2013届分类号：TM383.6
单位代码：10452
毕业论文（设计）
基于单片机的步进电机控制系统设计
姓名
学号
年级
专业电气工程及其自动化
系（院）汽车学院
指导教师
2013年4月26日
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：单片机；步进电机；调速系统
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.
Keywords：Step-by-step electric motor; Monolithic machine;Speed regulation system
目录
1绪论 (1)
2步进电机概述 (1)
2.1步进电机的特点 (1)
2.2步进电机的工作原理 (2)
2.3步进电机的技术参数 (2)
2.3.1步进电机的静态指标术语 (2)
2.3.2步进电机动态指标及术语 (2)
2.4步进电机的分类 (3)
2.5步进电机的内外结构 (4)
3步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 (4)
3.1常见的步进电机控制方案 (4)
3.1.1基于电子电路的控制 (4)
3.1.2基于PLC的控制 (5)
3.1.3基于单片机的控制 (5)
3.2步进电机驱动技术 (6)
4 方案的论证 (7)
4.1控制方式的确定 (7)
4.2驱动方式的确定 (8)
4.3驱动电路的选择 (9)
4.4基本方案的确定 (9)
5硬件电路的设计 (10)
5.1单片机的选择 (10)
5.1.1单片机的引脚功能 (10)
5.1.2 主要特性 (11)
5.2 步进电机的选择 (12)
5.2.1 三相单三拍通电方式 (13)
5.2.2 三相双三拍通电方式 (13)
5.3驱动电路的选择 (15)
5.4显示电路与键盘的选择 (17)
5.5反馈电路的选择 (19)
5.5.1光电编码器原理 (20)
6软件的设计 (21)
6.1显示子程序的设计 (21)
6.2键盘子程序的设计 (22)
6.3驱动程序流程的设计 (23)
6.4正反转程序流程图 (24)
6.4.1正反转程序流程图 (24)
6.4.2转速快慢程序流程图 (25)
6.4.3定时中断流程图 (26)
7结论 (27)
附录 (28)
参考文献 (37)
致谢 (38)
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。
2步进电机概述
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%，且不积累。
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。
在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机高速转动，脉冲频率应该有加速
过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频。
2.2步进电机的工作原理
步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相位移的电机，其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比，每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电机运转的速度。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。
2.3步进电机的技术参数
2.3.1步进电机的静态指标术语：
1）相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。
2）拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，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。
3）步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度/（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。
4）定位转矩：电机在不通电状态下，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）
5）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。2.3.2步进电机动态指标及术语：
1）步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
2）失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。
3）失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
4）最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
5）最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
6）运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。
7) 电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。
8)电机正反转控制：当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转。
2.4步进电机的分类
步进电机分为三大类:
1)反应式步进电机：反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。
2)永磁式步进电机：永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步进角比较大，它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小（相比反应式），但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。
3)混合式步进电机：混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运
动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。
2.5步进电机的内外结构
步进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如2.1图所示：
2.1定子展开图
电动机定子铁心和一般电机一样由硅钢片叠成，铁心内孔表面有开口槽。转子装有一个轴向磁化永磁体用以产生一个单向磁场。永磁体产生的磁通，在每一个气隙圆周上都是单方向通过气隙的，这时作用在气隙中的磁势是同极性的，称为单极磁势。而转子包括两段，一段经永磁体磁化成N 极，另一段磁化为S 极，每段转子齿以一个齿距间隔均匀分布，但两段转子的齿相互错开1/2 个转子齿距。
