蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书（毕业论文）
题目：基于AT89C51单片机的步进
电机控制系统
学生姓名：
学号：
专业：自动化
班级：自动化06-3班
指导教师：
基于AT89C51单片机的步进电机控制系统
摘要
步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，它能按照控制脉冲的要求，迅速起动，制动，正反转和调速。具有步距角精度高，停止时能自锁等特点，因此步进电机在自动控制系统中，特别是在开环的控制系统中得到了日益广泛的应用。
本文以单片机和环形脉冲分配器为核心设计的步进电机控制系统，通过软硬件的设计调试，实现步进电机能根据设定的参数进行自动加减速控制，使控制系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象；同时它能准确地控制步进电机的正反转，启动和停止。硬件是以AT89C51单片机为核心的控制电路，主要包括：环形脉冲分配器、键盘显示电路、步进电机的驱动电路等。软件部分采用C语言编程，主要包括键盘显示程序、步进电机的调速程序、停止判断程序等。
关键词：步进电机控制系统；调速；单片机
目录
摘要............................................................................................................................................. I 第一章引言 (1)
1.1 课题提出的背景和研究意义 (1)
1.2 课题的主要研究内容 (2)
1.3 本章小结 (2)
第二章步进电机控制系统设计 (3)
2.1 步进电机的原理 (3)
2.1.1 三相单三拍通电方式 (3)
2.1.2 三相双三拍通电方式 (5)
2.1.3 三相六拍通电方式 (6)
2.2 环形脉冲分配器 (8)
2.3 续流电路 (12)
2.3.1 二极管续流 (13)
2.3.2 二极管—电阻续流 (14)
2.4 步进电机驱动电路 (15)
2.5 步进电机的变速控制 (17)
2.5.1 变速控制的方法 (19)
2.6 步进电机在自动生产线中的应用 (20)
2.7 本章小结 (22)
第三章控制系统硬件设计 (23)
3.1 硬件系统设计原则 (23)
3.2 控制系统组成 (23)
3.3 主要元件的选择 (24)
3.3.1 单片机的选择 (24)
3.3.2 EPROM的选择 (25)
3.3.3 可逆计数器的选择 (27)
3.4 控制系统接口电路的设计 (27)
3.4.1 环形脉冲分配器设计 (27)
3.4.2 显示电路设计 (29)
3.4.3 外部复位电路设计 (30)
3.5 控制系统整体电路设计 (31)
3.6 本章小结 (31)
第四章控制系统软件设计 (32)
4.1 软件系统设计原则 (32)
4.2 步进电机控制系统功能设计 (32)
4.3 主程序设计 (33)
4.3.1 主程序工作过程 (33)
4.3.2 主程序工作流程图 (34)
4.3.3 定时器T0中断程序流程图 (34)
4.4 Proteus仿真 (37)
4.5 显示程序设计 (39)
4.6 键盘程序设计 (39)
4.7 调速程序设计 (41)
4.7.1 20BY步进电机参数 (41)
4.7.2 步进电机转速与频率的关系 (41)
4.8 本章小结 (42)
第五章结束语 (43)
参考文献 (44)
附录 (46)
附录A 系统程序（C） (46)
附录B 20BY步进电机转速与定时器定时常数关系表 (59)
附录C 控制系统电路图 (62)
致谢 (63)
第一章引言
1.1 课题提出的背景和研究意义
由于步进电机不需要位置传感器或速度传感器就可以实现定位，即使在开环状态下它的控制效果也是令人非常满意的，这有利于装置或设备的小型化和低成本，因此步进电机在计算机外围设备、数控机床和自动化生产线等领域中都得到了广泛的应用。
对于一个步进电机控制系统而言，总希望它能以最短的时间到达控制终点。因此要求步进电机的速度尽可能地快，但如果速度太快，则可能发生失步。此外，一般步进电机对空载最高启动频率都是有所限制的。当步进电机带负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差。当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动时有一个加速的过程。从高速运行到停止也应该有一个减速的过程，防止步进电机因为系统惯性的原因，而发生冲过终点的现象。为此本文以单片机作为控制核心，实现步进电机的自动加减速控制，使系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象。因为步进电机的转速正比于控制脉冲的频率，所以调节步进电机的转速，实质上是调节单片机输出的脉冲频率【1】。
由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接收数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。步进电机工作时，失步或者过冲都会直接影响其控制精度。研究步进电机的加减速控制，可以提高步进电机的响应速度、平稳性和定位精度等性能，从而决
定了步进电机控制系统的综合性能。
1.2 课题的主要研究内容
1、步进电机的工作原理
通过查阅文献对步进电机的单拍运行、双拍运行、单双拍运行等各种运行方式进行研究，深入了解各种运行方式的特点和对步进电机控制性能的影响。
2、环形脉冲分配器的设计
研究环形脉冲分配器的作用和构成，并设计出可靠、灵活的环形脉冲分配器电路。
3、步进电机的续流电路
根据步进电机的控制特点，分析续流电路对步进电机控制性能的影响，并设计步进电机的续流电路。
4、步进电机控制系统的软硬件设计
