步进电机论文
基于单片机控制的步进电机系统
冯朋昌
物理与信息技术学院学号：110542037
指导教师：李天超
摘要：本设计是利用STC12C5A40S2单片机控制步进电机启动、加减速、正反转、单步连续切换等功能，介绍了步进电机的工作原理特点及发展历程，给出了利用STC单片机和LV8731步进电机驱动控制步进电机的设计方案，给出其功能原理图及电路原理图；详细介绍了各个设计单元的工作原理，采用C语言进行编程。此系统采用反射式红外光电管传感器做按键，操作简单、稳定、抗干扰能力强。本系统的设计可有效解决步进电机在工控方面的应用。
关键字：步进电机；STC12C5A40S2 ；LV8731驱动器；反射式红外光电管
1引言
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。它是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。
2方案论证
本设计采用两相双极式步进电机，两相双极式步进电机体积小，价格便宜。使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，LV8731驱动集脉冲分配和功率放大于一身，LV8731是2ch H桥式驱动带负载能力强，操作简单。控制部分用STC12C5A40S2单片机，STC12C5A40S2单片机功能强大，抗干扰能力强，经济可靠。3硬件电路设计
3.1步进电机概述
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。
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。
本次毕业设计采用的是步距角为1.8度的两相双极式步进电机。
3.2步进电机驱动系统简介
步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备——步进电机驱动器.步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。
3.2.1本设计步进电机驱动的选择
本设计采用日本三洋公司2010年最新推出的两相步进电机驱动器芯片，电压8-32v，电流2.5a，用于驱动57及以下的步进电机，细分1-16可调，此芯片为最新工艺，超低的0.45欧导通电阻，体积更小，发热更低，加入了跨时代的短路保护功能，并且芯片本身带有5v电源输出。
3.2.2基本功能说明
3.2.2.1CHIP有效功能
通过设定S T段子，切换I C的待机/工作。待机状态下，I C进入省电模式、所有逻辑reset.待机状态下内部稳压器电路、电荷泵也不工作。如3-1所示。
图3-1 S T功能框图
3.2.2.2驱动模式切换端子
通过设定DM段子，切换IC的驱动模式。STM模式下，能控制CLK-IN输入的1ch步进电机。DCM模式下，能控制2ch DC电机或者并联输入的1ch步进电机。控制并联输入的步进电机是2相或者1-2相全扭矩。如3-2所示。
图3-2 D M功能框图
3.2.2.3STEP段子功能
STEP段子是，LV8731的逻辑输入端子，控制输入脉冲。其工作模式如3-3所示。
图3-3 STE P段子功能框图
3.2.2.4励磁模式设定功能
MD1、DM2段子为LV8731逻辑功能输入端子，控制步进电机的励磁方式。其功能如3-4所示。
图3-4 励磁方式框图
3.2.2.5步进模式下，双相励磁的时序图
LV8731驱动的两相双极式步进电机，两相励磁模式下，是四个脉冲一个齿距角。如3-5所示。
图3-5 系统整图
3.3单片机原理
3.3.1STC12C5A40S2简介
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。
4系统各部分功能分析
4.1系统的控制部分STC12C5A40S2如4-1 所示。
图4-1 系统整图
4.2电源部分
利用L7812ACD2T-TR和L7805ACD2T-TR芯片两次稳压得到+5V的电压，它们的应用要注意以下几点：（1）输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；（2）输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；（3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。外部提供直流电压供步进电机并且要大于12V（3-5）V，5V电压则给单片机供电。在调试程序的时候有P2口提供+5V 电压给单片机，程序调试成功以后将CB1焊接，如图4-2所示。
图4-2 电路部分
4.3按键部分
本次设计选用的是RPR220一体化反射式光电传感器。其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。塑料透镜可以提高灵敏度，内置的可见光过滤器可以减小离散光的影响，体积小。利用单片机引脚P1.2、P1.3（anjiankognzhi1、anjiankongzhi2）来控制发射器通断；利用单片机引脚P3.3、P4.2、P3.2、P4.3（anjian1、anjian2、anjian3、anjian4）输入来检测是否有键操作，当有键操作是anjiankognzhi2和anjian1
是同步的高低电平、anjiankongzhi2和anjian2、anjian3、anjian4同步高低电平如图4-3所示。
图4-3 按键部分电路
4.4驱动部分
此电路是步进电机的驱动部分，我选用的是LV8731芯片来驱动的，LV8731的D M端子控制其两种驱动模式（STM/DC）本设计DM为低电平利用的是STM（步进模式）模式；STE P端子是STEP信号输入端子转速的快慢，加减速的控制端子；DM1、DM2端子控制步进电机的励磁模式，本设计（DM1=0、DM2=0）是用的
是双相励磁模式；F R端子控制步进电机的正反转。单片机和LV8731驱动器之间有光耦隔离。如图4-4。
图4-4 驱动部分电路
4.5状态指示和显示部分
状态指示用发光二极管（DS1、DS2、DS3、DS4）来分别表示电源指示、加速、减速、正反转切换。显示用四位一体共阴极数码管来显示分别用P0控制段码，用（P3.3、P4.2、P3.2、P4.3）来实现位选。如图4-5。
图4-5 状态指示部分电路
5系统主程序
5.1系统分为主程序、键查询部、步进脉冲产生部分（连续和单步）几部分组
成，其主程序框图如图5-1所示。
开始
初始化、喂
狗
Power=0?