3步进电机常见的控制方案与驱动技术简介
3.1常见的步进电机控制方案
3.1.1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3.1所示。
图3.1 基于电子电路控制系统
脉冲控制器环形分配器功率放大
驱动电路
步进电机
此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。
3.1.2基于PLC的控制
PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。
采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。
3.1.3基于单片机的控制
采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。
本方案有以下优点：1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；2)用软件代替环形分配器，通过对单片
机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。
基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。
3.2步进电机驱动技术
步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。
单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低；缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。
高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。
为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。
为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而避免产生明显的振荡。
当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。
细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。比如：电流分成n个台阶，转子则需要n次才转过一个步距角，即n细分，细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩：其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步迸电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。
4 方案的论证
4.1 控制方式的确定
步进电机控制是比较精确的，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的CP脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。
系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定时。
延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的CP脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是CP脉冲的周期，该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行。但占用CPU时间长，不能在运行时处理其他工作，因此只适合较简单的控制过程。
定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出CP脉冲的周期。当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序。将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。由于从定时器装载完重新启动开始至定时器申请中断止，有一定的时间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误差，实现精确定时，要对重装的计数初值作适当的调整。
调整的重装初值主要考虑两个因素一是中断响应所需的时间，二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值前中断服务程序重的其他指令因。综合这两个因素后，重装计数初值的修正量取8个机器周期，即要使定时时间缩短8个机器周期。用定时中断方式来控制电动机变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小。在控制过程中，采
用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就
把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的ROM中，系统在运行中用查表法查出所需的装载值，这样可大幅度减少占用CPU的时间，提高系统的响应速度愿大多数步进电机运动控制系统都运行在开环状态下，因为成本较低，并可提供运动控制技术固有的位置控制，无须反馈。但是，在某些应用中，需要更多的可靠性、安全性或产品质量的保证，因此，闭环控制也是一种选择。以下是一些实现步进电机闭环控制的方法：
1) 步进确认，这是最简单的位移控制，使用一个低值的光学编码器计算步进移动的数量。一个简单的回路与指令校验的步进电机比较，验证步进电机移动到预计的位置；
2) 反电动势，一种无传感器的检测方法，使用步进电机的反电动势信号，测量和控制速度。当反电动势电压降至监测探测水平时，闭环控制转为标准开环，完成最终的位移移动。
3）全伺服控制，指全时间的使用反馈设备，用于步进电机--编码器、解码器、或其它反馈传感器上，从而更为精确地控制步进电机位移和转矩。
其它的方法包括各种不同的反电动势控制电机参数测量和软件技术，一些制造企业都会使用这些方法。这里，步进驱动监控和测量电机线圈，使用电压额电流信息提高步进电机控制。正阻尼使用这一信息阻挡振动的速度，产生更多的可用的转矩输出，降低转矩的机械振动损耗。无编码器安装监测采用信息检测同步速度的损耗。
传统步进电机控制通常采用反馈设备和非传感方法，是有效的实现带有安全需求、危险状况或高精确度要求的运动应用的方法。
大多数基于步进电机的系统，一般都运行在开环状态下，这样可提供一个低成本的方案。事实上，步进系统可提高位移控制的性能，且不需要反馈。但是，当步进电机在开环时运行，在命令步幅和实际步幅之间会有同步损耗的可能。
闭环控制，是传统步进控制的一个部分，能有效地提供更高地可靠性、安全性或产品质量。在这些步进系统中，反馈设备或间接参数传感方法的闭环能进行校正或控制失步、监测电机停滞，以及确保更大的可用转矩输出。近期，步进电机的闭环控制（CLC）还能帮助执行智能分布运动架构。然而，开环操作会有失步的风险，这将产生定位失误。但与伺服系统中使用的编码器相比，闭环步进电机采用的编码器成本更低。故选择闭环