根据步进电机的原理和控制特点，对步进电机控制系统的软硬件进行分析和设计。
5、程序的调试及修改
用Keil软件进行编程和调试，并且在Proteus环境下进行系统仿真。1.3 本章小结
本章首先介绍了课题研究的背景，提出设计的思路。其次介绍了课题研究的目的和意义，最后介绍了课题的主要研究内容。
第二章步进电机控制系统设计
2.1 步进电机的原理
反应式步进电机的工作原理是与反应式同步电机一样，也是利用转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动，如图2.1 所示是一台反应式步进电机的工作原理，定子铁心为凸极式，共有三相，六个磁极，不带小齿，磁极上装有控制绕组，相对的两个磁极串联连接，组成一相控制绕组。转子用软磁材料制成，也是凸极结构，只有两个齿，齿宽等于定子的极靴宽【2】。
2.1.1 三相单三拍通电方式
这是步进电机的一种最简单的工作方式，所谓“三相”，即三相步进电机，具有三相定子绕组；“单”指每次只有一相绕组通电；“三拍”指三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次情况。
当A相绕组通电如图2.1 (a) 所示，而B相和C相不通电时，A相的两个磁极被励磁，一个呈N极另一个呈S极，由于磁场对转子铁心的电磁吸力，使转子轴线对准A相磁极的轴线。这种现象也可以这样来理解，A相通电时，转子对定子的相对位置不同，则磁路的磁阻也不同，使A相磁路的磁阻为最少的转子位置，就是该时的稳定平衡位置，即转子稳定在转子轴线和A相磁极轴线相重合的位置。同样道理，当A相断开，接通B相时，如图2.1 (b) 所示，B相磁极对转子的电磁力将使转子顺时针转过60°，达到转子轴线和B 相磁极轴线相重合的位置，即转子走过一步，然后B相电源断开，同时接通C 相如图2.1 (c) 所示，同理将使转子按顺时针方向再走一步。如此按A-B-C-A 的顺序使三相绕组轮流通电，则转子依顺时针方向一步一步地转动。如果改变三相绕组的通电顺序为A-C-B-A显然步进电机将按逆时针方向转动。上述三相三拍运行，表示三种通电状态为一个循环，即三次通电状态改变后，又恢复到起始状态，一拍对应转子转过的角度称为步距角，通常用θs表示，图 2.1
中转子每步转过的步距角为60°。
（a）A相通电（b）B相通电（c）C相通电
图2.1 三相反应式步进电机原理
如果将上图的反应式步进电机的转子制成四极（或称为四个齿）结构，如图2.2所示，则按三相单三拍运行时，转子的步距角也将发生变化。当A相通电时如图2.2 (a)所示，转子齿1、3对准A相磁极轴线重合，当B相通电时如图2.2 (b)所示，转子将逆时针转过30°，稳定在转子齿2、4对准B相磁极轴线的位置，当C相通电时如图2.2 (c)所示，转子又将逆时针方向转动30°，转子齿1、3对准C相磁极轴线的位置，由此可见，每通电一次转子转过的角度为30°即每步转过的步距角为30°。
(a) A相通电(b) B相通电(c) C相通电
图2.2 转子为四极的三相步进电机
2.1.2 三相双三拍通电方式
如果将步进电机的控制绕组的通电方式改为：AB-BC-CA-AB或AC-CB-BC-CA。这种通电方式每拍同时有两相绕组通电，三拍为一循环，如图2.3所示，转子为四极的反应式步进电机。图2.3 (a) 为AB相同时通电的情况，图2.3 (b) 为BC相通电的情况，可见转子每步转过的角度为30°与单三拍运行方式相同，但其中有一点不同，即在双三拍运行时，每拍使步进电机从一个状态转变为另一个状态时，总有一相绕组保持通电。例如由AB相通电变为BC相通电时，B相保持继续通电状态，C相磁极力图使转子逆时针转动，而B相磁极却起阻止转子继续向前转动的作用，即起到一定的电磁阻尼作用，所以步进电机工作比较平稳，三相单三拍运行时，由于没有这种阻尼用，所以转子到达新的平衡位置后会产生振荡，稳定性能远不如双三拍运行方式。
(a) AB相通电(b) BC相通电
图2.3 三相双三拍运行方式
2.1.3 三相六拍通电方式
这是一种将一相通电和两相通电结合起来的运行方式，其具体通电方式为：A-AB-B-BC-C-CA-A 或A–AC-CB-B-BA-A，即一相通电和两相通电间隔轮流进行，六种不同的通电状态组成一个循环，这时步进电机的工作情况如图2.4 所示，图2.4(a)为A相通电时的情况，转子齿1、3磁轴与A相磁极轴线重合，当通电状态由A转为AB时，步进电机的状态如图2.4(b) 所示，转子齿1、3磁极离开A相磁极轴线，即转子逆时针转过15°。通电方式由AB 转为B时，步进电机的状态如图2.4(c) 所示，转子齿2、4磁极轴线和B相磁极轴线相重合，或转子齿1、3磁极轴线离开A相磁极轴线30°角，即转子又逆时针方向运行了一步，相应的角度为15°如此类推，可见步进电机每走一步，将转过15°，恰好为三相单拍或双三拍通电方式的一半。
六拍运行方式与双三拍相同，由一个通电状态转变为另一通电状态时，也总有一相继续保持通电，同样具有电磁阻尼作用，工作也比较平稳。
(a) A相通电(b) AB相通电
(c) B相通电(d) BC相通电
图2.4 三相六拍通电方式
通过分析可知一台步进电机可以有不同的通电方式，即可以有不同的拍数。拍数不同时，其对应的步距角大小也不同，拍数多则步距角小。通电相数不同也会带来不同的工作性能。此外，也可以看到同一种通电方式，对于转子磁极数不同的步进电机，也会有不同的步距角。步距角θs可由式(1-1)求得【3】
θs=360°mKZ R(1-1)
式中m —控制绕组相数；
Z R —转子齿数；
K —与通电方式有关的状态系数，当通电方式为单拍，即拍数与相数相同，K=1；为双拍时，即拍数为相数的两倍时，K=2。
2.2 环形脉冲分配器
要使步进电机正常工作，必须按照该种步进电机的励磁状态转换表所规定的状态和次序依次对各相绕组进行通电和断电控制。环形分配器的主要功能是把单片机发出的脉冲信号按一定的规律分配给步进电机的驱动电路，控制绕组
的导通和截止。同时步进电机有正反转的要求，所以环形脉冲分配器的输出既有周期性又有可逆性。可以说环形脉冲分配器是一种特殊的可逆循环计数器，但它输出的不是一般的编码，而是步进电机励磁状态所要求的特殊编码【4】。
