基本的Ｉ/O接口以及定时/计数部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。
步进电机的控制部分以单片机为主的微处理器控制，其特点如下：1.灵活性和适应性。微处理器的控制方式是由软件完成时，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只需修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。2.可以实现较复杂的控制，控制精度高。微处理器有更强的逻辑功能、运算速度快、精度高、有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。并且不论控制量的大或小，都可以保证足够的控制精度。3.可提供人机界面。在电机的控制中，要用到键盘和显示器作为人机界面，实现步进电机的控制。由于单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，指令功能强，运行速度快，可靠性高及灵活性好，开发也较为容易，所以国内近些年来已将其广泛应用于工业测控、机电设备、仪器仪表、军事设置、家用电器等方面的自动化、智能化。
2. 步进电机原理及硬件软件设计
步进电机原理及其控制技术
由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专用设备-步进电机控制驱动器,控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端，以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计
的方法实现环分器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大.以达到驱动步进电机目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制2 个方面。从结构上看,步进电机分为三相、四相、五相等类型,常用的则以三相为主。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3 种, 其基本原理如下：
(1) 换相顺序的控制
通电换相这一过程称为脉冲分配。例如,三相步进电机在单三拍的工作方式下,其各相通电顺序为A →B →C →A ,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C 相的通断。三相双三拍的通电顺序为AB →BC →CA →AB ,三相六拍的通电顺序为A →AB →B →BC →C →CA →A。
(2) 步进电机的转向控制
如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍,即A →AB→B →BC →C →CA →A。如果按反序通电换相,即A→AC →C →CB →B →BA →A ,则电机就反转。其他方式情况类似。
(3) 步进电机的速度控制
如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。
2 个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。
(4) 步进电机的起停控制
步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感,即振动感。为了使电机转动平滑,减小振动,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机转轴不能自由转动。
(5) 步进电机的加减速控制
在步进电机控制系统中,通过实验发现,如果信号变化太快,步进电机由于惯性跟不上电信号的变化,这时就会产生堵转和丢步现象。所以步进电机在启动时,必须有加速过程,在停止时必须有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线,步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律,能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性好,缩短了升降速的时间,并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中,要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”,与此类似“, 停止频率”是指系统控制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和
输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些数据,才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程由突跳频率加加速曲线组成(减速过程反之) 。突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率f 0 。步进电机的最高起动频率(突跳频率) 一般为0. 1 kHz 到3～4 kHz ,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,会产生堵转和丢步的现象。较为理想的起动曲线应是按指数规律起动。但实际应用时对起动段的处理可采用按直线拟合的方法,即阶梯加速法。一般可按2 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 = fP、f 0 ;
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)Δf = fP8 ,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,采用阶梯加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1 所示。
在一般的应用中,经过大量实践和反复验证,频率如按直线上升或下降,控制效果就可以满足常规的应用要求。用PLC 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。加速时,使脉冲频率增高,减速时则相反。如果使用定时器来控制电机的速度,加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。速度从v1～v2 变化,如果是线性增加,则按给定的斜率加P减速;如果是突变,则按阶梯加速法处理。在此过程中要处理好2 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,就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,就可控制电机的运行。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。
(6) 步进电机的换向控制
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脉冲结束后以及下一个方向的第1 个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、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→加速3 个过程。
步进电机有如下特点：
①步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。
②由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，有非常可靠。同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
③步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。
④速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。
