基于单片机的步进电机控制系统设计
摘要：步进电动机由于利用其组成的开环系统简单、廉价、实用价值高的特点。因此在精度要求比较高的精密仪器以及各种控制装置中有着极其广泛的应用如:喷绘机、刻字机、线切割、机器人等领域。
本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用C语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序代码，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2003以及相应的按键实现以上操作功能，步进电机的工作状态用相应的LCD1602显示。本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、软件程序。并对软、硬件进行调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。该设计具有思路清晰、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。
关键词：步进电机脉宽调制驱动机构单片机
Abstract: Stepper motor due to the use of the open loop system consisting of a simple, cheap, and the characteristics of high practical value. So in accuracy requirement high precision instrument and various kinds of control device has the extremely widespread application, such as: spraying machine, carving machine, thread cutting, robot, etc.
Is introduced in this paper a system based on single-chip stepper motor design, using C language to write the motor forward, reverse, acceleration, deceleration and stop the program code, through single chip, motor drive chip ULN2003 as well as the corresponding button to achieve the above operation function, the working state of the stepper motor with the corresponding LCD1602 display. Content of this article introduces the principle of step motor and single chip microcomputer, hardware circuit and software program of the system. And the hardware and software debugging, and introduces the debugging process problems and the methods to solve the problem. This design has ideas clearly, high reliability, strong stability, etc, through debugging realized the function.
Key Words: Stepper motor; Pulse-width modulated; driving mechanism; scm
1 绪论
1.1 引言
在众多的执行元件中,步进电机是机电设备不可缺少的元件。步进电机是一种微型电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流。用此电流供电,电机才能正常运转,而它的具体工作过程是将电脉冲信号转换成相应的角位移或者是线位移来达到转动的目的。在数控系统、自动生产线、自动化仪表中应用电机实现其调速、快速起停、正反转控制的功能已普遍存在,它最突出的优点是能在宽频率中改变脉冲频率对步进电机实施控制。并且组成的开环系统利于人们控制,操作简便。微电子和计算机技术的日益成熟,使步进电机在工业电子自动化、印刷设备、机器人和智能医疗设备中的需求量不断提高,对于研制出具有高精确度、实时监控、数字显示的步进电机及其驱动控制系统有着很大的实用意义。这次设计选用28BYJ-48型号四相步进电机,它有三种工作模式,利用其单双相工作模式进行工作,使其提高步进的精度。整个控制系设计组成有:电机驱动电路的设计、液晶显示和按键部分设计三大模块。
1.2课题研究的目的和意义
本文选用28BYJ—48型五线四相步进电机,采用单双相工作模式。采用单片机控制脉冲数使其步进电机完成驱动,实现一系列指定工作要求。因为步进电机旋转是以固定的角度一步一步转动的,所以研究其工作原理和工作模式有着很大的实用意义。通过单片机的控制,让步进驱动器接收脉冲信号,驱动步进电机按预设定的方向,转动一个固定的角度,实现其指定功能。在扫描仪、打印机、DVD-ROM 驱动器的应用中尤为频繁。研究步进电机可以从研究单片机脉冲的控制开始入手,通过控制脉冲个数来控制步进电机的角位移量达到控制的目的。在实际工作过程中可以用作准确定位。通过设计硬件电路和程序编写,利用其上述步进电机的优点来作为设计目的,研究完成电机的工作模式和功能调试。
2 系统硬件电路的设计
2.1 步进电机介绍
2.1.1步进电机概述
步进电机作为本系统的主要组成部件。它在不超载的状况下,其运行的转速、停止方位只由脉冲信号的频率和脉冲个数所决定,且不受负载变化而变化。它的积累误差几乎没有,要驱动步进电机转动时,只需按照一个脉冲信号驱动电机转过一个步距角的方法即可实现运转。这种特有的线性关系,让步进电机在速度和定位相关的行业中,变得非常易于控制。不同的步进电机又因为厂家设置的电机参数不同,性能也迥异,因此选择一个合适步进电机,了解其性能指标参数尤为重要,这决定了步进电机的应用场合。
输入信号的时候,通过步进电动机对数字量能直接接收的特点,使其免去了大量繁琐的模拟量转换成数字量的工作,利用单片机简单的程序代码即可让其实现转动,因此非常适合用于微机控制。这次设计采用带减速比步距角为5.625/64度的四相永磁式步进电机。
步进电机的主要参数有如下:
1、相数:在不同磁力作用下N、S磁场的激磁线圈对数。一般用符号m表示。
2、拍数:是指电机转过一个齿距角完成磁场周期变化所需要的脉冲数,常用n表示。以四相四拍运行方式为例:即BC-CD-DA-AB-BC;四相八拍运行方式即B-BC-C-CD-D-DA-A-AB-B.