开定时器
T1、初始化
bujn=0?
单步显示计
算
连续显示计
算
待机
Yes
no
yes no 主程序主要功能是：初始化，判断是待机还是工作，如果是工作模式是连续还是单步。
图5-1 主程序流程图
5.2按键查询程序
利用定时器T0进行扫描的动态显示，和按键查询；包括复合键的启动、停止、加速、减速、正反转、连续和单步。Anjian1、 anjian2同时按下电机从待机到启动，从工作到待机；anjian1实现加速；anjian2实现减速；anjian3实现正反转切换并且有自锁功能，每次切换之后必须松开按键才能进行第二次切换；anjian4实现连续、单步切换，同样有自锁功能，在单步状态长按anjian4可切换到连续状态。本程序同时考虑了节能功能，在单步状态，等待一段时间不操作就让电机待机。如5-2所示。
开始
初始化、喂狗
Bujn=1?
Jishi12>0?
高位为0时不显示Power=1?
Aj1=anjiankong
zhi ？
Jishi2<1000?
Jishi11>0?
定时器T1动态扫描
显示
Power=0?
Power=1?(Jishu2=0；flag1=0)初始化
jishu2=0；flag1=1
Flag2=1?Power=1（开机） (flag1=flag2=0)初
始化
Power=0(待机)
Aj2=anjiankong
zhi
Jishi3<1200?(Jishu3=0；flag2=0)初始化
jishu3=0和flag2=1
Flag1=1?Power=1（开机） (flag1=flag2=0初始
化)
Power=0(待机)
no
yes
no yes
no
yes no
yes
yes
no
yes
no
no
no
no Jishi11--yes
Jishi12--yes no
关T1；初始化STEP 待机
Speaker=0初始化
no Yes
Jishi2++；jishi2>5时jishi11=100(蜂鸣
响0.1s)
yes
Jishi3++当jishi3>5时jishi11=100蜂鸣
0.1s yes
Yes
no
单步时待机时间设定可节能
在待机时同时按下anjian1、anjian2实现开机
Anjian1 1s 消
斗
置位标志位
Anjian2 1.2s 消
斗置位标志位
Aj1=anjiankong zhi&&bujin=0?