⑤步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电源。
⑥步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强。
总体设计方框图
总体设计方框图如图2所示。
图2总体设计方框图
设计原理分析
2.3.1元器件介绍
(1)步进电机
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。
步进电机分三种：永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）。步进电动机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动、反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于在开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度（步距角）或前进/倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电动机为数字/角度转换器。
①四相步进电机的工作原理
该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。
②步进电机的静态指标及术语
相数：产生不同对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（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角为50齿电机为例。四相运行时步距角为θ=360度/(50＊4)=度，八拍运行时步距角为θ=360度/（50＊8）=度。
定位转矩：电机在不通电的状态下，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：电机在额定静态作用下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子与转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。
③四相步进电机的脉冲分配规律
目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件
环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍，和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图3 a、b、c所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律表1、2所示。在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定的程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉频率一定要控制在步进电机允许的范围内。
图3步进电机工作时序波形图
表1四相单四拍脉冲分配表表2 四相双四拍脉冲分配表
(2)89C51单片机
Atmel公司的生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，它采用CMOS 和高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。
(3)ULN2003芯片功能
ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电
流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。ULN 是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下: ULN2003的每一对达林顿都串联一个的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。
ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。其方框图如图4所示
图4 ULN2003方框图
2.3.2方案论证
从该系统的设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向指示，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要2根口线，再加上一根方向线和一根启动信号线共需要4根输入线。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。这里选用的是国产20BY-0型步进电机，它使用+5V直流电源，步距角为18度的四相步进电机，该电机共有4相绕组，工作电压为＋5伏，可以和单片机共用一个电源。步进电机的4相绕组用P1口的控制，由于P1口驱动能力不够，因而用一片2003增加驱动能力。用串口输出方式显示，外接串并转换芯片74LS164可以实现静态显示，减少了软件开销，同时只占两根口线，串口、外扩两片74LS164串并转换芯片即可满足显示要求，选用共阳接法的数码管。
2.3.3硬件设计
本设计的硬件电路主要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大
部分组成。控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需求进行操作；最小系统主要是为了使单片机正常工作；驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电路转动；显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。 (1)控制电路
根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制、换向控制、加速控制和减速控制按钮，分别是K1、K2、S2、S3，控制电路如图5所示。通过K1、K2状态变化来实现电机的启动和换向功能。当K1、K2的状态变化时，内部程序检测和的状态来调用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。
根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过S2、S3控制外部中断0，外部中断1，实现加速和减速的控制。通过S2、S3的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。
图5 控制电路原理图
(2) 最小系统
单片机最小系统或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。
复位电路：使用了独立式键盘，单片机的P1口键盘的接口。该设计要求中只需要4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用
VCC
了6路独立示键盘。复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路有两30PF的电容和一12M晶体震荡器组成为正个电路提供时钟频率。电路如图6所示。
晶振电路：8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图5所示。其电容值一般在5-30pf,晶振频率的典型值为
12MHZ，采用6MHZ的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。
VCC
图6 复位及时钟振荡电路
(3) 驱动电路
通过ULN2803构成步进电机的驱动电路,电路图如图2所示。通过单片机TA89S5的—口经7407缓冲器和光电偶合后对ULN2803的IB1～IB4口发送方波脉冲信号，起时序图如图7示。
图7步进电机驱动电路
(4) 显示电路