3、步距角:输入一个脉冲信号,步进电机所转过的机械位移(角位移)。转子转过的机械位移用β表示。β=360度/(转子齿数*运行拍数),以现在应用普遍的二、四相,转子齿轮数为50齿的步进电机作计算说明。四拍运行时步距角等于1.8度,八拍运行时步距角等于0.9度。通过计算:八拍运行时,不带减速齿轮情况下,步进电机转动一圈需要走400步。
4、步距角精度:即电机实际转过的步距角和理论上计算的步距角之间的误差范围。四拍和八拍运行时,误差范围分别应该在为5%和15%以下。
5、电机正反转控制：
电机的正反转与电机内部绕组密切相关,通过相与相之间的通电顺序不同,转子产生的旋转方向便发生变化如:通电相序为B-BC-C-CD-D-DA-A-AB时则正转,通电相序为AB-A-DA-D-CD-C-BC-B时则反转。
2.1.2 步进电机的工作原理
步进电机转动的工作原理是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移,当电流流过定子绕组时,定子绕组生成一个磁场。此磁场会使转子转过一个角度。给输入一个电脉冲信号进入电机,电机就转动一个角度。而输入信号的脉冲数与步进电机的角位移量成正比,输入信号脉冲频率高低又与电机转速成正比,因此只要改变绕组相通电的顺序,电机就会正反转动。所以可用控制脉冲的数量、频率高低、相绕组通电顺序的这些方法,来控制电机的转动。
如下图所示28BYJ—48五线四相步进电机工作原理图,采用单极性直流电源供电方式。通过对相绕组通电顺序的改变,使产生的磁场发生变化,磁力之间相互要达到平衡状态。使步进电机完成在不同拍数之间工作模式的转动。图2—1是该步进电机工作原理示意图。
图2-1 四相步进电机步进示意图
单四拍工作时,开关SB合上时,其余三个开关断开。B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极错开,直至相互之间的磁拉力达到平衡;2、5
号齿就和D、A相绕组磁极在磁拉力作用下错开,最后转子受力平衡不再转动。
当开关SC合上时,其余三个开关断开。因为C相绕组产生的磁力线和1、4号齿之间磁力线的相互作用,所以转子因此而转动。磁力达到平衡后1、4号齿和C相绕组的磁极就随之对齐了。在磁拉力作用下0、3号齿和A、B相绕组开始错开;而在此时,2、5
号齿就与A、D相绕组磁极错开,相应的磁拉力达到平衡。按照上述方法依次类推出A、B、C、D相的通电顺序,则电机按照四个相数通电顺序依次转动。
1相励磁方式(单相)、2相励磁方式(双相)与1-2相励磁方式(单双相)工作时的电源通电时序波形图分别如图2-2所示:
图2-2 步进电机工作时序波形图
2.1.3 步进电机的分类与选择
步进电机的种类划分可分为三种:反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机;作为特种电机来说,它们的应用各有如下优缺点:
反应式步进电机,一般为三相。步距角可以设计得很小,一般为1.5度。此类电机可实现大转矩输出,但其缺点是动态性能相对较差,噪声和振动很大；80年代在欧美发达国家中已被淘汰。
永磁式步进电机,一般为两相。其优点是转矩出力大,动态性能好,转矩和体积较小。通常步进角为7.5度或者为15度。
混合式步进电机则融合了永磁式和反应式两者的优点。可分为两相和五相两种,且它们的步进角分别为1.8度和 0.72度。这种在工业制造中的混合式步进电机应用甚广,不仅步距角小,输出力矩大,而且动态性能也很好。在智能设备以及精确度要求高的工艺加工中多用此类型步进电机。
本设计中步进电机采用市场最常见的小型号28BJY—48步进电机,此电机为四相八拍步进电机,工作电压为5V。此步进电机具有体积小、价格便宜等优点。对于初步入门学习步进电机者来说,最为合适。28BJY—48步进电机具参数如图表1-1所示。
表1-1 28BJY—48步进电机参数
28BJY—48步进电机以单双八拍为工作模式，其绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D -DA，其步距角是最小步距角的16倍。通过单片机的P1口把电机的A相、B相、C相及D相的真值表转换成单片机能识别的十六进制，并通过脉冲控制P1口不同相序通电后步进电机的转动。步进电机真值表如表1-2所示。
表1-2 步进电机单双八拍旋转相序真值表
2.2 步进电机驱动系统介绍
2.2.1 步进电机驱动系统简介
步进电机工作时,不像直流电机那样直接通入交流电便可开始工作,需要专用设备进行驱动工作。其中步进电机驱动系统由选择也至关重要,性能不同的驱动系统的共同点是其组成部分大致都一样,都由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机三部分所组成。步进电机驱动系统的性能与很多因素有关如:驱动器自身性能优劣,以及驱动的电机和设计得驱动电路好坏等。而其工作过程是由步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号来完成的。每发出一个电脉冲,驱动器则驱动步进电机转子转过一个步距角,并依次按照发送电脉冲的顺序和个数让步进电机做出相应的转动。步进电机驱动器只要接收到来自单片机控制器的方向信号和步进脉冲后,控制电路就按已经设定好的相序通电方式,让相绕组通电或断电。通常,+5V供电的单片机控制输出信号功率一般都不高,不能提供步进电机所需的输出功率,在运用设计电路知识时,应添加功率放大电路,此设计所用功率放大芯片为UNL2003。
2.2.2 步进电机绕组的电气特性
步进电机各相绕组由铜线圈缠绕而成,涉及线圈那么可由电阻和电感特性分析电机相绕组,通过其分析电阻电感组成的电路,来分析电机工作时受影响的参数。当绕组通电时,由于电感会削弱电流,限制绕组电流上升的速率,因此能导致电机绕组电流大小发生变化。而绕组线圈电阻的存在又会使电机温度升高、电能白白损耗,最终影响其电机工作的工作状态。因此分析这些影响电机工作的因素尤为重要。
图2-3 电感-电阻串联电路及其电流波形
图2-3为电感一电阻串联电路,由电机相绕组等效而来。当 t=0时刻时,直流电压源V施加到该电路上,电路电流变化规律可由以下公式推导:
I(t)=V(1-e-Rt/L)/R
通电瞬间绕组电流上升速率为:
di(0)/dt=V/t
如图可知,当电流达到最大值时为:
=V/R
I
max
由上图可知,当电路中的电流达到最大电流Imax的63%时,所需要用的时间是由L/R定义的时间常数决定的。在 t=t1时刻,曲线到达最高点转而开始下降,电流开始以初始速率一V/L下降,直至逐渐下降为零。而此时刻反映在电路中的现象为:电路断开与直流电压源V接通,并使之短路。其电流变的化规律如下公式推导:
I(t)=Ve-R(t-t1)/L/R
如图2-4所示,在施加不同频率的电压矩形波之后,电流波形图中电流的大小变化。