在步进电机的驱动系统中，控制器与驱动器之间连接方式可分为串行控制和并行控制。串行控制时，控制器输出脉冲信号和方向电平，环形脉冲分配器把它转换成并行的驱动信号，再控制绕组的导通和截止。控制脉冲信号的有无就能控制步进电机运行和停止，脉冲信号的频率决定步进电机的运行速度，方向电平控制步进电机的运转方向。并行控制时，控制器直接输出各相绕组的导通和截止信号，此时环形脉冲分配器在控制器中，由软件来代替环形脉冲分配器的功能，不管是串行控制还是并行控制必须有环形脉冲分配器这个环节。
步进电机按类型、相数来划分种类繁多，不同种类、不同相数、不同分配方式都必须有不同的环形脉冲分配器，因此所需要的环形脉冲分配器的类型是很多的。如果全部用硬件来搭成，结构是相当复杂的，不能满足步进电机驱动系统的需要，为此提出一种用EPROM搭建的环形分配器，以满足不同的要求。
EPROM存储器是一种紫外线擦除的可编程只读存储器，存储器的内容可以由使用者自己编程，且可以用紫外线照射后重新使用。用EPROM可以搭建成各种环形脉冲分配器。其基本思想是：首先确定步进电机励磁状态转换表，再以二进制码的形式存入EPROM存储器中，只要按照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，那么存储器输出的就是各相绕组的励磁状态，用EPROM搭建的环形脉冲分配器的原理框图如图2.5 所示，它由两部分组成。前面是一个可逆的循环计数器，计数脉冲的有无控制步进电机的运行与停止，计数器加减控制端控制步进电机的正反转，如果低电平时计数器加计数，步进电机正转，如果高电平时计数器减计数，步进电机反转。计数器的计数长度应
等于步进电机运行一个周期的拍数或拍数的整数倍，计数器的输出端接到EPROM的地址线上，并且使EPROM总是处于读出的状态，这样计数器的每个计数状态都对应存储器的一个地址，存储器的输出端就对应步进电机的一种励磁状态。简单的说存储器存入的是一个环形脉冲分配器的状态输出表，计数器每输入一个脉冲，计数器计一个数，这个数值就会选通存储器的一个地址，存储器就输出一个数据，即步进电机的一个励磁状态。如果计数器做加计数，则存储器按地址递增的方向依次读取状态表的内容，相反，计数器做减计数，则存储器按地址递减方向依次取出状态表的内容，从而控制步进电机的正反转。
图2.5 含有EPROM 环形脉冲分配器
用EPROM设计环形脉冲分配器，具有如下的特点：
1、线路简单。由可逆循环计数器和存储器两部分组成，计数器可以用现有的器件实现，计数长度可以用简单的外围电路实现。对EPROM存储器的主要工作是编程，存储状态表，所以工作量小。
2、一种线路可以实现多种励磁状态方式的分配，只要在不同的地址区域存储不同的状态表，除软件工作之外，硬件无需改动。
3、可排除非法状态。驱动电路输入非法状态可能会损坏驱动电路。存储器中存储的内容，除了在选通的地址存储所需的状态表之外，其他没用的地址
都存储各相截止的信号。因此即使有非法的地址输入，输出端输出的都是截止的信号，可以保护驱动器不受损坏。
由于励磁状态是按运行拍数循环的，所以存储器输出的状态也必须按拍数循环出现，这就要求计数器是可逆计数器，同时计数长度是运行循环拍数的整数倍。实际上，使用RPROM设计的环形脉冲器是一种软硬件结合的技术，通过软件的编程可以实现不同励磁方式的输出。
由上可见，这种方法适用于控制任意类型的步进电机。对于不同的步进电机及不同的励磁方式，只需改变存储的状态表，硬件不需要做任何的变化。跟软件的方法相比，需要增加硬件的成本，但软件简单，速度快，少占用CPU 的时间，提高了系统的响应速度。软件方法的优点是节省硬件，降低系统的成本，且更改灵活，有利于系统的小型化，其主要的缺点是占用CPU时间较多，降低系统的响应速度。
图2.6 环形脉冲分配器电路
由EPROM与可逆计数器构成的环形脉冲分配器如图2.6所示，计数器选用74LS191，74LS191是四位二进制进制可逆计数器，时钟脉冲从CP端输入，计数器的输出QA~QD直接接到EPROM的低四位地址线A0~A3，这样可以选
通2716的十六个地址（00H~0FH）。
74LS191第五脚为加减法输入控制端，该输入端作为方向输入的控制信号，当低电平时做加法计数，为正转状态。当为高电平时做减法计数，为反转状态。74LS191数据输入端A、B、C、D各管脚接地，11脚是置数端，当它为高电平时74LS191为计数状态，当它为低电平时，计数器停止计数，把数据端的内容（ABCD）装入计数器。
2716的管脚OE和CE分别为输出允许和片选端，使它接地让它一直处于选通状态。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。因此本文选择步进电机八拍的工作方式。EPROM 的存储内容如表2.1所示。
表2.1四相步进电机八拍工作方式存储状态表
2.3 续流电路
步进电机的控制性能，与各相绕组导通和截止时电流的增加和衰减速度有关，对于加速度大、或者运行速度高的步进电机，当转换速度增加时，由于绕组电感的作用，电流经常不能立即升到额定值，同样在绕组断电时，电流也不能立即衰减到零。当步进电机下一相导通时，断电相绕组中的衰减电流对步进电机起制动作用。
如图2.7所示为一相励磁时的等效电路。L为绕组电感，R为串联回路的总电阻，E为反电动势。当步进电机为锁定状态时，忽略T管的压降，则绕组的电流为UR。如果T断电，绕组中磁场能量将极力保持原有电流的方向。晶体管上的管压降将随Ldidt正比的增加，这个峰值电压的大小可能会超过一个晶体管的最大耐压U，造成晶体管损坏。常用的步进电机可以很容易产生数值比步进电机外加电压大的峰值电感电动势。这个电感电动势必须控制在晶体管安全运行区域内。所以驱动电路除了对步进电机绕组提供导通回路外，还必须提供一个绕组断电时的续流回路，其作用是既要保证电流的泄放的速度，同时又要抑制电感电势，保护晶体管不受感应电动势峰值的冲击。
图2.7 一相励磁电路
2.3.1 二极管续流