在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。在显示电路中，主要是利用了单片机的串行口，单片机89C51的串行口是一个全双工的串行通信口，可作为同步移位寄存器使用，其数据由RXD （）端串行输出和输入；而同步移位时钟由TXD （）端串行输出，在同步时钟作用下，可实现由串行到并行的数据通信。该电路中，主要是利用串行口加外围芯片74HC164构成的电机状态及转速等级显示电路，第一个数码管显示电机状态，正转时显示“0”，反转时显示“－”。第二个数码管显示电机的转速级别，共7级，显示数字从1~7，“0”为停止。电路如图8所示，使用了共阳数码管。
EA/VP 31X119X2
18RESET 9
INT012INT113T014T115P101
P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P27
28
RXD 10U189C51
A 1B
2
QA 3QB 4QC 5QD 6CLK 8CLR 9QE 10QF 11QG 12QH
13
U274LS164QA 3QB 4QC 5CLK 8CLR 9U3
a b f DP Y 761a b c 3
DS2
a b f c g d
e
DP Y 76124910a b c d e f g 5
dp
dp
3
8
DS1
VCC
D3
D2
D1
图8 电机运行状态及转速显示电路
(5) +5V稳压电源
电路中用到的模块电源大多是+5V的直流电源，本设计同时设计一个+5V 的稳压电源。
电路为输出电压+5V，输出电流稳压电源。它的电压变压器B，桥式整流电路D1~D4，滤波电容C1、C3，防止自激电路C2、C3和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便的搭成。
200V交流电通过电源变压器变换成交流低压，在经过桥式整流电路D1~D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生精度高、稳定性好的直流输出电压。稳压电源电路如图9所示。
图9 5V稳压电源
2.3.4 软件设计
通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、减速信号和方向信号，因而用中断方式效率最高，这样总共要完成4个部分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断0
及外部中断1中断部分，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测，若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率，它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。
(1) 主程序设计
主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对P1口送初值以决定脉冲分配方式、速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度、对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。若初始化P1=11H、速度和方向初始值均设为0，这意味着步进电机按四相单四拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“8”，速度值显示0，主程序流程如图10所示：
图10 主程序流程图
(2) 定时中断设计
步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，步进电机的速度就越高。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数。因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。程序流程图如图11所示。
(3) 外部中断设计
外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。速度增加按钮S2为INT0中断，其程序流程为读原数据，当值＝7时，不改变原数值返回，值＜7，数据＋1返回；速度减少按钮S3，当原数据不为0，减1保存数据，原数据为0则保持不变。程序流程图如图12所示。
图11 定时中断程序流程图
图12 外部中断程序流程图
3.结论
本设计通过分析步进电机结构、工作原理，查阅步进电机控制系统的相关科技文献，遵循实用、简单、可靠和低成本的原则，设计了一种既可用于精度要求不高，但控制需完备的生产场合，又可很有效的用于职业学校的相关实践教学中的步进电机控制系统，达到了预期的目标。对于本次设计，有以下结论：
(1)采用单片机为控制核心，利用其强大的功能，把键盘电路和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便、交互性强的控制系统。而且整个系统所包含的技术几乎包括了现本科学校控制专业所要求的知识，有利于实践教学取得最大效果。
（2）键盘电路和显示电路采用了动态扫描技术，节约了单片机资源。
（3）系统软件采用结构化设计，具有易维护性，根据用户新的要求，对软件系统进行少量的修改，使系统功能得到一定程度的提高。
同时，本人深知自己做的工作还很不够，由于软件和硬件的各方面原因，系统的应用讨论不够，精度还有待于进一步提高。由于时间的原因，设备的原因，试验做的不好不够，相关验证性的数据、信息不够丰富。可以肯定，随着技术的不断发展，步进电机的控制应用前景将越来越宽阔，而其控制系统也将向着智能化和网络化的方向发展。本论文的研究和探讨还远远不够，我们要在现在的基础上，不断吸取新的技术和方法，并将它们应用于本课题的研究上来，进一步深化我们的研究深度，争取有更多的收获。
参考文献
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[11]杨辉媛.杨红海.谭伟杰.基于AT89C51单片机步进电机控制系统的设计［Ｍ］.2002[7]:1-3.
附录1 电路原理图
基于AT89C51单片机的步进电动机控制系统设计
重庆科技大学 本科毕业论文 基于AT89C51单片机的步进电动机控制系统 设计 考生姓名： XXXXX X 准考证号： XXXXXXXXXXXX 专业层次：本科院（系）：XXXXXXXXXXXXXXXXXXX 指导教师： XXXXXX 职称：讲师 重庆科技大学 二O一二年月日
基于AT89C51单片机的步进电动机控制系统 设计 考生姓名： XXXXXX 准考证号： XXXXXXXXXXXX 专业层次：本科 指导教师： XXXXXXX 院（系）：机械与动力工程学院 重庆科技大学 二O一二年九月二十日
摘要 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，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，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等组成。采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。 本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制，通过I/O口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机。 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，键盘控制，LCD液晶显示
步进电动机的工作原理与特点
步进电动机的工作原理及特点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，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 1 步进电机概述 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 2国外的研究概况 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如、、、、都生产，而且都在各行业使用，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。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。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国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，写在控制器部。 总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。 在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形