(a)片段所显示的是低频时运行时,步进电机电流能达到最大值;当矩形波频率上升达到某一临界频率。(b)片段所显示的是步进电机电流上升到最大值后立马变化随之下降;(c)片段所显示的是矩形波频率超过此临界频率值之后,步进电机绕组中的电流上升不到最大值。因为步进电机转矩的大小与绕组的电流成正比,所以在临界频率上下运行时,电机转动的情况也不同。低速运行电机能达到其额定转矩,在高于临界频率运行时,绕组电
流随着频率的升高随之下降;电机转矩渐渐变小,高速运转时的负载能力也随之渐渐下降。
图2-4 不同频率脉冲作用下电感-电阻电路的电流波形
2.3 单片机原理
2.3.1单片机原理概述
单片机(single-chip microcomputer)是把微型计算机CPU、存储器、I/O口等核心工作部件都集成在一起的单芯片微型计算机。图2-5中所示单片机结构图。由于单片机内部高度集成化,对于结构配置进行了很大的改善,使得系统内的信号传送距离变短,提高了工作时的运行和读取速度,对于工业要求任务能够很好的胜任。因此,单片机在智能家居、机器人、线切割等领域应用广泛。
图2-5典型单片机结构图
2.3.2单片机的应用系统
人们在对单片机在进行控制和数据处理时,在怎样让单片机完成指定功能的过程中,实行人机对话交流,了解系统的工作情况至关重要。单片机CPU虽然在高度集成后拥有许多优点,但由于单片机自身芯片结构、引脚数目的限制,内存和I/O口都相对较少。在实际应用时,单片机为了适应某些极端环境下工作,应该根据不同功能要求,加扩展口实现更多特定的系统功能。单片机元件结构如图2-6所示。
图2-6 单片机的应用系统
通过运用单片机最小应用系统,加入相应的外围电路和电机驱动系统电路,构成本设计的内容。由于最小系统成本低、结构简单,对于一些模拟开关量的输入/输出控制、A/D和D/A转换控制和并行和串行口控制来说,配用最小应用系统还是能够完成的。而对于最小应用系统有片内ROM/EPROM的芯片来说,电路一般由晶体振荡器、复位电路和电源所组成;片内无ROM/EPROM芯片,则最小应用系统应该配置上述的晶振、复位电路、电源以及外部程序存储器。
2.3.3 AT89C52简介
AT89C52的主要参数如表2-1所示：
表2-1 AT89C52的主要参数
AT89C52是一种带8K字节可反复擦写的只读存储器。有着低功耗,性能强的CMOS8位微处理器。该器件的指令系统与其它单片机相兼容,由ATMEL公司生产技术生产,在电子行业应用甚广。其功能引脚如图2-7所示。
图2-7 单片机的引脚排列
1、主要特性：
·与MCS-51 兼容
·具有8K在系统可编程Flash存储器
·工作平率范围：0Hz-40Hz
·工作电压：5.5V～3.3V
·用户应用程序空间为8K字节
·片上集成512字节RAM
·32可编程I/O线
·16位定时器/计数器3个。即定时器T0、T1、T2
·8个中断源
·看门狗和EEPROM功能
·低功耗的空闲和掉电模式：典型功耗2mA
·片内振荡器和时钟电路
2、管脚说明：
VCC：电源电压。
GND：接地。
P0端口:P0口作为8位开路双向I/O口,每个引脚能驱动8个TTL负载,对端口P0写入“1”时,可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和FIASH编程时,P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线,P0 端口则接收指令字节。当FIASH进行校验时,P0输出指令字节,P0外部电路则要接上拉电阻。
P1端口:P1口是8位双向I/O口,需要提供上拉电阻。当P1口被写入1后,其管脚被内部上拉到高电位,可用作输入口。而在外部电路中被下拉为低电平时,将输出电流,因为内部上拉的作用导致。
P2端口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,当P2口被写1时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入口。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出高8位地址;在访问8位地址的外部数据存储器时,P2口引脚上的内容,在访问期间内不会发生改变。
P3端口:内部自带8个上拉电阻的双向I/O口。可接收用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号,P3口输出缓冲器可吸收4个TTL逻辑门电路。
P3端口除了有内部常用的功能外,还可为AT89C52提供一些特殊功能口,如下所示：
P3口管脚复用功能
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
RST：复位接口。外接复位电路,复位默认高电平有效。
XTAL1：构成单片机内部时钟工作电路的输入端。
XTAL2：来自反向振荡器的输入端。
3、I/O口引脚：
a：P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）复用；
b：P1口，8位准双向I/O口；
c：P2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用；
d：P3口，8位准双向I/O口，双功能复用。
3系统整体硬件结构
3.1 系统整图
系统整图如图3-1所示，本系统采用外部中断方式，p0口作为液晶显示部分，p1口为电机的驱动部分，p3口作为信号的输入部分。
图3-1 系统整图
3.2 时钟部分
时钟电路是微计算机的核心,它控制着单片机CPU工作时的运行速度和性能。通常想让CPU的运行速度提高,可以选择提高时钟的频率,本次设计采用12MHz的晶振
频率。如图3-6。
图3-6 时钟部分电路
3.3 电源部分
利用电池盒或者电源头让步进电机得到5V的电压。如图3-2所示。
图3-2 5V电路部分
3.3 按键部分
按键设计部分用单片机的P3口来作控制信号的输入端,并用按键开关和P3口依次连接,用以下按键来控制功能。当要使电机正转时按下S1,P3.0口变为低电平;要使电机反转时按下S2,P3.1口变为低电平;停止时按下S3,P3.2口变为低电平,电机停止。加速时按下S4,P3.3口变为低电平,电机加速;减速时按下S5,P3.4口变为低电平,电机减速。如图3-3。
图3-3 按键部分电路
3.4 驱动部分
下图是步进电机的驱动电路,驱动芯片选用ULN2003来完成驱动的。通过ULN2003驱动芯片具有高耐压,能输出大电流的特点,弥补了单片机自身对电机提供控制信号的不足,加上ULN2003芯片其内部结构由7个硅NPN达林顿管组成,可以在5V的工作电压下与CMOS电路和TTL直接相连,处理数据。因此选择此款驱动芯片。如图3-4。
图3-4 驱动部分电路
3.5 状态指示部分
用LCD1602液晶显示屏电机状态,其显示内容包括步进电机的正转、反转、停止、转速信息。利用显示设备LCD1602液晶显示,既能清楚方便的了解步进电机工作所处的状态,又能达到控制目的。如图3-5。