抑制电势的最简单的形式是用二极管跨接步进电机绕组的两端，如图 2.8所示。在绕组导通期间，二极管处于反向截止状态。当绕组断电时，绕组电势极性反向，二极管处于正向导通的状态，为电流提供一个续流回路，二极管把功放管的集射极电压钳位到电源电压+U。
当一相绕组断电时，存储在绕组中的能量必须消耗在电路的电阻R中，该电阻包括绕组电阻，串联电阻和二极管正向导通电阻，衰减时间常数为LR。在低速时，断电相电流衰减缓慢是允许的，但高速时，就会影响步进电机的控制性能。
图2.8 二极管泄放电路图2.9 负载曲线
2.3.2 二极管—电阻续流
要求高速或变速运行时，断电绕组的能量必须尽快消耗，这可以通过增加一个与二极管串联的电阻Rs，以减少泄放回路的时间常数，此时断电回路的时间常数为L(R+Rs)。Rs的最大值取决于集—射极间的击穿电压Ucer。当步进电机截止时，若通过二极管的初始电流为额定电流In，即
In=UR
则晶体管集—射极间的压降为
Uce=U+RsIn=U（1+RsR）
这样为使Uce 则Rs 图2.10 二极管—电阻续流回路图2.11 负载曲线 由以上分析可知续流电路的特点如下： (1) 断电相的磁场能量总是消耗在回路的电阻上，其中包括电动机绕组自身的电阻。 (2) 续流串联电阻的大小因需要保护功放管的安全而受到限制。 (3) 衰减时间常数大，在步进电机高速运行时产生阻转矩，影响系统的特性。 2.4 步进电机驱动电路 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，除与步进电机的自身性能有关外，在很大程度上也取决于驱动器的优劣。步进电机的驱动电路应该既要保证绕组有足够的电压电流，同时又要保证驱动级功率器件的安全运行，另外还应有较高的效率、较小的功耗和较低的成本。 驱动级的功率放大器件有中功率晶体管、大功率的晶体管、达林顿管、可 控硅以及各种功率模块。对于小功率的步进电机，可用中小功率晶体管进行驱动，晶体管具有放大倍数大、线路简单等优点，用于驱动小功率的步进电机（绕组电流在数百毫安）。对于功率较大的步进电机，由于绕组所需要的电流较大、电压高、反电动势也大，因此需要用大功率的的晶体管驱动。 步进电机驱动电路与一般电气设备驱动的不同点主要有： (1) 各相绕组都是工作在开关状态，多数电动机的绕组都是连续的交流或者直流，而步进电机的各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是离散的。 (2) 电动机的各相绕组是绕在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电时电流上升率受到限制，因而影响电动机绕组电流的大小。 (3) 绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。绕组导通和截止过程中都会产生较大的反向电动势，而截止时的反电动势将对驱动级器件的安全产生十分有害的影响。 (4) 电动机运转时在各相绕组中将产生旋转电动势，这些电动势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电动势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电动势越大，绕组电流越小，从而使电动机输出转矩也随着转速升高而下降。 (5) 电动机绕组中有电感电动势、互感电动势、旋转电动势。这些电动势与外加电源共同作用于功率器件，当其叠加结果使电动机绕组两端电压大大超过电源电压时，会使驱动级的工作条件更为恶化。 由于步进电机需要的驱动电流比较大，所以单片机与步进电机的连接都需要专门的接口电路及驱动电路。接口电路可以是锁存器，也可以是可编程的接 步进电机控制实验 一、实验目的： 了解步进电机工作原理，掌握用单片机的步进电机控制系统的硬件设计方法，熟悉步进电机驱动程序的设计与调试，提高单片机应用系统设计和调试水平。 二、实验容： 编写并调试出一个实验程序按下图所示控制步进电机旋转： 三、工作原理： 步进电机是工业过程控制及仪表中常用的控制元件之一，例如在机械装置中可以用丝杠把角度变为直线位移，也可以用步进电机带螺旋电位器，调节电压或电流，从而实现对执行机构的控制。步进电机可以直接接收数字信号，不必进行数模转换，用起来非常方便。步进电机还具有快速启停、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。 步进电机实际上是一个数字/角度转换器，三相步进电机的结构原理如图所示。从图中可以看出，电机的定子上有六个等分磁极，A、A′、B、B′、C、C ′，相邻的两个磁极之间夹角为60o，相对的两个磁极组成一相（A-A′，B-B′，C-C′），当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极形成N极和S极，每个磁极上各有五个均匀分布矩形小齿，电机的转子上有40个矩形小齿均匀地分布的圆周上，相邻两个齿之间夹角为9°。 当某一相绕组通电时，对应的磁极就产生磁场，并与转子形成磁路，如果这时定子的小齿和转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子和定子的齿相互对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的原因。 三相步进电机结构示意图 例如在三相三拍控制方式中，若A相通电，B、C相都不通电，在磁场作用下使转子齿和A相的定子齿对齐，我们以此作为初始状态。设与A相磁极中心线对齐的转子的齿为0 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 大学生毕业论文（设计）要求 毕业论文（设计）的主要内容应包括文献综述、任务提出、方案论证、设计思想、设计计算、实验结果、技术分析、结论等。实验研究类的题目要有相应的系统结构图，毕业论文（设计）的基本要求要符合学校本科生毕业论文（设计）的撰写规范。 