单片机控制步进电机和数码管显示
一、设计任务书 设计内容：用80C51单片机设计一个步进电机控制器 设计要求： 1.用8015设计一个四相步进电机。 2.可控制步进电机的启动与停止，正转与反转。 3.10档速度调节。 4.点动控制。 5.可显示电机运行参数。 二、设计总体方案 （一）控制方式的选择 控制主要用于电机速度和方向的转换。控制方式有按键控制和开关控制两种。按键较开关而言，操作更加简便，故选按键控制。 方案一：独立按键。独立按键可自由连接，线路简单。 方案二：编码式键盘。编码式键盘的按键接触点接于74LS148芯片。当键盘上没有闭合时，所有按键都断开，当某一键闭合时，该键对应的编码由74LS148输出。 本次设计所需按键不多，不需要采用复杂编码，考虑硬件条件、线路连接和经济性等方面，选择方案一。 （二）电机电路设计方案的选择 由于条件的限制，对于电机的选择只能是实验台上最小步距角18°的电机，其中已包含了驱动电路。 （三）单片机的选择 方案一：AT89C51高性能8位单片机，内部集成CPU、存储器、寄存器、I/O接口，从而构成较为完整的计算机，价格便宜。 方案二：C8051F005单片机，该单片机是完全集成的混合信号系统及芯片，具有8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准8052的数字外设部件，片内还继承了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，执行速度快，但价格较贵。 本次课程设计是在仿真环境下进行，没有太过考虑单片机选择的问题，但就设计本身来讲，从物美价廉的角度考虑，选择方案一较合适。 （四）显示方案的选择 方案一：采用LED数码管。LED数码管是轮流现实的，其利用人烟的视觉暂留特性，使人感觉不到数码管闪动，看到每只数码管都常亮。利用其显示必须不停给数码管数据输入口循环赋值，显示内容较多，编程和接线较为复杂。 方案二：采用LCD1602液晶显示器。LCD1602具有功率小，效果明显，变成容易等优点，且它最多能显示2×16个字符，可以轻松满足设计要求。 由上可知，LCD1602液晶显示器的优点突出，故选择方案二。 （五）软件部分的选择 软件部分的选择主要是指编程语言的选择，编译调试工具根据设计平台选择伟福软件。编程语言主要有以下两种方案。
基于单片机的步进电动机控制器的设计
第一部分培训软件简介 Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。 Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。 第二部分培训项目实例 培训项目一：基于单片机的步进电动机控制器的设计 项目要求： 采用单片机对步进电机进行控制，包括正转、反转、加速、减速和停止，同时采用液晶显示屏显示步进电动机的运行情况。 培训目的： 1.掌握步进电机的工作原理；
步进电机闭环控制系统方案
几种典型的步进电机闭环控制系统 工业大学 【摘要】系统阐述了步进电动机闭环控制系统的优点，给出了几种典型的闭环控制系统，并提出了步进电动机高精度定位系统的设计思想。 【叙词】步进电机闭环系统／高精度定位 l概述 步进电机是机电一体化产品中的关键元件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。它能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移，是一种离散型自动化执行元件。随着计算机控制系统的发展，步进电动机广泛应用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其它自动化系统中，是高科技发展的一个重要环节。 2步进电动机闭环系统与开环系统比较[1- 步进电机的主要优点之一是适于开环控制。在开环控制下，步进电动机受具有予定时间间隔的脉冲序列所控制，控制系统中无需反馈传感器和相应的电子线路。这种线路具有简单、费用低的特点，使步进电动机的开环控制系统得以广泛的应用。 但是，步进电机的开环控制无法避免步进电动机本身所固有的缺点，即共振、振荡、失步和难以实现高速。另一方面，开环控制的步进电动机系统的精度要高于分级是很困难的，其定位精度比较低。因此，在精度和稳定性标准要求比较高的系统中，就必须果用闭环控制系统。 步进电动机的闭环控制是采用位置反馈和（或）速度反馈来确定与转子位置相适应的相位转换，可大大改进步进电动机的性能。 在闭环控制的步进电机系统中，或可在具有给定精确度下跟踪和反馈时，扩大工作速度围，或可在给定速度下提高跟踪和定位精度，或可得到极限速度指标和极限精度指标。步进电动机的闭环控制性能与开环控制性能相比，具有如下优点： a．随着输出转矩的增加，二者的速度均以非线性形式下降，但是，闭环控制提高了矩频特性。 b．闭环控制下，输出功率／转矩曲线得以提高，原因是，闭环下，电机励磁转换是以转子位置信息为基础的，电流值决定于电机负载，因此，即使在低速度围，电流也能够充分转换成转矩。 c．闭环控制下，效率一转矩曲线提高。 d．采用闭环控制，可得到比开环控制更高的运行速度，更稳定、更光滑的转速。 e.利用闭环控制，步进电动机可自动地、有效地被加速和减速。 f．闭环控制相对开环控制在快速性方面提高的定量评价，可借助比较Ⅳ步通过某个路径间隔的时间得出： 式中n-步进电动机转换拍数(N>n) g．应用闭环驱动，效率可增到7.8倍，输出功率可增到3.3倍，速度可增到3.6倍。 闭环驱动的步进电机的性能在所有方面均优于开环驱动的步进电动机。步进电机闭环驱动具有步进电动机开环驱动和直流无刷伺服电机的优点。因此，在可靠性要求很高的位置控
基于51系列单片机控制步进电机调速实验 (自动保存的)
基于51系列单片机控制步进电机调速实验 实验指导书 仇国庆编写 重庆邮电大学自动化学院 自动化专业实验中心 2009年2月
基于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)
基于单片机控制的步进电动机调速系统设计
论文题目：基于单片机控制的步进电动机调速系统设计 摘要 步进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。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。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。在本设计方案中采用AT89C51型单片机内部的定时器改变CP脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行控制，实现电机调速与正反转的功能。 关键词：步进电机，单片机，调速系统