图3-5 状态显示部分电路
4 系统软件设计
4.1 系统开发软硬件环境
现在众多的微型计算机中,在与51单片机相比之下,以不断创新52型STC系列的单片机为内核的出现,完善了一些51单片机的不足之处。国外单片机公司如:ATMEL、TI、ARM公司推出了52单片机的开发环境以适应其市场的需求。本次毕业设计选用微机芯片为STC系列的AT89C52单片机。
4.2 系统主程序
步进电机控制系统由五部分组成如：电机正转、电机反转、电机加速与电机减速、电机停止。其主程序运行框图如图4-1所示。
图4-1 主程序框图
程序开始执行，开始各I/O口的初始化，各功能按键的定义，分配单片机的各口位，然后LCD1602液晶屏显示。再看各功能键盘是否被按下，如果有功能按键被按下，步进电机做出相应的正转、反转、加速、减速和停止；并通过液晶屏显示步进电机的工作状态，一直循环。
4.3 按键部分
按键程序用于判断P3.0口与P3.1口的值,当p3.1口为低电平时,电机开始正转,当p3.1口为高电平时,继续判断p3.0口的值,如果此时p3.0口为低电平,则电机开始反转。当p3.2口为低电平,电机停止;当p3.3为低电平,电机开始加速,继续判断p3.4口的值,如果此时p3.4口值为低电平,则电机开始减速。如图4-2所示。
图4-2 按键部分流程图
系统初始化之后,通过扫描正转按键是否按下,来通过正转子程序给P1口送不同的十六进制值,根据电机相序通电的方法,使电机按预设相序依次转动。P1口的电机相序值分别为03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H,01H。流程图如图4-3所示。
图4-3 正转部分流程图
目录 摘要 (1) 1设计任务与要求 (2) 1.1设计目的 (2) 1.2设计要求和设计指标 (2) 2方案分析 (3) 3系统硬件部分 (4) 3.1主控模块 (4) 3.2键盘输入模块 (7) 3.3电机模块 (8) 3.4显示模块 (11) 4系统软件部分 (13) 4.1整体流程图及主程序 (13) 4.2按键流程图及程序 (14) 4.3显示模块程序 (19) 4.4电动机模块流程图及程序 (20) 4.5中断程序 (22) 5仿真运行 (24) 6心得体会 (25) 参考文献 (26) 附录一：Protues硬件仿真图 (27) 附录二：系统程序 (27)
摘要 步进电机在控制系统中具有很广泛的应用。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。 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步进电机件。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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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。 此次设计使用C语言作为编程语言。C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件、三维、二维图形和动画，具体应用例如单片机以及嵌入式系统开发。 硬件部分使用89C51作为主控芯片，并使用ULN2003A将单片机的信号放大以控制步进电机，同时使用4位数码管显示转动角度及次数。 关键词：步进电机C语言AT89C51 ULN2003A 转动角度
四相步进电机控制系 统设计
课题：四相五线单4拍步进制电动机的正反转控制专业：机械电子工程 班级：2班 学号： 20110259 姓名：周后银 指导教师：李立成 设计日期： 2014.6.9~2014.6.20 成绩：
1概述 本实验旨在通过控制STC89C52芯片，实现对四相步进电机的转动控制。具体功能主要是控制电机正转10s、反转10s，连续运行1分钟，并用1602液晶显示屏显示出来。 具体工作过程是：给系统上电后，按下启动开关，步进电机按照预先 实验具体用到的仪器：STC89C52芯片、开关单元、四项步进电机、等硬件设 备。 实验具体电路单元有：单片机最小系统、步进电机连接电路、开关连接电路、1602液晶显示屏显示电路。 2四相步进电机 2.1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。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。 2.2步进电机的控制 1.换相顺序控制：通电换相这一过程称为脉冲分配。 2.控制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，如果按反序通电换相，则电机就反转。
3.控制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。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。 2.3步进电机的驱动模块 ABCD四相工作指示灯指示四相五线步进电机的工作状态 2.4步进电机的工作过程 开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动， 1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，
1 绪论 1.1 引言 步进电动机一般以开环运行方式工作在伺服运动系统中，它以脉冲信号进行控制，将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移。步进电动机可以实现信号的变换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。由于其控制系统结构简单，控制容易并且无累积误差，因而在20世纪70 年代盛行一时。80 年代之后，随着高性能永磁材料的发展、计算机技术以及电力电子技术的发展，矢量控制技术等一些先进的控制方法得以实现，使得永磁同步电机性能有了质的飞跃，在高性能的伺服系统中逐渐处于统治地位。相应的，步进电机的缺点越来越明显，比如，其定位精度有限、低频运行时振荡、存在失步等，因而只能运用在对速度和精度要求不高，且对成本敏感的领域。 技术进步给步进电动机带来挑战的同时，也带来了新的发展遇。由于电力电子技术及计算机技术的进步，步进电动机的细分驱动得以实现。细分驱动技术是70 年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合性能的驱动控制技术。实践证明，步进电机脉冲细分驱动技术可以减小步进电动机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性等。由于电机制造技术的发展，德国百格拉公司于1973 年发明了五相混合式步进电动机，又于1993 年开发了三相混合式步进电动机。