Jishi2 Jishi2=0 Jishi2++Jishi5>50?Jihi5-35yes no yes Jishi2=0;jishi5=500;jishi7=0;flag1=0 no yes no Zhuansu<600? Zhuansu++;led1=0( 加速灯亮) Zhuansu=600yes no Jishi7<1000? Jishi7++Jishi7=0和flag1=1 yes no Flag2=1? Power=1(工作)Power=0(待机)flag1=flag2=0和jishi11=500(蜂鸣 0.5s) no yes Aj2=anjiankong zhi&&bujin=0? Jishi3 Jishi3=0 Jishi3++Jishi6>50?Jihi6-35 yes no yes Jishi3=0;jishi6=500;jishi8=0;flag2=0 no yes no Zhuansu>10? Zhuansu--;led2=0(减速灯亮) Zhuansu=10 yes no Jishi8<1200? Jishi8++ Jishi8=0和flag2=1 yes no Flag1=1?Power=1(工作) Power=0(待机)flag1=flag2=0和jishi11=500(蜂鸣 0.5s) no yes Aj3=anjiankong zhi&&flag4=1 yes yes Power=1 Power=0? no 加速时anjian1 消斗 no no 接上图 power=0?no 下面 接下面power=0?进口 消斗时间减小，加速逐渐 加快 anjian1消斗 工作时anian1、anjian2同时按下制动 接下图 Aj3=aniiankong zhi&&flag4=1? Aj3!=anjiankong zhi? Jishi1<500? Jishi1=0;flag4=0(自锁)；FR=~FR(正反 切换) Jishi1++;jishi11=10 0(蜂鸣0.1s) Jishi1=0;flag4=1yes no yes FR=1?Led3=1;led4=0（反转指示灯亮） Led3=0;led4=1(正传指示灯亮) yes no Aj4=anjiankong zhi? Flag3=1?yes Jishi4<100? Jihi4=0;flag3=0(自 锁) yes no Jishi4++ yes Bujin=0?Bujin=1(连续切换到单步)； bujinshu=0;STEP=0 Bujinshu<9999Bujinshu=0 no Bujinshu++;初始化T1;jishu=8(四个脉冲走一步)；jishi12=80 yes no yes Jishi9<1500 Jishi9++ Jishi9=0 no yes Bujin=1?Bujin=0;ST=0;TR1 =1 yes Jishi4=0;flag3=1;jis hi9=0; no no Power=0?Led1=led2=1(加减 指示灯灭) yes Anjiankongzhi=~anj iankongzhi no 结束 no Anjian3 消斗 anjian3松开后，自锁解除 产生按键控制脉冲 长按anjian4时实现单步到连续切换 图5-2 定时器T 0程序流程图 5.3 定时器T 1中断程序 定时器T 1中断实现连续和但不是STE P 脉冲的产生，脉冲的频率快慢决定速度的快慢。流程图如图4-5所示。 开始 Bujin=0?ST=1?ST=0(工作) STEP=~STEP （送脉冲）；初始化T1 Jishu8>0?STEP=~SPEP;初始化T1;Jishu-- TR1=0(关T1) 结束 yes yes no yes no no 本程序步进电机是双相励磁，单步是四个脉冲走一齿距角 图5-3定时器T1流程图 6系统的调试与检测 6.1程序编译时的错误与解决方法 把编好的程序（包括正反转程序、停止程序、显示程序等）合理安排好结合到一起进行编译。由于编译只能检查是否存在语法错误，所以还要看是否存在逻辑错误。程序修改好以后，当显示编译0错误，0警告的时候，这说明已经没有语法错误了，是否有逻辑错误还要看接上电路板通过仿真以后，步进电机能否正常转动，显示是否正常。 6.2硬件的调试 电路板焊接好之后，不要急于通电测试，要认真检查电路板有无短路、短路、虚焊、漏焊。板子检查完毕可通电测试，烧如程序调试。常见问题如下：6.2.1电源部分：电源部分是整个板子的心脏，通电后检测步进电机供电，和 单片机供电是否正常。 6.2.2按键和显示部分：步进电机能否正常工作按键部分至关重要，按键部分 主要是焊接问题。 6.2.3按键和显示一切正常但步进电机转，主要是步进电机的电源部分和焊接 问题。 6.3软硬件通调 烧如程序板子通电后，结合示波器观察LV8731驱动去输出端OUT1、AOUTB、OUT2A、OUT2B输出波形情况，改变程序参数看波形改变，知道最好的效果。 6.4结论与展望 本次课程设计能够实现步进电机的启停、正反转以及速度的调节和单步连续转换，通过本次毕业设计加强了我对软件编程和硬件设计的掌握，并且熟悉了LV8731、STC12C5A40S2等芯片。步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等，所以说步进电机有着广阔的市场和远大的发展前景。 7参考文献 [2]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,1998. 