Abstract: Step-by-step electric motor is the ring opening gating element changing electricity pulse signal into angular displacement or line displacement. Under the situation of must overload, the electric motor rotation rate , discontinuous location depend on pulse signal frequency and pulse number only , make free from being loaded with the effect changing ,but be that being added a pulse signal , the electric motor by electric motor is to have rotated a step spur angle. This gleam of the sexual relationships existence, adds step-by-step electric motor characteristics such as only having the cyclicity error but there being no accumulative error.Feasible simplicity controlling a field using step-by-step electric motor to come to control changeable extraordinary in speed , location etc.Step-by-step electric motor speed regulation general be change import step-by-step electric motor pulse frequency come true step-by-step electric motor speed regulation, because of step-by-step electric motor every be given to a pulse right away rotate one fixed angle, such right away not bad pass under the control of step-by-step electric motor a pulse arrive at next pulse period come to change pulse frequency,Come to control the speed regulation , realizing step-by-step electric motor thereby to come to change the electric motor rotation rate step-by-step angle concretely the deferred length. Frequency adopt the internal timer of AT89C51 type monolithic machine to change CP pulse in the design plan in realizes the speed regulation controlling , realizing an electric motor and the function that the positive and negative rotates being in progress to step-by-step electric motor rotation rate thereby. Key words:Step-by-step electric motor , monolithic machine , speed regulation system
文献综述-步进电动机的微机控制
文献综述 电气工程及其自动化 步进电动机的微机控制 前言：进电动机属于DC驱动的同步电动机，它是纯粹的数字控制电动机。它是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展推动了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。 步进电动机系统是由步进电动机及其驱动控制电路构成的。近二十年来,电力电子技术、微电子技术和微处理器技术的飞速发展，极大地推动了步进电动机驱动控制技术的进步，并使之在不断完善中趋于成熟。步进电动机驱动控制技术的发展，在使得步进电动机系统获得更加广泛应用的同时，也使得步进电动机与其驱动电路装置日益成为不可分割的一个整体。步进电动机驱动电路的合理设计与改进，需要对步进电动机运行机理和具体结构设计的透彻了解与深入分析。同时，步进电动机系统的性能和运行品质在很大程度上取决于其驱动电路的结构与性能，同一台电动机配以不同类型的驱动电路，其性能会有较大差异。抛开驱动电路来谈步进电动机的性能是不完全的。 步进电动机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。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表、和磁盘等等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备如打印机、绘图机等中亦有应用。 正文：国内外关于步进电动机的研究主要在它本身的性能提高，应用领域的不断拓广，电动机外形的改变和不同的更先进的控制方式。 1、步进电动机的发展历史与概要。 步进电动机的发展过程 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用、其原始模型起源于1830年至1860年间。1870午前后开始以控制为目的的尝试、应用于氮弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电动机。 此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞
基于单片机的步进电机控制系统
编号： 综合智能电子 实训 (论文)说明书题目： 院（系）：使用科技学院 专业：电子信息工程 学生姓名： 学号： 指导教师： 2010年 1 月 6 日
目录 引言 第1章简介 1.1 步进电机 第2章步进电机原理 2.1 步进电机的工作原理 2.1.1结构及基本原理 2.1.2 电机的步进顺序 第3章系统的硬件设计 3.1 系统设计方案 3.2 主从机硬件部件介绍 3.2.1A T89S51简介 3.2.2 TGI2864E简介 3.2.3MAX485 串行通信 3.2.4TIP122 3.2.5 MOC70T2 3.3 LCD显示电路设计 3.4 电机驱动模块设计 第4章系统的软件实现 4.1 系统软件主流程图 4.2 系统初始化流程图 4.3 部分子程序 第五章总结 致谢 参考文献 摘要：本文使用单片机、步进电机驱动芯片、字符型LCD和键盘阵列，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动。文中讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电机变频调速的方法。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和成本。最后给出了步进电机控制系统的使用实例。
关键词:步进电机控制系统，插补算法，变频调速，软硬件协同仿真 In this paper, microcontroller, stepper motor driver chips, character LCD and keypad array, build a set of stepper motor controller and driver as one of the stepping motor control system. Two-dimensional table as a charged object by stepper motor drive ball screw in X / Y axis linkage. This paper discusses a minimum of parameters to determine the trajectory of a circular interpolation method and the method of frequency control stepper motor. Stepper motor control system has been developed using the software and hardware co-simulation method, can effectively reduce the system development cycle and cost. Finally, the stepper motor control system application examples.