学生完成毕业论文（设计）书面材料包括： 1．题目：应能概括整个论文最重要的内容，恰当、简明、引人注目。题目应力求简短，一般不宜超过30字。需要中英文。 2．中文摘要：论文第1页为内容摘要，约300字左右。应说明工作目的、研究方法、成果和结论。要突出本论文的创造性成果或新的见解，语言力求精练。为了便于文献检索，应在本页下方另起一行注明本文的关键词（3至5个）。3．英文摘要：论文第2页为英文摘要。上方应有题目，内容与中文摘要相同。4．目录：应是论文的提纲，也是论文组成部分的小标题。目录应独立成页，包括论文的全部页码。 5．前言：在论文的开头，一般要概括地写出作者意图，说明选题的目的及意义，指出论文写作的范围。 6．正文：是学位论文的主体，着重反映论文研究工作范畴，研究方法。在正文中应将调查、研究中所得的材料和数据进行加工整理和分析研究，提出论点，要突出创新。正文一般可包括以下几个方面： （1）研究内容 （2）研究方法（实验方法） （3）结果 （4）讨论 正文要求论点正确，推理严谨，数据可靠，文字精练，条理分明。 7．参考文献：只列主要的及公开发表过的，按中文引用的顺序附于文末。8．致谢：对给予各类资助、指导和协助完成研究工作以及提供各种对论文工作有利条件的单位及个人表示感谢。致谢应实事求是。 9．学位论文完成后，在最后加上指导教师评语、论文评阅人评语、答辩委员会意见。 步进电机驱动及控制技术解答 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110BYG250A电机为例，列表说明： 可以看出，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，驱动器工作在10细分状态时，其步距角只有步进电机固有步距角的十分之一。当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，步进电机旋转1.8°；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18°。其实，细分就是步进电机按照微小的步距角旋转，也就是常说的微步距控制。当然，不同的场合，有不同的控制要求。并不是说，驱动步进电机必须要求细分。有些步进电机的步距角设计为3.6°、7.5°、15°、36°、180°，就是为了加大步距角，以适应特殊的工况条件。细分功能，只由驱动器采用精确控制步进电机的相电流方法，与步进电机的步距角无关，而与步进电机实际工作状态相关。 运行拍数与驱动器细分的关系是：运行拍数指步进电机运行时每转一个齿距所需的脉冲数。例如：110BYG250A电机有50个齿，如果运行拍数设置为160，那么步进电机旋转 实验三 PLC步进电机控制实验 一、实验目的 1、掌握步进电机工作原理； 2、用PLC构成五相步进电机控制系统。 二、实验要求 1、通过实验，加深并验证学过的理论知识，掌握实验的基本方法和实验原理； 2、正确使用仪器设备； 3、认真观察仪器设备的运动方式，独立编写控制程序并进行操作。 4、学生在实验过程中，应学会独立思考，应用所学专业理论知识分析和解决实验中遇到的具体问题； 三、实验原理 步进电机工作原理 步进电机按工作原理可分为电磁式、磁阻式、永磁式、混合式四类。其中混合式步进电机从定子或转子的导磁体来看，它如反应式步进电机，所不同的是它的转子上置有磁钢，反应式转子则无磁钢。从它的磁路内含有永久磁钢这一点来说，又可以说它是永磁式，但因其结构不同，使其作用原理及性能方面，都与永磁式步进电机有明显区别。它好像是反应式和永磁式的结合，所以常称为混合式。混合式步进电机具有驱动电流小，效率高，过载能力强、控制精度高等特点，是目前市面上应用最为广泛的一种步进电机。 四、实验所用仪器 1、三菱FX1N-60MR一台； 2、计算机一台； 五、实验步骤和方法 1、熟悉编程环境，输入所编制的程序； 2、接通实验箱电源、串口通讯线； 3、将程序下载至PLC并运行。 六、实验注意事项 经指导教师检查同意后，方可接通电源进行实验操作。 七、实验预习要求 1、预习PLC编程环境，上机前预先将控制程序编制完成； 2、预习步进电机工作原理。 八、实验报告要求 实验报告的主要内容 1、实验目的 2、实验所用仪器 3、实验原理方法简要说明 4、程序清单。 实验报告册样式 实验步骤： 1、熟悉编程环境，编制程序； 附录2：英文资料及其中文翻译 Stepper motor is an electrical pulse will be converted into angular displacement of the implementing agencies. Put it in simple language-speaking: When the stepper drive pulse signal to a receiver, it drives stepper motor rotation direction by setting a fixed point of view (and the step angle). You can control the number of pulses to control the amount of angular displacement, so as to achieve the purpose of accurate positioning; At the same time, you can by controlling the pulse frequency to control the motor rotation speed and acceleration, so as to achieve the purpose of speed. Stepper motor directly from the AC-DC power supply, and must use special equipment - stepper motor drive. Stepper motor drive system