根据混合式步进电动机的结构特点，可以将交流伺服控制方法引入到混合式步进电机控制系统中，使其可以以任意步距角运行，并且可以显著削弱步进电机的一些缺点。若引入位置反馈，则混合式步进电机控题正是借鉴了永磁交流伺服系统的控制方法，研制了基于DSP的三相混合式步进电机驱动器。 1.2 步进电机及其驱动器的发展概况 按励磁方式分类，可以将步进电动机分为永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）三类，混合式步进电动机在结构和原理上综合了反应式和永磁式步进电动机的优点，因此混合式步进电动机具有诸多优良的性能，本课题的研究对象正是混合式步进电机。20 世纪60 年代后期，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。在近30 年间，步进电动机迅速的发展并成熟起来。从发展趋势来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。特别是混合式步进电动机以其优越的性能（功率密度高于同体积的反应式步进电动机50％）得到了较快的发展。其中，60 年代德国百格拉公司申请了四相（两相）混合式步进电动机专利，70 年代中期，百格拉公司又申请了五相混合式步进电动机
课程设计报告 题目步进电机正反转及调速 控制系统的设计 课程名称微机原理及应用 院部名称机电工程学院 专业电气工程及其自动化班级10电气1班 学生姓名管志成 学号1004103027 课程设计地点C304 课程设计学时20 指导教师李国利 金陵科技学院教务处制
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，具有快速启动能力,定位精度高，能够直接接受数字量，因此被广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、精确定位、计算机外围设备等，在现代控制领域起着非常重要的作用。 本设计基于Proteus 7.8设计环境，运用了8086 CPU芯片以及74273芯片、74244芯片和步进电机以及7位小功率驱动芯片ULN2003A、按钮、指示灯等辅助硬件电路，设计了步进电机正反转及调速系统。绘制软件流程图，进行了软件设计并编写了源程序，最后对软硬件系统进行联合调试。该步进电机的正反转及调速系统具有控制步进电机正反转的功能，还可以对步进电机进行调速，不同的按钮对应不同的速度，并且在没有速度按钮按下的时候，步进电机自动切换到停止状态。 关键词：步进电机；正反转；调速控制；ULN2003A芯片；8086微机系统
一、概述 1.1 课程设计的目的 (4) 1.2课程设计的要求 (4) 二、总体设计方案及说明 2.1 系统总体设计方案 (5) 2.2系统工作框图 (5) 三、系统硬件电路设计 3.1 Intel 8086 微处理器的简介 (6) 3.2 步进电机的原理 (7) 3.3 ULN2003A的简介 (8) 3.4 74154芯片简介 (9) 3.5 74LS273芯片简介 (10) 3.6 8086最小系统的设计 (11) 3.7 步进电机及其驱动电路的设计 (12) 3.8 电机状态显示电路的设计 (12) 3.9 输入采样电路的设计 (13) 3.10系统总电路图 (14) 四、系统软件部分设计 4.1 系统流程图 (15) 4.2 系统软件源程序 (16) 4.2.1电机绕组通电顺序设定 (16) 4.2.2 延时子程序设计 (16) 4.2.3 汇编源程序及说明 (16) 五、总结 5.1 系统软硬件的联合调试 (21) 5.2 问题分析和解决方案 (23) 5.3 心得与体会 (23) 六、参考文献 (23) 附录：总电路图 (25)
如对您有帮助，请购买打赏，谢谢您！ 引言 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。驱动器接收到一个脉冲信号后，驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。首先，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；其次，通过控制脉冲顿率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到涮速的目的。目前，步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，在机电一体化产品中应用广泛，常用作定位控制和定速控制。步进电机驱动电路常用的芯片有l297和l298组合应用、3977、8435等，这些芯片一般单相驱动电流在2 a左右，无法驱动更大功率电机，限制了其应用范围。本文基于东芝公司2008年推出的步进电机驱动芯片tb6560提出了一种步进电机驱动电路的设计方案 1步进电机驱动电路设计 1.1 tb6560简介 tb6560是东芝公司推出的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片。其主要特点有：内部集成双全桥mosfet驱动；最高耐压40 v，单相输出最大电流3.5 a(峰值)；具有整步、1／2、1／8、1／16细分方式；内置温度保护芯片，温度大于150℃时自动断开所有输出；具有过流保护；采用hzip25封装。tb6560步进电机驱动电路主要包括3部分电路：控制信号隔离电路、主电路和自动半流电路。 1.2步进电机控制信号隔离电路 步进电机控制信号隔离电路如图1所示，步进电机控制信号有3个(clk、cw、enable)，分别控制电机的转角和速度、电机正反方向以及使能，均须用光耦隔离后与芯片连接。光耦的作用有两个：首先，防止电机干扰和损坏接口板电路；其次，对控制信号进行整形。对clk、cw信号，要选择中速或高速光耦，保证信号耦合后不会发生滞后和畸变而影响电机驱动，且驱动板能满足更高脉冲频率驱动要求。本设计中选择2片6n137高速光耦隔离clk、cw，其信号传输速率可达到10 mhz，1片tlp521普通光耦隔离enable信号。应用时注意：光耦的同向和反向输出接法；光耦的前向和后向电源应该是单独隔离电源，否则不能起到隔离干扰的作用。 1.3步进电机主电路 如图2所示，步进电机主电路主要包括驱动电路和逻辑控制电路两大部分。 驱动电路电源采用28 v，电压范嗣为4.5～40 v，提高驱动电压可增大电机在高频范围转矩的输出，电压选择要根据使用情况而定。vmb、vma为步进电机驱动电源引脚，应接入瓷片去耦电容和电解电容稳压。out_ap、out_am、out_bp、out_bm 引脚分别为电机2相输出接口，由于内部集成了续流二极管，这4个输出口不用