基于单片机的步进电机驱动控制
基于单片机的步进电机驱动控制 一、步进电机概述 1．步进电机的定义 步进电机指的是以数字脉冲信号作为电机线或教位移的控制信号，并以数字脉冲频率对电机的转速进行控制的动力控制系统。 在负载正常范围的情况下，步进电机的运行状态只和数字脉冲发生器提供的信号的频率和脉冲占空比有关，一般情况下，电机的状态不受负载的影响。电机的运行角度只和每次所给予的脉冲信号强度有关，而电机的运行速度也只和脉冲信号的频率有直接关 系。这种采用弱点控制强电的控制方式使得步进电机在速度、位移等控制领域有着普通电机不能比拟的优势。 2.驱动控制系统框图 步进电机控制系统有着精确控制、运行稳定的特性，这一其他电机不能比拟的优势使得步进电机得到了广泛的应用。而一般对步进电机控制系统的驱动必须要包含脉冲信 号发生部分，功放部分和驱动控制部分等几个模块电路，我们根据这些通过的模块电路，可将步进电机控制系统的通用框图绘制如下： 在上图的步进电机驱动控制系统方框图中，控制步进电机运行状态的脉冲信号一 般由集成芯片产生，可以是单片机、等智能芯片，也可以是一般的数字电路集成芯片。信号分配环节则要根据步进电机的型号来选择，如四相步进电机有四相四拍和四相 八拍种信号分配的方式；两相步进电机有两相四拍和八拍等脉冲加载形式。功放部分 在驱动环节上显得尤为重要。动态平均电流是步进电机转矩大小的决定因素，前提条件 是电机的速度。电机力矩与平均电流成正比，驱动系统对电机的反电势消弱越多，则平 均电流就越大。 我们一般可以用恒压和恒压串电阻的方法来驱动，或者在条件允许的情况下我们可以用高低压驱动、恒流和细分数等方法来驱动实际的应用过程种，多采用数字集成驱 动芯片作为步进电机的驱动手段。 二、现阶段国内外步进电机驱动的常用方式 1.变频器控制方式 使用变频器对步进电机进行驱动控制时，可以很好的解决步进电机在启动和停止时 容易失步的问题，提高了系统的控制精度。但是变频器的应用成本较高，结构和操作也 比较复杂，无形中提高步进电机的控制难度。 2.PLC控制方式 使用ABB、西门子、欧姆龙等国际知名生产制造商研发的系列产品可以 实现对步进电机的理想化控制，但是基于核心的步进电机控制系统成本高昂，且 难以实现精确控制，在本系统中不太适合。 3.单片机控制方式 随着嵌入式系统在工业控制领域中的广泛应用，以单片机特别是系列单片机 作为控制核心的步进电机控制电路在生产生活领域得到了普及，单片机有着大规模数字
基于单片机的步进电机控制毕业设计论文
基于单片机的步进电机控制 江宁校区08机电二姓名周峰 指导教师丁红 【摘要】当今社会发展的脚步愈变愈快，科学技术也是日新月异。同时，对于生活工作要求简单化、智能化、系统化。对于各个领域的应用设备要操作简单，功能齐全应用自如等等苛刻的要求。在众多条件的促使下，引入了步进电机，而且使之被系统化操作。现今已有如步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控AT89C51 和脉冲分配器PMM8713 完成步进电机的各种运行控制。 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能设置，操作简单，易于掌握。该系统可应用于步进电机在机电一体多数场合。 更多的实践证明，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
目录 第一章绪论 (3) 1.1 步进电机的发展 (3) 1.2 本文研究内容............. ............. ............. (3)
第二章步进电机的工作原理、分类、特性及指标 (3) 2.1反应式步进电机原理 (4) 2.2感应子式步进电机特点： (4) 2.3分类 (5) 第三章步进电机的驱动............. ............. .. (5) 3.1 脉冲信号的产生 (5) 3.2 信号分配 (5) 3.3 功率放大 (5) 3.4 细分驱动器 (6) 第四章步进电机的单片机控制 (7) 4.1 步进电机控制系统组成 (7) 4.2 步进电机控制系统原理 (7) 4.3 脉冲分配 (7) 4.4 步进电机与微型机的接口电路 (9) 第五章步进电机的运行控制............. ............. (10) 5.1 步进电机的速度控制 (10) 5.2 步进电机的位置控制 (10) 5.3 步进电机的加减速控制 (10) 第六章步进电机的XY工作台............. ............. .. (12) 6.1 设计目标 (12) 6.2 X、Y工作台的传动方式 (12)
完整的单片机控制步进电机程序
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三相步进电机驱动器毕业设计论文
毕业设计（论文） 题目：三相步进电机驱动器设计学院：机电工程学院 专业班级：机械工程及自动化03班指导教师：职称： 学生姓名： 学号：
摘要 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，具有快速起动和停止的特点。其驱动速度和指令脉冲能严格同步,具有较高的重复定位精度, 并能实现正反转和平滑速度调节。它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响, 因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。本文在分析了步进电机的驱动特性、斩波恒流细分驱动原理和混合式步进电机驱动芯片ULN2003AN的性能、结构的基础上，结合AT89C52单片机，设计出了混合式步进电机驱动电路。 关键词：步进电机，AT89C52单片机，ULN2003AN驱动