performance, in addition to their own performance with the motor on the outside, but also to a large extent depend on the drive is good or bad. A typical stepper motor drive system is operated by the stepper motor controller, stepper motor drives and stepper motor body is composed of three parts. Stepper motor controller stepper pulse and direction signal, each made of a pulse, stepper motor-driven stepper motor drives a rotor rotating step angle, that is, step-by-step further. High or low speed stepper motor, or speed, or deceleration, start or stop pulses are entirely dependent on whether the level or frequency. Decide the direction of the signal controller stepper motor clockwise or counterclockwise rotation. Typically, the stepper motor drive circuit from the logic control, power driver circuit, protection circuit and power components. Stepper motor drive controller, once received from the direction of the signal and step pulse, the control circuit on a pre-determined way of the electrical power-phase stepper motor excitation windings of the conduction or cut-off signal. Control circuit output signal power is low, can not provide the necessary stepping motor output power, the need for power amplifier, which is stepper motor driven power drive part. Power stepper motor drive circuit to control the input current winding to form a space for 本科毕业设计要求： 1、英文文献翻译，文献的原文由老师提供，要求对英文文献中的题目、摘要、正文、图表 名称进行原意翻译，文献中的作者、公式、图表以及参考文献不需要翻译。翻译时不可通过翻译工具进行全文翻译，仅能使用翻译工具进行初步翻译再针对原文意思进行修改，必须保证译文具有一定的可读性和准确性。建议：通读全文，了解一定意思之后再进行翻译，专业词汇无法准确翻译，推荐使用CNKI翻译助手，网址为https://www.doczj.com/doc/9712882687.html,/。 2、综述或读书笔记：即经过广泛阅读毕业设计相关资料、书籍和文献之后，针对毕业设计 内容的背景、发展现状、主要技术及应用、理论基础等做相应总结，撰写出一份综述或读书笔记。必须在最后给出阅读的参考文献，同样，内容的编排需要具备一定的可读性和准确性。要求篇幅8-10页。 3、任务书：由老师下达，学生提交正确的专业、班级和姓名。 4、针对毕业设计题目，进行一定的仿真、硬件设计或实验验证，每一个毕业设计必须要有 相应的结果，或是仿真模型和仿真波形结果，或者硬件系统设计原理图PCB，或者最终的实验平台搭建和实验结果，或者完成相应的软件代码编写，根据各自的题目，在毕业完成最后必须具有一定的结果呈出。 5、所有的英文文献翻译、综述以及毕业论文的撰写必须规范严谨，请参考下页给出的示意 图，所有的图表名称应比正文小一个字体，如正文为小四字体，则图表的名称为五号字体，并且要求图中和表中的文字尽量不要超过图表名称的字体大小。另：所有论文编写请统一采用office word，不要采用WPS，排版会有很大问题，所有的公式请采用公式编辑器MathType6.0及以上的安装版，画图和制图均使用office visio07或以上版本，软件请大家到网上下载，或者问老师拷贝安装。 6、请大家学会搜索和下载参考文献，进入学校图书馆网址https://www.doczj.com/doc/9712882687.html,，在“常用资 源里面”的“CNKI知识网络数字平台”和“万方知识服务平台”两个数据库里面，可按照各自毕业设计题目中的关键词搜索相关期刊论文和硕士博士论文，进行阅读参考。如有疑问和不懂的地方，及时与老师沟通。 7、毕业设计期间纪律：（1）每周进行一次汇报，汇报各自研究进展和取得的阶段性成果； （2）请大家养成自觉和好问的习惯，有不会的地方及时沟通联系老师；（3）若要出去短暂实习或找工作，必须明确告知老师并请假，汇报可采用邮件或者电话或者QQ的形式；（4）原则情况下不接受全学期在外实习，如果需要毕业设计期间去工厂实习，必须办理相关手续，并且毕业设计由工厂提供，老师只负责监督和把关，由此造成的不良后果，请自行负责；（5）若出现不遵守纪律者，毕业设计出现不及格一概与老师无关！