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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 基于单片机的步进电机控制器毕业设计论文 目录 第1章绪论 (3) 1.1引言 (3) 1.2步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 (5) 1.2.1常见的步进电机控制方案 (5) 1.2.2步进电机驱动技术 (7) 1.3本文研究的内容 (9) 第2章步进电机概述 (10) 2.1步进电机的分类 (10) 2.2步进电机的工作原理 (11) 2.2.1结构及基本原理 (11) 2.2.2两相电机的步进顺序 (11) 2.3 步进电机的工作特点 (14) 2.4本章小结 (16) 第3章系统的硬件设计 (17) 3.1系统设计方案 (17) 3.1.1系统的方案简述与设计要求 (17) 3.1.2系统的组成及其对应功能简述 (17) 3.2单片机最小系统 (19) 1 3.2.1AT89S51简介 (19) 3.2.2单片机最小系统设计 (24) 3.2.3单片机端口分配及功能 (25) 3.3串口通信模块 (25) 3.4数码管显示电路设计 (26) 3.4.1共阳数码管简介 (26) 3.4.2共阳数码管电路图 (27) 3.5电机驱动模块设计 (28) 3.5.1L298简介 (28) 3.5.2电机驱动电路设计 (29) 3.6驱动电流检测模块设计 (31) 3.6.1OP07芯片简介 (31) 3.6.2ADC0804芯片简介 (33) 3.6.3电流检测模块电路图 (36) 3.7独立按键电路设计 (37) 3.8本章小结 (37) 第4章系统的软件实现 (38) 4.1系统软件主流程图 (38) 4.2系统初始化流程图 (39) 4.3按键子程序 (40) 结论 (44) 2 怎么确定步进电机脉冲频率 步进电机驱动及控制技术解答 南京步进电机厂技术部 1.步进电机为什么要配步进电机驱动器才能工作？ 步进电机作为一种控制精密位移及大范围调速专用的电机, 它的旋转是以自身固有的步距角角（转子与定子的机械结构所决定）一步一步运行的, 其特点是每旋转一步，步距角始终不变，能够保持精密准确的位置。所以无论旋转多少次，始终没有积累误差。由于控制方法简单，成本低廉，广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行需要有脉冲分配的功率型电子装置进行驱动, 这就是步进电机驱动器。它接收控制系统发出的脉冲信号，按照步进电机的结构特点，顺序分配脉冲，实现控制角位移、旋转速度、旋转方向、制动加载状态、自由状态。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。 2.什么是驱动器的细分？运行拍数与步距角是什么关系？ “细分”是针对“步距角”而言的。没有细分状态，控制系统每发一个步进脉冲信号，步进电机就按照整步旋转一个特定的角度。步进电机的参数，都会给出一个步距角的值。如110BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这是步进电机固有步距角。通过步进电机驱动器设置的细分状态，步进电机将会按照细分的步距角旋转位移角度，从而实现更为精密的定位。以110BYG25 0A电机为例，列表说明： 电机固有步距角运行拍数细分数电机运行时的真正步距角 0.9°/1.8°8 2细分，即半步状态0.9° 0.9°/1.8°20 5细分状态0.36° 0.9°/1.8°40 10细分状态0.18° 0.9°/1.8°80 20细分状态0.09° 0.9°/1.8°160 40细分状态0.045° 可用看出，细分数就是指电机运行时的真正步距角是固有步距角(整步）的几分指一。例如，驱动器工作 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) 第1章绪论 (2) 1.1引言 (2) 1.2步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 (4) 1.2.1常见的步进电机控制方案 (4) 1.2.2步进电机驱动技术 (6) 1.3本文研究的内容 (8) 第2章步进电机概述 (9) 2.1步进电机的分类 (9) 2.2步进电机的工作原理 (10) 2.2.1结构及基本原理 (10) 2.2.2两相电机的步进顺序 (10) 2.3 步进电机的工作特点 (13) 2.4本章小结 (15) 第3章系统的硬件设计 (16) 3.1系统设计方案 (16) 3.1.1系统的方案简述与设计要求 (16) 3.1.2系统的组成及其对应功能简述 (16) 3.2单片机最小系统 (18) 3.2.1AT89S51简介 (18) 3.2.2单片机最小系统设计 (23) 3.2.3单片机端口分配及功能 (24) 3.3串口通信模块 (24) 3.4数码管显示电路设计 (25) 3.4.1共阳数码管简介 (25) 3.4.2共阳数码管电路图 (26) 3.5电机驱动模块设计 (27) 3.5.1L298简介 (27) 3.5.2电机驱动电路设计 (28) 3.6驱动电流检测模块设计 (30) 3.6.1OP07芯片简介 (30) 3.6.2ADC0804芯片简介 (32) 3.6.3电流检测模块电路图 (35) 3.7独立按键电路设计 (36) 3.8本章小结 (36) 第4章系统的软件实现 (37) 4.1系统软件主流程图 (37) 4.2系统初始化流程图 (38) 4.3按键子程序 (39) 结论 (43) 1 第1章绪论 1.1引言 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范围内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]。 