摘要 进步电机是几点数字控制系统中常用的控制元件之一。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中得到广泛的应用。 步进电机是机电控制中一种常见的执行机构。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。他易于实现与计算机或其他数字元件接口，适用于数字控制系统。
1 课程设计任务和要求 课程设计任务 设计一个三相步进电机控制系统，设计一个计算机步进电机程序控制系统，可以对步进电机的转速、转向以及位置进行控制。通过设计，掌握步进电机的工作原理、掌握步进电机控制系统的设计原理、设计步骤，进一步提高综合运用知识的能力。 要求完成的主要任务: （1）设计接口电路和驱动电路，对步进电机进行控制。 （2）选择控制算法，编写控制程序，实现三相步进电机在双三拍工作方式下先正转90度，然后再反转60度，要求其速度可调，转向可控。 （3）写出设计说明书。 课程任务要求 （1）查阅资料，确定设计方案 （2）选择器件，设计硬件电路，并画出原理图和PCB图 （3）画出流程图，编写控制程序 （4）撰写课程设计说明书 2 步进电机的概述 2.1 步进电机的特点 1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2）步进电机外表允许的温度高。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。 3）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。 4）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
黄冈职业技术院 系别:04 机电工程系 专业: 应用电子 班级:二班 设计者:戴久志、邓修海、徐凯 指导老师: 温锦辉 设计课题: 液晶8279步进电机系统 设计时间: 二00七年六月二十号
步进电机控制电路设计 1、系统基本方案 根据设计要求，步进电机控制电路可以分为控制模块、显示模块、电源模块、键盘模块、电机驱动模块、步进电机部分。步进电机控制电路基本模块方框图如图1.1所示。 2、系统硬件设计与实现 2．1、步进电机介绍 随着工业技术的不断进步，在自动化控制、精密机械加工、航空航天技术及所有要求高精度定位等高新技术领域，步进电机的得到了广泛的应用。步进电机是一种将脉冲信号转化为角位移的执行机构。若在其输入端加入有规律的脉冲信号,就能驱动步进电机按设定的方向移动一定的距离或转动一个角度（称为“步距角”）。从结构上步进电机分为单相、双相、三相、四相、五相、六相等多种。本次设计使用步进电机分为A、B、C、D四相绕组，每相通电一次称为一拍。四相步进电机根据不同的通电规律可分为几种工作模式： ⑴、四相单四拍：A-B-C-D； ⑵、四相双四拍：AB-BC-CD-DA； ⑶、四相单八拍：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA； ⑷、四相双八拍：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DA-DAB。 步进电机的正反转与电机每相的通电顺序有关，可以改变相序来改变电机的正反转。步进电机每步所旋转角度的大小，称为步距角（βB）。它是由电机本身转子的齿数（Z R）。
一个通电循环内通电节拍数（M Q）决定的。即βB=360/ Z R M Q。电机出厂的步距角是固定的。四相步进电机的步距角为0.90/1.80(表示半步工作时为0.90，整步工作时为1.80)。步进电机转速的高低与控制脉冲频率有关。改变控制脉冲频率，可改变电机转速。 2．2、步进电机驱动模块 步进电机的驱动电路采用常用的电动机驱动芯片L298，它能够接受标准的TTL电平控制信号，驱动电机。L298操作时能提供的电压能达到46V，直流电流4A，具有过热保护功能，逻辑“0”的输入电压达到1.5V。L298在控制器的控制下驱动一个步进电动机，控制器产生L298年需的控制信号，以控制步进电机的运动状态。为了防止定子绕组的电感作用，使得电流切换时产生过电压，步进电机每相绕组两端都须并联一个用天在换相时起续流作用的肖基特二极管。步进电机驱动电路原理图如图2.2.1所示。
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
步进电机控制器设计报告 1.绪言 在本次EDA课程设计中，我们组选择了做一个步进电机驱动程序的课题。对于步进电机我们以前并未接触过，它的工作原理是什么，它是如何工作的，我们应该如何控制它的转停，这都是我们迫切需要了解的。 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。 步进电机及驱动电源是互相联系的整体。步进电机驱动电源框图如图1所示。变频信号源产生频率可调的脉冲信号，调节步进电机的速度。脉冲分配器则根据要求把脉冲信号按一定的逻辑关系加到脉冲放大器上，使步进电机按确定的运行方式工作。 感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG 为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG 、110BYG 、（国际标准），而像70BYG 、90BYG 、130BYG 等均为国内标准。 1.1 驱动控制系统组成 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。 1.1.1 脉冲信号的产生 脉冲信号一般由单片机或CPU 产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4 左右，电机转速越高，占空比则越大。 1.1.2 信号分配 感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为，步距角为1.8 度；二相八拍为，步距角为0.9 度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB，步距角为1.8 度；四相八拍为 AB-B-BC-C-CD-D-AB，(步距角为0.9 度）。
课程设计 课程名称微型计算机控制技术 题目名称步进电机角度控制（1） 学生学院自动化学院 专业班级自动化（4）班 学号 学生姓名 指导教师 2012 年 6 月26 日