8、毕业设计具体和时间节点： （1）英文文献翻译，第4周周三前； （2）中期检查审核，第9-10周； （3）论文初稿，第13-14周； （4）论文定稿，第14-15周； （5）答辩时间，6月5日~6月10日。 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 实验6：步进电机实验 一、实验目的 了解直流电机和步进电机的工作原理 学会Linux下用软件的方法实现步进电机的脉冲分配，用软件 的方法代替硬件的脉冲分配器 二、实验内容 学习步进电机的工作原理，了解实现电机转动对于系统的软件和硬件要求。学习ARM知识，要掌握I/O的控制方法。Linux下编程实现ARM的四路I/O通道实现环形脉冲分配用于控制步进电机的转动。 三、预备知识 C语言的基础知识、程序调试的基础知识和方法，Linux的基本操作。Linux关于module的必要知识。 四、实验设备及工具 硬件：UP-NETARM2410-S嵌入式实验平台、PC机Pentium 500以上，硬盘10G以上 软件：PC机操作系统REDHAT LINUX 9.0＋MINICOM＋ARM-LINUX开发环境 五、实验原理 1、步进电机概述 步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。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、步进电机的种类 目前常用的步进电机有三类： 1、反应式步进电动机（VR）。它的结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。 2、永磁式步进电动机（PM）。它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。 3、混合步进电动机（HB）。它综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机。 3、步进电机的工作原理 现以反应式三相步进电机为例说明其工作原理。定子铁心上有六个形状相同的大齿，相邻两个大齿之间的夹角为60度。每个大齿上都套有一个线圈，径向相对的两个线圈串联起来成为一相绕组。各个大齿的内表面上又有若干个均匀分布的小齿。转子是一个圆柱形铁心，外表面上圆周方向均匀的布满了小齿。转子小齿的齿距是和定子相同的。设计时应使转子齿数能被二整除。但某一相绕组通电，而转子可自由旋转时，该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近的转子小齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置，而其它两相的各个大齿下的小齿必定和转子的小齿分别错开正负1/3的齿距，形成“齿错位”，从而形成电磁引力使电动机连续的转动下去。 和反应式步进电动机不同，永磁式步进电动机的绕组电流要求正，反向流动，故驱动电路一般要做成双极性驱动。混合式步进电动机的绕组电流也要求正，反向流动，故驱动电路通常也要做成双极性。 4、开发板中步进电机控制的实现 本开发板中使用的步进电机为四相步进电机。转子小齿数为64。 系统中采用四路I/O进行并行控制，ARM控制器直接发出多相脉冲信号，在通过功率放大后，进入步进电机的各相绕组。这样就不再需要脉冲分配器。脉冲分配器的功能可以由纯软件的方法实现。 本科毕业设计 基于单片机的步进电机控制系统的设计 摘要 随着自动控制系统的发展和对高精度控制的要求，步进电机在自动化控制中扮演着越来越重要的角色，区别于普通的直流电机和交流电机，步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为控制执行元件，是机电一体化的关键组成之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。 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。 本系统介绍了一种基于单片机的步进电机控制系统的设计，包括了硬件设计和软件设计两部分。其中，硬件设计包括单片机最小系统、键盘控制模块、LCD显示模块、步进电机驱动模块、位置检测模块共5个功能模块的设计。系统软件设计采用C语言编写，包括主程序、数字键处理程序、功能键处理程序、电机驱动处理程序、显示模块、位置采集模块。 本设计采用STC89C52单片机作为主控制器，4*4矩阵键盘作为输入，LCD1602液晶作为显示，ULN2003A芯片驱动步进电机。系统具有良好的操作界面，键盘输入步进电机的运行距离；步进电机能以不同的速度运行，可以在不超过最大转速内准确运行到任意设定的位置，可调性较强；显示设定的运行距离和实际运行距离；方便操作者使用。关键词：单片机步进电机液晶显示键盘驱动 Design of the Stepping Motor Control System Based on SCM Qiu Haizhao (College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China) Abstract:With the development of automatic control system and the requirements of high-precision control, stepping motor control in automation is playing an increasingly important role, different from the common DC and AC motor, stepper motor rotation angle and rotational speed can be high-precision controlled. Stepper motor as a control actuator is a key component of mechanical and electrical integration, widely used