正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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[2]。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了 2 前言 随着社会的进步和人民生活水平的不断提高及全球经济一体化势不可挡的浪潮，我国微特电机工业在最近10年得到了快速的发展。快速发展的显着标志是使用领域不断拓宽，用量大增，特别是在日用消费市场和工业自动化装置及系统的表现最为明显。与此同时，随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术、新材料以及控制理论和电机本体技术的不断发展进步，用户对电机控制的速度、精度和实时性提出了更高的要求，因此作为微特电机重要分枝的控制电机也得到了空前的发展。步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行组件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。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。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。步进电机被广泛应用于数字控制各个领域：机器人方面，机器人的的关节驱动及行进的精确控制，需要步进电机；数控机床方面，如数控电火花切割机床要求刀具精确走步，减小加工件表面的粗糙度的同时提高效率，需要步进电机；办公自动化方面，如电脑磁盘驱动器中的磁盘进行读盘操作的精确位置控制，需要步进电机，在打印机、传真机中也需要步进电机对设备进行位置控制。步进电动机是经济型数控系统经常采用的电机驱动系统。这类电机驱动系统的特点是控制简单，适合计算机系统控制要求。步进电动机的细分驱动系统较以往的电机系统，消除了低频震荡问题，控制分辨率更高，使其应用领域更加广泛。 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 山西机电职工学院 论文题目单片机控制的步进电机驱动技术 姓名** 专业机电一体化 年级2012级 指导老师** 2014 年5 月25日 单片机控制的步进电机驱动技术 摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对步进电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片IR2110作为步进电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对步进电机的控制。另外，本系统中使用了测速发电机对步进电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D 转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对步进电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。 关键词：PWM信号测速发电机PI运算 目录 1.系统硬件电路的设计 (1) 1.1系统总体设计框图及单片机系统的设计 (1) 1.1.1 系统总体设计框图 (1) 1.1.2 8051 单片机简介 (1) 1.1.3 单片机系统中所用其他芯片简介 (3) 1.1.4 8051 单片机扩展电路及分析 (5) 1.2PWM信号发生电路设计 (8) 1.2.1 PWM的基本原理 (8) 1.2.2 PWM信号发生电路设计 (8) 1.2.3 PWM发生电路主要芯片的工作原理……………………………… 10 1.3 功率放大驱动电路设计 (12) 1.3.1 芯片IR2110性能及特点…………………………………………… 12 1.3.2 芯片IR2110引脚图及功能………………………………………… 12 1.4 主电路设计………………………………………………………………… 15 1.4.1 延时保护电路………………………………………………………… 15 1.4.2 主电路 (15) 1.4.3 输出电压波形………………………………………………………… 17 1.5 测速发电机……………………………………………………………… 17 1.6 滤波电路 (17) 1.7 A/D 转换………………………………………………………………… 18 1.7.1 芯片ADC0809介绍 (18) 1.7.2 ADC0809 的引脚及其功能 (18) 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 步进电机控制器 题目名称___步进电机控制器______ 学生学院机电工程学院 专业班级机械设计与自动化专升本1班学号 11013120139 学生姓名魏许照_________ 2012年10 月12 日 一、课程设计的内容 设计一个步进电机控制器。 