第一章绪论
1.1技术概述
在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。
无论是在工农业生产还是在日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。因此，对电动机的控制变得越来越重要。电动机的控制技术的发展得力于微电子
技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的
最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术化。
步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，其原理是通过对它每相线圈中的电
流和顺序切换来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信
号的频率便可改变步进电机的转速。通俗的说：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（即步进角）。通过控制脉冲个
数即可以控制角位移量，从而达到精确定位的目的。同时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。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）和单项式步进电
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7.50；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1.50，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有点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8，而五相步进角一般为0.720。这种步进电机的应用最为广泛。
步进电机的一些基本参数：
电机固有步距角：它表示控制系统每发出一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.90/1.80（表
示半步工作时为0.90、整步工作时为1.80），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
步进电机的相数：指电机内部的线圈组数，目前常用的有两相、三相、四相、五
相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.90/1.80、
三相的为0.750/1.50、五相的为0.360/0.720。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不
同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变
得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
保持转矩：指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机
最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输
出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就
成为衡量步进电机最重要的参数之一。比如：当人们说2N·m的步进电机，在没有特
殊说明的情况下是指保持转矩为2N·m的步进电机。
步进电机的一些特点：
①一般步进电机的精度为步进角的3%~5%，且不会将一步的误差累积到下一步，因而有较好的位置精度和运动的重复性；
②电机旋转的角度正比于脉冲数；
③电机停转时具有最大的转矩；
④优秀的起停和反转响应；
⑤由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承寿命；
⑥当步进电机转动时，低级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；
⑦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。空载启动频率：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。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，再按
一定加速度升到预期的高频（电机转速从低速升到高速）。
PLC全称为可编程控制器，是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微机处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一
体的新型工业控制装置。目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动
控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置。被公认为现代工
业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。
从近年的统计数据看，在世界范围内PLC产品的产量、销售、用量高居工业控制
装置榜首。而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。我国的PLC研制、生产和应
用也发展得很快，尤其在应用方面更为突出。
PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，主要是因为它具有很
多独特的有点，较好的解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、经济问题。PLC可靠性高，抗干扰能力强，其平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么
高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施。其次PLC编程简单、使用方便，目前大多数PLC采用的编程语言都是梯形图语言，梯形图与电气控制线路
相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易被广大工程技术人员掌握。PLC
功能完善、通用性强、设计安装简单、维护方便。采用了集成电路，其结构紧凑、体
积小、能耗低，是实现机电一体化的理想控制设备。
目前PLC已广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各个行业。随着PLC的性价比不断提高，其应用领域还将不断扩大。为此，本文主要研究基于PLC的步进电机控制系统，实现PLC与步进电机的一体化问题。
1.2设计目的及系统功能
二十一世纪的今天，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，给实际应用带来了很大的方便。它广泛应用于消费类产品（打印机、照相机）、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。
本设计的目的是以单片机为核心设计出一个步进电机控制系统。本系统采用三菱
FX2N系列PLC作为控制单元，
第二章PLC及步进电机简介
2.1PLC控制系统
2.1.1PLC概述
2.1.1.1 PLC的基本概念
可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制
应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编
程控制器简称PLC。
PLC是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。1985年，国际电工委员会（International Electrical Committee）对PLC做出了定义：“可编程控制器（PLC）是
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程的存
储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面
向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编
程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功
能的原则设计。”
2.1.1.2 PLC的组成
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块及一些特殊模块组成。
①CPU模块
CPU模块主要由微处理器和存储器组成。在可编程控制器中，CPU模块处于核心