一、系统设计说明 1.硬件设计 本次设计要求通过键盘按键实现对步进电机的转动次数和每次转动的角度的控制，并通过数码管显示出来。 本方案中通过按键对步进电机的转动角度进行设定，给各个按键设置不同的键值。按下按键时，给8255A一个信号设定步进电机下一步的动作。8086通过8255A的数据总线读取该信号，并作出反应，通过给8255A一系列的指令驱动其工作，从而驱动步进电机和LED 显示器 2.软件设计 3.显示模块设计说明： 为使显示程序具有通用性和灵活性，在8086内设置一个显示缓冲区，显示缓冲区的每个单元与LED的各位一一对应。当主程序需要显示，只需将要显示的字符送入显示缓冲区，然后调用显示子程序。显示子程序的任务则是逐一取出显示缓冲区中的字符、查字形表转换成相应字型码，然后通过字段口输出显示。显示模块是用四位七段数码管来显示转动次数和每次转动的角度。给八个按键设置不同的子程序，当按下按键时，根据事先设定好的各个按键对应的转动角度的值输出到数码管进行显示。 步进电机模块设计说明： 在此设计中，采用的是八拍步进电机。步进电机控制程序就是完成环形分配器的任务，从而控制电动机的转动，以达到控制转动角度和位移的目的。控制模型可以以立即数的形式一一给出。对于步进电机模块的程序设计采用循环程序设计方法。先把转动的次数和角度的控制模型存放在内存单元中，然后再逐一从单元中取出控制模块并输出。首先启动，按下按键选择步进电机的角度，然后读入转动的控制模型驱动步进电机转动。 二、程序设计流程图
毕业设计论文 论文题目：基于单片机的步进电机控制电路板设计 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IO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；同时，用 4个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。 系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括AT89C51单片机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动（集成达林顿ULN2003）模块、数码显示（SM420361K数码管）模块、测速模块（含霍尔片UGN3020）6个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上，对速度进行实时监控显示。软件采用在Keil软件环境下编辑
************* 第1章绪论 1.1 课题背景 当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。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。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品（打印机、照相机、雕刻机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。控制核心采用C51芯片，它以其独特的低成本，小体积广受欢迎，当然其易编程也是不可多得的优点为此，本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统，可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。 1.2 设计目的及系统功能 本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用AT89C51作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。 1
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
文理学院芙蓉学院课程设计报告 课程名称：专业综合课程设计 专业班级：自动化1001班学号：40 学生：志航 指导教师：建英 完成时间： 2013年 6月13 日 报告成绩： 芙蓉学院教学工作部制
摘要 本文先介绍了混合式步进电机的结构和工作原理，分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用，论述了正弦波细分驱动可以实现等步距角、等力矩均匀细分驱动的原理，提出了一种基于H桥和其他分立元件分配脉冲的驱动技术，该方案可实现步进电机的单拍、半拍、双拍三种工作方式。本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、液晶显示电路组成，单片机是控制系统的核心。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍。 关键词：单片机；正弦脉宽调制；混合式步进电机；细分驱动
Abstract In this paper, the working principle and configuration of three-phase hybrid Stepper are introduced, then based on technologies such as stepper motor controller, PWM inverter and microcontroller. In the thesis, we develop a single chip computer -based digital controlling system for a three-phase hybrid stepper motor that is mainly constructed from a AT89C51 single chip computer and ST7920IC which is used as the core of control parts. The system's whole architecture, the design of hardware and software are introduced in detail. KEY WORDS: Microcontroller，SPWM，Hybrid stepper motor，Micro-stepping driver
河北xxxxxx学院 课程设计说明 书 题目：步进电机控制系统 学院（系）： 年级专业： 学号： 学生姓名： 同组学生： 指导教师：