控制。
4.2 驱动方式的确定
步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过CPU直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动；别一种是通过CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。固本次设计应采用CPU间接驱动步
进电机。用编码器的测速发电机作为转速测量工具，因为选择了闭环控制，就必须有反
馈元件，反馈元件一般有两种，一种是采用同轴的测速发电机，把步进电机的转速反馈回来，然后通过显示器显示出来并对步进电机进行调节；别一种是通过光同轴的电编码器把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调节；两者相比，后者的设计比较简单，
价格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光电骗码器作为反馈元件。
4.3 驱动电路的选择
步进电机的驱动电机有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。单电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。它的最大特点是结构简单，因它的工作效率低，特别是在高频下更显的突出。它的外接电阻R要消耗相当一部分的热量，这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。双电压驱动是电路一般采用两种电源电压来驱动，因这两个电源分别是一个为高压一个为低压，因此也称为高低压驱动电路。双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降。不宜于电机的正常运行。对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定期额定电流和减少时间常数。但由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声。细分驱动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转动一步，一般会根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕阻会轮流切换，固可以使步进电机的转子旋转。细分控制的电路一般分为两类，一类是采用线性模拟功率放大器的方法获得阶梯形电流，这种方法简单，但效率低。别一种是用单片机采用数子脉宽调制的方法获得阶梯电流，这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。但因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的调节范围比
较广，固应选用驱动芯片8713来驱动，并通过软件来实现步进电机的调速。
4.4 基本方案的确定
因本次设计的要求，选用三相三拍步进电机，单片机选用89C51作为控制器。选取用8279来驱动显示和键盘。选用8713作为步进电机的驱动芯片并通过光电耦合来驱动步进电机。然后由于步进电机同轴的光电编码器作为反馈元件，并把反馈回的信号经CPU 处理后再由显示器显示出来。但由键盘输入的速度数值了得通过显示器来显示，固本次设计要两排显示，一排来显示给定的转速一排来显示实际的转速。系统原理框图如4.1所示：
键盘
8279
显示器
AT89C51 8713 光电耦合三相步
进电机
光电编码器
图4.1系统原理框图
5硬件电路的设计
5.1 单片机的选择
本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片．89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上．使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
5.1.1单片机的引脚功能:
单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作。在它的内部有一个时钟产生路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。
1）VCC (40): 电源+5V
2) VSS（20）：接地，也就是GND
3）XTL1（19）和XTL2（18）：振荡电路
4）PSEN（29）：片外ROM选通信号，低电平有效。
5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端
6）RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端
7)EA/VPP(31):内外部ROOM选通端
8）P0口（39-32）：双向I/O口
9) P1口(1-8):准双向通用I/0口
10) P2口（21-28）：准双向I/0口。原理图如5-1所示：
图5.1 AT89C51的引脚图
5.1.2 主要特性：
1)CPU与MCS-51兼容；
2）4K字节可编程闪烁存储器；
3)全静态工作：0Hz-24Hz；
4)三级程序存储器保密锁定；
5）128*8位内部RAM；
6）32条可编程I/O线；
7）两个16位定时器/计数器；
8）6个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电
路
振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，
直到下一个硬件复位为止。
5.2 步进电机的选择
因本次设计的要求，步进电机的应选用三相三拍的步进电机，关于步进电机的具体说明如下；
反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而
转动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反应式步进电动机为例说
明其工作原理。
图5.2是一台三相反应式步进电动机的原理图定子铁芯为凸极式共有三对六个磁极每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组转子用软磁性材料制成也是凸极结构只有四个
齿齿宽等于定子的极靴宽下面通过几种基本的控制方式来说明其工作原理。
图5.2三相反应式步进电动机的原理图
5.2.1 三相单三拍通电方式
当A 相控制绕组通电，其余两相均不通电，电机内建立以定子A 相极为轴线的磁场。由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，使转子齿1、3 的轴线与定子A 相极轴线对齐，若A相控制绕组断电B相控制绕组通电时，转子在反应转矩的作用下，逆时针方向转过30°使转子齿2、4 的轴线与定子B 相极轴线对齐，即转子走了一步。若再断开B相使C相控制绕组通电，转子又转过30°使转子齿1、3 的轴线与定子C相极轴线对齐。如此按A-B–C-A 的顺序轮流通电，转子就会一步一步地按逆时针方向转动，其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序若按A-C-B-A 的顺序通电，则电机按顺时针反方向转动。