Abstract Stepping motors is a kind of will convert angular displacement or electrical impulses signal line displacement of precision actuator, have fast start and stop characteristics. The driving speed and instructions pulse can strictly synchronization, which has high repositioning precision, and can realize the positive &negative and smooth adjustable speed. Its operation speed and step distance from supply voltage fluctuation and load effect, which have been widely applied in analog-to-digital conversion, speed control and the position control system. Based on the analysis of the stepper motor driving characteristics, a chopper constant-current subdivided driving principle and hybrid stepping motor drive chip ULN2003AN the performance, structure in the foundation, the union AT89C52 single chip computer, designed a hybrid stepping motor driver circuit. Key words:Stepping motor，AT89C52 single chip computer，ULN2003AN driver
步进电动机控制系统设计
安徽机电职业技术学院 毕业论文 步进电动机控制系统设计 系（部）电气工程系 专业电机与电器 班级电机3091 姓名徐亮 学号1306093050 指导教师陈莉娟 2011～2012学年第1学期
指导教师评语 等级签名日期
安徽机电职业技术学院2012届毕业生 毕业设计（论文）成绩评定单成 姓名专业电机与电器班级电机3091 课题 评分标准分值得分 指导教师评语（40分）设计方案合理、实用、经济、原理分析正确、严密，内容完整。10 计算方法正确，计算结果准确，程序设计正确简洁，工艺合理。5 元器件（材料）选择合理，明细表规范。5 图面清晰完整，布局、线条粗细合理，符合国家标准。 5 文字叙述简明扼要，书写规范。 5 按时独立完成，同学相互关心，遵守制度，认真负责。10 合计得分：指导教师签名：日期：年月日 评阅教师评分（30分）内容充实，有阶段性成果，有应用价值。 10 图纸、论文如实反映设计成果，有理论分析，又有实践过程。10 语句通顺，思路清晰，符合逻辑。 5 图标清晰，文字工整，字符和曲线标准化。5 合计得分：评阅教师签名：日期：年月日 答辩评分（30分）自述条理明确，重点突出。5 基本概念清楚，回答问题正确。 15 专业知识运用灵活，解决问题技术措施合理。10 合计得分：答辩组长签名：日期：年月日 总得分：等级系主任签名：日期：年月日
安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表题目基于过程控制的PID控制器设计 学生姓名学号1305073059指导教师徐林 系部电气系班级过自3071顺序号第1-6次 学生完成毕业论文（设计）内容情况第一周:指导老师布置毕业设计课题，要求学生查阅有关毕业设计的相关资料； 第二周：指导老师带领学生到实验室熟悉实验设备，并要求每个学生都能熟练掌握实验设备的使用方法； 第三周：在指导老师的指导下，完成双容水箱的简单PID控制系统设计； 第四周：在指导老师的带领下，到实验室完成双容水箱的简单PID 控制系统的实验并记录相关实验数据。 第五周:在指导老师的指导下，完成前馈—反馈控制系统的设计； 第六周：在指导老师的带领下，到实验室完成前馈—反馈控制系统的实验并记录相关实验数据，并且和双容水箱的简单PID控制系统的实验数据相比较，得出结论：前馈-反馈控制系统不仅能够改善简单PID控制系统的控制效果，而且具有更大的灵活性、抗干扰性、 适应性和更好的控制精度。 学生签名： 时间：年月日 教师指导 内容记录 教师签名： 时间：年月日
51单片机控制四相步进电机解析
51单片机控制四相步进电机 2009年07月21日星期二 12:44 51单片机控制四相步进电机 2009-03-01 18:53 接触单片机快两年了，不过只是非常业余的兴趣，实践却不多，到现在还算是个初学者吧。这几天给自己的任务就是搞定步进电机的单片机控制。以前曾看过有关步进电机原理和控制的资料，毕竟自己没有做过，对其具体原理还不是很清楚。今天从淘宝网买了一个EPSON的UMX-1型步进电机，此步进电机为双极性四相，接线共有六根，外形如下 图所示： 详细内容： https://www.360docs.net/doc/4e17492050.html,/31907887_d.h tml