步进电机控制系统 设计者：xxxxx 指导老师：xxxx 1摘要： 由于步进电机自身的特点、不需要位置、速度等信号反馈，只需要脉冲发生器产生足够的脉冲数和合适的脉冲频率，就可以控制步进电机移动的距离和速度。步进电机的运转方向的控制为输入电机各绕组的通电顺序。例如，一个三相步进电机的通电顺序为：a—ab—b—bc—c—ca—a--.....，此时点击正转，若通电顺序改为：a—ac—c—cb—b—ba—a--.....时点击反转。既可以通过改变环形分配器的脉冲输出顺序，也可以通过编程改变输出脉冲的顺序，来改变输入到各绕组的通电顺序，达到控制电击方向的目的。 关键词：步进电机 PLC 步进电机驱动器 引言步进电机是一种常用的电气执行原件，一种多相或单相同步点击，在数控机床、包装机械等自动控制及检测仪表等方面得到广泛运用。随着plc的不短发展。其功能越来越强大，除了有简单的逻辑功能和顺序控制外，运算功能的加入、pid和各类高速指令、使得plc对复杂和特殊系统的控制应用更加广泛。Plc与数控技术的结合产生了各种不同类型的数控设备。 2 任务与要求 (1) 了解步进电机的原理 (2) 熟练使用PLC控制步进电机，了解步进电机驱动器原理 3 装置原理介绍 3.1控制系统功能框图 在步进电机控制系统中，首先控制步进电机使之稳步启动，然后高速运动，接近制定位置时，减速之后低速运动一段时间，在准确地停在预定的位置上，最后步进电机停留2s后，按照前进时的加速—高速—减速—低速的步骤返回到起始点，其运动状态转换过程平稳，其功能框图如图3.1所以，其简单工作过程如图3.2所示。 由于步进电机本身的结构特性决定了它要实现高速运转必须有加速过程，如果在启动时突然加载高频脉冲，电机会产生啸叫、失步甚至不能启动，在停止阶段也是这样，当高频脉冲突然降到零时，电机会产生啸叫和振动，所以在启动和停止时，都必须有一个加速和减速过程。 3.2步进电机控制系统硬件设计 由于步进电机的硬件结构特性，所以对输入的脉冲的频率有所限制，对于低频的脉冲输出时，plc可以利用定时器来完成。若要求步进电机的速度较快时，就需要用plc的高速脉冲输出指令，这时就需要在程序中设置相应的步骤来完成对步进电机的控制。 3.21 组建器材 （1）主机plc 根据系统的控制要求，采用三菱FX系统系列的plc作为控制器。（2）限位开关此系统中共用了两个限位开关：左限位开关和右限位开关。这两个限位开关的作用是控制物体的位置，防止物体超出合理的工作范围。 （3）步进电机步进电机是该系统的执行机构
两相步进电机驱动器设计 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法与驱动技术简介 (3) 第2章设计方案 (5) 2.1 步进电机的介绍 (5) 2.2 步进电机的特点 (6) 2.3 步进电机的分类 (6)
2.4步进电机运动特性及性能参数 (7) 2.5 设计方案的确定 (8) 2.6 设计思想与设计原理 (9) 第3章单元电路的设计 (9) 3.1方波产生电路设计 (9) 3.2 信号的分配 (13) 3.3功率放大电路设计 (15) 3.4 总体设计 (16) 第4章设计方案的论证 (18) 第5章心得体会 (18) 第6章参考文献 (19) 第1章 1.1 引言 步进电动机一般以开环运行方式工作在伺服运动系统中，它以脉冲信号进行控制，将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移。步进电动机可以实现信号的变换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。由于其控制系统结构简单，控制容易并且无累积误差，因而在20世纪70 年代盛行一时。80 年代之后，随着高性能永磁材料的发展、计算机技术以及电力电子技术的发展，矢量控制技术等一些先进的控制方法得以实现，使得永磁同步电机性能有了质的飞跃，在高性能的伺服系统中逐渐处
于统治地位。相应的，步进电机的缺点越来越明显，比如，其定位精度有 限、低频运行时振荡、存在失步等，因而只能运用在对速度和精度要求不 高，且对成本敏感的领域。技术进步给步进电动机带来挑战的同时，也带 来了新的发展遇。由于电力电子技术及计算机技术的进步，步进电动机的 细分驱动得以实现。细分驱动技术是70 年代中期发展起来的一种可以显 著改善步进电机综合性能的驱动控制技术。实践证明，步进电机脉冲细分 驱动技术可以减小步进电动机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控 制的灵活性等。由于电机制造技术的发展，德国百格拉公司于1973 年发 明了五相混合式步进电动机，又于1993 年开发了三相混合式步进电动机。 根据混合式步进电动机的结构特点，可以将交流伺服控制方法引入到混合 式步进电机控制系统中，使其可以以任意步距角运行，并且可以显著削弱 步进电机的一些缺点。若引入位置反馈，则混合式步进电机控题正是借鉴 了永磁交流伺服系统的控制方法，研制了基于DSP的三相混合式步进电机驱 动器. 1.2 步进电机常见的控制方法与驱动技术简介 1.2.1常见的步进电机控制方案 1、基于电子电路的控制 步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图1.1所示。 脉冲控制器 功 率 放 大 驱 动 电 路 环 形 分 配 器 步 进 电 机
课程设计任务书 设计题目：微机步进电机控制系统设计 设计目的： 1.巩固和加深课堂所学知识； 2.学习掌握一般的软硬件的设计方法和查阅、运用资料的能力； 3.通过步进电机控制系统设计与制作，深入了解与掌握步进电机的运行方式、方向、速 度、启/停的控制。 设计任务及要求：（在规定的时间内完成下列任务） 任务：控制四相步进电机按双八拍的运行方式运行。按下开关SW1时启动步进电机，按ESC键停止工作。采用循环查表法，用软件来实现脉冲循环分配器的功能 对步进电机绕组轮流加电。 要求对题目进行功能分析（四项功能：快速顺时针旋转，慢速顺时针旋转， 快速逆时针旋转和慢速逆时针旋转），进行步进电机远程控制系统硬件电路设 计，画出电路原理图、元器件布线图、实验电路图；绘制程序流程图，进行 步进电机控制程序设计（采用8086汇编语言）；系统调试、运行，提交一个 满足上述要求的步进电机控制系统设计。 时间安排：(部分时间,某些工作可以自己安排重叠进行) 具体要求：设计报告撰写格式要求（按提供的设计报告统一格式撰写）， 具体内容如下： ①设计任务与要求②总体方案与说明 ③硬件原理图与说明④实验电路图与说明 ⑤软件主要模块流程图 ⑥源程序清单与注释 ⑦问题分析与解决方案（包括调式记录、调式报告，即在调式过程中遇到的主要问 题、解决方法及改进设想）； ⑧小结与体会 附录：①源程序（必须有简单注释）②使用说明③参考资料 指导教师签名：08 年12 月01 日 教研室主任（或责任教师）签名：年月日
目录 第1章需求分析 (1) 1.1课程设计题目 (1) 1.2步进电机介绍 (1) 1.3课程设计任务及要求 (1) 1.4软硬件运行环境及开发工具 (1) 第2章概要设计 (2) 2.1设计原理及实现方法 (2) 2.1.1 步进电机控制原理 (2) 2.1.2微机步进电机控制系统原理图 (2) 2.1.3 运行方式与方向的控制——循环查表法 (3) 2.1.4步进电机的启/停控制——设置开关 (4) 2.2微机步进电机控制系统设计流程图 (4) 第3章详细设计 (5) 3.1 硬件设计与实现 (5) 3.2软件设计 (5) 3.2.1正向慢转子程序 (5) 3.2.2正向快转子程序 (6) 3.2.3反向慢转子程序 (6) 3.2.4反向快转子程序 (6) 3.2.5长延时子程序 (7) 3.2.6短延时子程序 (7) 第4章系统调试与操作说明 (7) 4.1系统调试 (7) 4.2 操作说明 (8) 第5章课程设计总结与体会 (8) 参考文献 (9) 附录微机步进电机控制系统源程序 (9)