上述通电方式称为三相单三拍运行，“三相”是指三相步进电动机，“单”是指每次只有一相控制绕组通电，控制绕组每改变一次通电方式称为一拍，三拍是指经过三次改变通电方式为一个循环，我们称每一拍转子转过的角度为步距角。三相单三拍运行时的步距角为30度。
5.2.2 三相双三拍通电方式
控制绕组的通电方式为AB-BC-CA-AB 或AB-CA-BC-AB 每拍同时有两相绕组通电三拍为一个循环，当A B 两相控制绕组同时通电时转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A 相极和B 相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡才是转子的平衡位置，可见双三拍运行时的步距角仍是30°，但双三拍运行时每一拍总有一相绕组持续通电，例如由A B 两相通电变为B C 两相通电时，B 相保持持续通电状态C 相磁拉力使转子逆时针方向转动，而B 相磁拉力却起有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电机工作比较平稳，而在三相单三拍运行时由于没有这种阻尼作用，所以转子达到新的平衡位置容易产生振荡稳定性不如双三拍运行方式。三相双三拍运行方式AB相与BC相导通的结构如图5.3所示：
(A)AB 相导通 (B)BC 相导通
图5.3 三相双三拍运行方式
在分析步进电动机动态运行时，不仅要知道某一相控制绕组通电时的矩角特性，而
且要知道整个运行过程中各相控制绕组通电状态下的矩角特性，即所谓矩角特性族以三
相单三拍的通电方式为例，若将失调角θ的坐标轴统一取在A 相磁极的轴线上，显然A
相通电时矩角特性如图5.4中曲线A 所示稳定平衡点为O ，点B 相通电时转子转过1/3
齿距相当于转过2π/3 电角度，它的稳5.4中曲线C ，这三条曲线就构成了三相单三拍
通电方式时的矩角特性族总之矩角特性族中的每一条曲线依次错开一个用电角度表示
的步矩角SE θ
N Z s r SE π
θθ2==
同理可得到三相单双六拍通电方式时的矩角特性族如图5.5与稳定响应曲线5.6
所示：
图5.4三拍时的矩角特性族
图5.5六拍时的矩角特性族
5.6稳定响应曲线
5.3驱动电路的选择
因从CPU输出的脉冲信号特别小，固应先经过PWM8713脉冲分配器对脉冲进行分配并经过放大然后再经过光耦驱动来驱动步进进电机。
PWM8713芯片介绍如下:PWM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。该器件采用DIP 16封装，适用于三相或四相步进电机。PWM8713在控制三相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式(1相励磁，2相励磁，3相励磁三种励磁方式之一)，每相最小的拉电流和灌电流为20mA，它不但可满足后级功率放大器的要求，而且在所有输人端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强。在PWM8713的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。PWM8713有两种脉冲输人法:双脉冲输人法和单脉冲输人法。
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，
南京XX大学 指导老师：张X 课程设计基于51单片机的步进电机控制 机械电子工程学院 测控技术与仪器 XXXXX Xxx 2012年1年4日
步进电机控制系统 ［摘要］本课程设计的内容是利用51单片机，达到控制步进电机的启 动、停止、正转、反转、两档速度和状态显示的目的，使步进电机控制更加灵活。步进电机驱动芯片采用ULN2803，ULN2803具有大电流、高电压，外电路简单等优点。利用四位数码管增设电机状态显示功能，各项数据更直观。实测结果表明，该控制系统达到了设计的要求。 关键字：步进电机、数码管、51单片机、ULN2803 一步进电机与驱动电路 1.1 什么是步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。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；同时也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。 1.2 步进电机的种类 步进电机分永磁式（PM）、反应式（VR）、和混合式（HB）三种。永磁式步进一般为两相，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。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。 1.3 步进电机的特点 1．精度高一般的步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。可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，这是步进电动机最突出的优点 2．过载性好其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合； 3．控制方便步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算
我上周刚做的这个实验成功拉，给你参考一下吧这可是我当时辛辛苦苦编出来的啊，不过我用的是L298驱动的和ULN2003一样，你把它换成2003就行拉 #include
for(j=200;j>0;j--); temp=P3; temp=temp&0x0f; if(temp!=0x0f) { temp=P3; temp=temp&0x0f; switch(temp) { case 0x0e: key=1; break; case 0x0d: key=2; break; case 0x0b: key=3; break; case 0x07: key=4; break; } temp=P3;
temp=temp&0x0f; while(temp!=0x0f) { temp=P3; temp=temp&0x0f; } } } P3=0xff; P3_5=0; temp=P3; temp=temp&0x0f; if(temp!=0x0f) { for(i=50;i>0;i--) for(j=200;j>0;j--); temp=P3; temp=temp&0x0f; if(temp!=0x0f) { temp=P3; temp=temp&0x0f; switch(temp)
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