二、课程设计的要求与数据 1．控制器可控制步进电机进行正转和反转； 2．设置一个开关，使控制器控制电机具有三相六拍、三相三拍两种工作方式； 3．设计步数显示和步数控制电路，能控制步进电机运转到预置的步数时即停止转动； 4. 应有启动、停止和复位功能，利用复位信号使电机恢复到初始通电相位状态。 注：三相步进电动机有三个绕组：A、B、C， 三相六拍工作方式时，正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A→… 反转通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB→A→… 三相三拍工作方式时，正转通电顺序为：AB→BC→CA→AB→… 反转通电顺序为：AB→CA→BC→AB→… 三、课程设计应完成的工作 1. 利用各种电子器件设计步进电机控制器； 2. 利用DE2板对所设计的电路进行验证； 3. 总结电路设计结果，撰写课程设计报告。 查阅的资料及主要参考文献 现代电子技术实践课程指导，谢云等主编. 机械工业出版社 EDA技术与应用，江国强. 电子工业出版社 FPGA与SOPC设计教程: DE2实践，张志刚编著. 西安电子科技大学出版社摘要本设计是用Quartus作为开发环境，以DE2板为硬件平台实现的一个多功能步进电机控制器。设计过程方便。实现了实现了步进电机的正转反转，三相三拍，三相六拍，正转，反转等控制器的基本功能。此外，该设计还实现了步数显示和步数控制，能控制步进电机转动指定拍数后停止转动，还可以控制电机转速，具有很强的可控制性。 用DE2板实现具有电路简洁，开发周期短的优点。充分利用了EDA设计的优点。开发过程用了原理图输入方法来进行描述，从底层设计，充分提高了设计者的数字逻辑设计的概念。 简述步进电机的特性及其 设计选择 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。 关键词：步进电机；脉冲信号；单片机 目录 摘要……………………………………………………….….……..…….I 1绪论 (1) 2 步进电机概述 (2) 2.1步进电机的特点.... .. (2) 2.2步进电机的工作原理 (2) 2.3步进电机的技术参数 (3) 2.3.1数据仓库数据抽取方法 (3) 2.3.2步进电机动态指标及术语 (3) 2.4步进电机的分类 (4) 2.4.1步进电机分为三大类 (5) 2.4.2步进电机的内外结构 (5) 3 控制方式的选择及实现 (6) 3.1驱动方式的确定 (6) 3.2驱动电路的选择 (9) 4 硬件电路的设计 (11) 4.1单片机的选择 (10) 4.2步进电机的选择 (11) 致谢 (16) 参考文献 (17) 1 绪论 步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。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。 步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，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。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。混合式步进电机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 步进电动机高精度细分方法及其控制系统 叶韦韦 华南师范大学电信工程系99级 引言 本论文题目来自对现有椭偏仪进行技术改进工作中的“用步进电机取代传统直流减速电机”的研究课题。椭圆偏振测量技术是一种测量薄膜厚度和研究其表面特性的先进方法，具有灵敏度高、精度高、实时和无损样品的优点。在半导体、光学材料、表面物理、化工、冶金、生物和医学等领域都有重要应用。 传统的椭偏仪由于使用了直流电机，在定位过程中存在自动化水平低、操作复杂、精度难以保证和成本高（因需要配高精度光电旋转编码器）等不足，为提高椭偏仪的定位精度和自动化水平，研制出一种高精度自动定位系统无疑具有十分重要的意义。 本系统采用步进电机代替直流电机，但现有步进电机的最小步距角还未能达到本系统的要求，所以要在步进细分技术上作探讨。利用步进电机的准确动作和步进电机的细分技术，解决椭偏仪的角度与光强必须准确对应关系的问题。其中，当步进电动机的细分角度越小，越有利于提高步进电动机的角位、点位及连续控制方面的定位精度，越有利于与计算机联机，实现全自动化控制。同时，还可以大大提高步进电机的分辨率，大大改善步进电动机在动态运转时的特性。 由于工业技术的不断进步，在自动化控制、精密机械加工、航空航天技术以及所有要求高精度定位、自动记录、自动瞄准等高新技术领域内，对步进电机的细分要求也越来越高。 因此，多年来，国内外的同行都在努力寻求步进电动机细分技术的最佳方案及最高细分精度。本文所介绍的自动定位系统是在原椭偏仪系统的前提下，采用步进电机计算机细分控制技术建立起来的。 一．一．步进电机的基本原理 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基于AT89C51单片机的步进电动机控制系统设计
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