in a variety of automated control systems and precision machinery and other fields. Stepper motor is the open-loop control components changing electric pulse signals into angular displacement or linear displacement .In the case of non-overloaded, the motor speed, stop position depends only on the pulse frequency and pulse number, regardless of load changes, that is, to add a pulse motor, the motor is turned a step angle. This system introduces a design of stepper motor control system based on single chip microcomputer, including hardware design and software design in two parts. Among them, the hardware design, including single chip minimal system, keyboard control module, LCD display module, the stepper motor drive module, position detection module five functional modules. System software design using C language, including the main program, process number keys, the key of function processes, motor driver handler, the display module, position acquisition module. This design uses STC89C52 microcontroller as the main controller, 4 * 4 matrix keyboard as an input, LCD1602 LCD as a display, ULN2003A chip as stepper motor driver. System has a good user interface, keyboard input stepper motor running distance; Stepper motor can run at different speed, and run to any given position accurately in any speed without exceeding the maximum speed, with a strong adjustable ; Display the running distance and the actual running distance, which is more convenient for the operator to use. Key words: SCM stepper LCD keyboard driver 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。 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) 北华航天工业学院 课程设计报告（论文） 课程名称：微机控制技术课程设计 设计课题：步进电机的控制系统 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 设计时间：2013年06月11日 北华航天工业学院电子工程系 微机控制技术课程设计任务书 姓名：专业：班级： 指导教师：职称：教授时间：2013.6.11 课程设计题目：步进电机的控制系统 设计步进电机单片机控制系统，其功能如下： 1．具有对步进电机的启停、正反转、加减速控制； 2．控制按钮分别为正转、反转、加速、减速、以及停止键； 3．能够通过三位LED数码管（或液晶显示器）显示当前的转动速度，并且由两只不同颜色的发光二极管分别指示正转和反转，因此可以清楚的显示当前转动方向和转速； 4．要求每组选择的步进电机控制字不同； 5．用单片机做控制微机； 应用软件：keil protues 成果验收形式： 1.课程设计的仿真结果 2.课程设计的报告书 参考文献： 【1】张家生. 电机原理与拖动基础【M】. 北京：北京邮电大学出版社，2006. 【2】马淑华，王凤文，张美金. 单片机原理与接口技术【M】.北京：北京邮电大学出版社，2007. 【3】顾德英，张健，马淑华.计算机控制技术【M】. 北京：北京邮电大学出版社，2006. 【4】张靖武，周灵彬. 单片机系统的PROTEUS设计与仿真【M】. 北京：电子工业出版社，2007 第16周 时间 安排 指导教师教研室主任： 2013年06 月11日 内容摘要 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、步进电机的环形分频器、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很大的提高。 关键词：步进电机单片机数码管显示 基于单片机的步进电机毕业设计 目录 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。步进电机控制实验
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