拿到步进电机，根据以前看书对四相步进电机的了解，我对它进行了初步的测试，就是将5伏电源的正端接上最边上两根褐色的线，然后用5伏电源的地线分别和另外四根线（红、兰、白、橙）依次接触，发现每接触一下，步进电机便转动一个角度，来回五次，电机刚好转一圈，说明此步进电机的步进角度为360/(4×5)＝18度。地线与四线接触的顺序相反，电机的转向也相反。 如果用单片机来控制此步进电机，则只需分别依次给四线一定时间的脉冲电流，电机便可连续转动起来。通过改变脉冲电流的时间间隔，就可以实现对转速的控制；通过改变给四
线脉冲电流的顺序，则可实现对转向的控制。所以，设计了如下电路图： C51程序代码为： 代码一 #include
步进电机论文初
步进电机论文 前言 何为步进电机 步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。步进电机的最大特点是其“数字性”，对于控制器发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度(简称一步)，如下图所示。如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离。同时可通过控制脉冲频率，直接对电机转速进行控制。由于步进电机工作原理易学易用，成本低(相对于伺服)、电机和驱动器不易损坏，非常适合于微电脑和单片机控制，因此近年来在各行各业的控制设备中获得了越来越广泛的应用。 步进电机的种类和特点 1.1步进电机的分类 步进电机在构造上有三种主要类型：反应式(Variable Reluctance，VR)、永磁式(Permanent Magnet,PM)和混合式(Hybrid Stepping,HS)。 * 反应式 定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。 * 永磁式 永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大(一般为7.5°或15°)。 * 混合式 混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。 2.按输出转矩的大小分类： 2-1快速步进电机 电动机的输出转矩一般为0.07-4nm，可以控制小型机床的工作台，列如线切割机床。
2-2功率步进电机 电动机的输出转矩一般为5-40nm，可直接驱动机床的移动部件。 此外按励磁相数可分为三相，四相、五相、六相等，相数越多，步距角越小，但结构复杂。;按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等；按定子排列方式还可以分为径向单段式和纵向多段式，轴向式的转动惯性小，快速性和稳定性好，功率步进电机多为轴向式。 按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍(0.007°/微步)。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。 步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为执行原件，是电器自动化的最关键的产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。例如，在仪器仪表，机床设备以及计算器的外围设备中（如打印机和绘图仪），凡是需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。随着微电子和计算器技术的发展，步进电机的需求量与日剧增，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试步进电机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪出，由于资本主义列强争夺殖民地，造船业发展很快，同时也使得步进电机的得到长足的发展。到了80年代后，由于廉价的微型计算器一多功能的姿态出现，步进电机控制系统采用分立原件和集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量的元器件，而且一旦定型后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算器则通过软件来控制步进电机，更好的挖掘出电动机的潜力。因此，用计算器控制步进电机已经成为了一中必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。 步进电机和普通电机的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕阻按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕阻在空间中按照一定的顺序规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种越阶变化的旋转磁场，使转子步进式转动，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。步进电机广泛应用在生产的各个领域。他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，能够直接将脉冲信号转化成角位移，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的转矩比较小，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。随着步进电机技术的发展，步进电机已经能够单独在系统上进行使用，比如，步进电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，步进电机可以同时完成两个