基于51单片机的步进电机控制系统设计 中文摘要 步进电机是一种受脉冲信号控制，并且能将脉冲信号转化为相应的角位移或者线位移的数字电动机。由于步进电机具有步距误差不积累、运行可靠、结构简单、惯性小、成本低等优点，因此，被广泛使用于计算机外围电路、自动化控制装置以及其他的数字控制装置中，如打印机、钟表、数模转换设备等装置中。随着科学技术的快速发展，相应的控制系统也产生了很多种类，步进电机的身影在众多领域中可以看到。其中采用单片机作为控制核心的控制系统，由于其电路简单、成本低、可靠性强等优点，满足众多领域的需求，得到了大量的运用。因此，研究基于单片机的步进电机控制系统，具有重要的现实意义。本设计研究的是基于51单片机对步进电机的控制系统。通过单片机的I/O端口输出时序方波作为控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动芯片驱动步进电机进行不同的指令进行工作。根据不同的需要，通过按键电路来控制步进电机的启停、正反转和加减速等功能，并在数码管上实时显示步进电机的工作状态。本文给出了电路各个模块的电路图，并用Proteus的ISIS软件对控制系统的各个功能进行了仿真，并给出了相应的仿真结果图像。 关键词：单片机；步进电机；电机驱动；控制系统
Abstract Stepper motor controlled by a pulse signal, and a pulse signal can be converted to the corresponding angular displacement or linear displacement of the digital motor. As the stepper motor has a step error does not accumulate, reliable, simple structure, small inertia, low cost, and therefore, are widely used in computer peripheral circuits, automatic control devices and other digital control devices, such as printers, watches and clocks , digital to analog conversion equipment, and other devices. With the rapid development of science and technology, the corresponding control system also produced many types of stepper motor figure can be seen in many areas. Which uses microcontroller as the control of the control system, because of its simple circuit, low cost, high reliability, etc., to meet the needs of many fields, we get a lot of use. Therefore, based on single-chip stepper motor control system has important practical design study is 51 single-chip stepper motor control system. As a control signal, the signal through the chip ULN2003 stepper motor drive to work through the microcontroller I / O port output timing square wave. Depending on the need, through the key circuit to control the start and stop, reversing and ramp functions such as stepper motors, stepper motors in real-time display and digital working condition. In this paper, the circuit diagram of each module, and with the ISIS Proteus software for each function control system simulation, and the simulation results are given corresponding image. Key words: microcontroller; stepper motor; motor drive; control system
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。
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.
单片机原理及系统课程设计 1 引言 步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。 随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。 步进电机的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。 1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，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。
2 设计方案与原理 4.1 设计方案 设计一个51单片机四相步进电机控制系统要求系统具有如下功能： （1）由I/O口产生的时序方波作为电机控制信号； （2）信号经过驱动芯片驱动电机的运转； （3）电机的状态通过键盘控制，包括正转，反转，加速，减速，停止和单步运行。 4.2 设计原理 步进电机实际上是一个数字\角度转换器，也是一个串行的数\模转换器。步进电机的基本控制包括启停控制、转向控制、速度控制、换向控制4个方面。从结构上看,步进电机分为三相、四相、五相等类型,本次设计的是四相电机。四相步进电机的工作方式有单四拍、双四拍和单双八拍三种。 在本次设计中，我们使用的是四相单八拍的工作方式。通过P1口给A,B,C,D四相依次输出高电平即可实现步进电机的旋转，通过控制两次输出的间隔，即可实现对步进电机的速度控制。 图 2.1 步进电机内部结构截图 根据步进电机的相关相序表我们可以正常的控制电机的步进运行。
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
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
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
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
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
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
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。