地位，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新输出信号。它控制所有其他部件
的操作，一般由控制电路、运算器、寄存器等组成，通过地址总线、数据总线和控制
总线与存储器、I/O接口电路连接。CPU是PLC的“大脑”。其中存储器又分为：只
读存储器（存放PLC制造厂家编写的系统程序）和读写存储器（存放用户程序，为了防止失电后程序丢失，一般采用电池或电容保持电路）。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成的冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能继续正常运行。
②I/O模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块统称为I/O模块，它们是连接外部环境和CPU模块的纽带。输入模块是用来采集输入信号的。一般来说，输入信号有两种：一种是从按钮、开关、各种接近开关而来的开关量输入信号；另外一种是由电位器、热电阻、热电偶及各种变送器提供的连续变化的模拟输入信号。
PLC是通过输出模块来控制外部设备的，这些设备包括电磁阀、调节阀等设备；另外，还可以控制灯、继电器、接触器等设备。
③电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也是十分重视的。PLC使用交流220V电源或者直流24V电源供电，其内部的稳压电源可以为各个模块的内部电路供电。一般驱动现场执行机构的电源都要由用户提供。
2.1.1.3 PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段：输入采样、用户程序执行和输出刷新。完成上述三个阶段称为一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
①输入采样阶段：在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
②用户程序执行阶段：在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次的扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右，先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状
态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形
图所规定的特殊功能指令。
③输出刷新阶段：当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱
动相应的外设。
2.1.1.4 PLC的构成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU 板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
①CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC 的系统程序赋予的功能接受并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中。同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按照指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者来看，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应该有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在指挥器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们觉得着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
②I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入/输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，起输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI）、开关量输出（DO）、模拟量输入（AI）、模拟量输出（AO）等模块。
常用的I/O分类如下：
开关量：电气控制装置的输入信号有按钮、开关、时间继电器、压力继电器、温度继电器、过电流继电器；电气控制装置的输出信号有接触器、继电器、电磁阀等。这些物理信号只有闭合与断开两种工作状态，也可以用数字量0或者1来表示某个元件的工作状态。开关量按电压水平分，有220V AC、110V AC、24V DC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：模拟量分输入模块和输出模块，模拟量输入模块（A/D模块）是把模拟信号（Analog）转换成PLC的CPU可以接受的数字量信号（Digital）；模拟量输出模块（D/A模块）的功能与模拟量输入模块正好相反，它的作用是将PLC处理后的数字量转换为可用于模拟量控制的模拟量输出信号，然后通过工业现场的有关执行部件进行调节控制。按信号类型分，有电流型（4~20mA、0~20mA、-20~20mA）、电压型（1~5V、0~5V、-10~10V）。
除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热点偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU的基本配置管理能力（最大的底板或机架槽数）所限制。
③电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220V AC或110V AC），直流电源（常用的为24V DC）。
④底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块；机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
2.1.2 PLC系统的其他设备
①编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作情况。但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器，也就是系统的上位机。
②人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
2.1.3 PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地搜集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制器”的观点和说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS或工业以太网进行联网。
2.1.4 PLC控制系统的设计基本原则
①最大限度的满足被控对象的控制要求。
②在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。
③保证控制系统安全可靠。
④考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时应适当留有余量。
2.1.5 PLC软件系统及常用编程语言
PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。
用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序。我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。
①PLC提高的编程语言——标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它具有以下特点：
a. 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一
些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。
b. 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关，
也可以是PLC内部继电器的接点或内部存储器、计算器等的状态。
c. 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。
d. 内部继电器、计算器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供
CPU内部使用。
e. PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留
在输出状态暂存器中，所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。
②语句表语言，类似于汇编语言。
③逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能，左边画输入、右边画输出。
2.1.6 PLC的特点
①可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障工作时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自我诊断保护。这样，整个系统具有较高的可靠性也就不奇怪了。
②配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
③易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
④系统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
⑤体积小、重量轻、能耗低
以超小型PLC为例，新近出现的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小，很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.1.7 PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：
①开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，即可用于单台设备的控制，也可用于多机群控制及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
②模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
③运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
④过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅
炉控制等场合有非常广泛的应用。
⑤数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的只能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用具大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统：也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
⑥通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
2.1.8 PLC未来展望
21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、只能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，从而出现少数几个品牌垄断国际市场的局面以及国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS （Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的纵多领域发挥越来越大的作用。
2.2步进电机
2.2.1 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，所以特别适合用于微机控制。
2.2.2 步进电机的特性
步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。
总体上说，步进电机具有以下特点：
①步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等）的影响，只要在他们的大小未引起步进电动机产生“丢步”之前，就不影响其正常工作；
②步进电动机的步距角有误差，转子转动一定的步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”，因此不会长期积累；
③控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”。
由步进电机的原理可以知道，步进电动机转子的转角与输入的脉冲数成正比，转速与输入的脉冲频率成正比，是脉冲信号控制。因此，步进电动机被广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并能可靠地获得较高的位置精度。
2.2.3 步进电机的分类
步进电机一般分为三类：永久磁铁型（PM）、可变磁阻型（VR）和混合型（HB）步进电动机。
①永久磁铁型（PM）
永久磁铁型（PM）步进电机，转子用永久磁铁构成，产生转矩时有吸引力和排斥力。这种类型的步进电动机，在无激磁的情况下具有保持转矩的作用，特别适合于断电后要求保持位置的应用。
②可变磁阻型（VR）
可变磁阻型（VR）步进电机又称反应式步进电机，转子用高导磁系数的材料，磁
极上加工成齿状。定子也加工成齿状，其上绕有线圈。当定子磁极绕组上通电时，吸引转子凸极，可使其旋转一个角度。当磁极绕组不通电时，不能产生转矩，即此种步进电动机没有保持转矩的特性。这种电动机适用于比较大的转矩要求的生产机械。
③混合型（HB）
混合型的步进电动机的构造是在激磁磁极及相对的转子外围设计多个齿轮状凸极，且在轴方向加入磁化永久磁铁。这样，既有永磁式步进电动机特性，又有反应式步进电动机的特性。一般来说，混合型步进电动机具有高精度、高转矩、步距角小的特点。混合式步进电动机应用很广泛，特别是在办公自动化和工厂自动化中得到广泛的应用。
步进电动机依据磁极的对数或励磁相数，分为三相、四相（两相）、五相、六相步进电动机。在相同频率的情况下，相数增加，每相导通电流增加，各相平均电流高些，步进电动机的转速和转矩特性更好些，步距角也减小。但是相数增加，结构变得复杂，通常多用3～6相步进电动机。
2.2.4 步进电机的工作方式
以可变磁阻型（反应式）步进电机为例，其工作原理是按电磁吸引的原理工作的。用图2-1所示的反应式三相步进电机为例加以说明。当某一相定子绕组加上电脉冲，即通电时、该相磁极产生磁场．并对转子产生电磁转矩，将靠近定子通电绕组磁极的转子上一对齿吸引过来，当转子一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时．磁阻最小，转矩为零，停止转动。如果定子绕组按顺序轮流通电，A、B、C三相的三对磁极就依次产生磁场，使转子一步步按一定方向转动起来。
图2-1步进电机工作原理
具体为，假设每个定子磁极有一个齿，转子有四个齿，首先A相通电，B、C二相断电，转子1、3齿按磁阻最小路径被A相磁极产生的电磁转矩吸引过去，当l、3
mzk
360=α齿与A 相对齐时转动停止；此时，B 相通电，A 、C 二相断电，磁极B 又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转过30°。接着C 相通电，A 、B 二相断电，转子又逆时针旋转30°，依此类推．定于按A →B →C →A …顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步30°。若改变通电顺序，按A →C →B →A …使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30°。这种控制方式叫单三拍方式。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易失步，此外，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡，故实际不采用单三拍工作方式，而采用双三拍控制方式。
双三拍通电顺序按AB →BC →CA →AB →…(逆时针方向)或按AC →CB →BA →AC →…(顺时针方向)进行。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作较稳定。如果按A →AB →B →BC →C →CA →A →…顺序通电，就是三相六拍工作方式，每切换一次，步进电机每步按逆时针方向转过15°。同样，若按A →AC →C →CB →B →BA →A →…顺序通电，则步进电机每步按顺时针方向转过15°。对应一个指令电脉冲，转子转动一个固定角度，称为步距角。实际上，转子有40个齿，三相单三拍工作方式，步距角为3°。三相六柏控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半，为1.5°。
控制步进电机的转动是由加到绕组的电脉冲决定的，即由指令脉冲决定。指令脉冲数决定它的转动步数，即角位移的大小；指令脉冲频率决定它的转动速度。只要改变指令脉冲频率，就可以使步进电机的旋转速度在很宽的范围内连续调节；改变绕组的通电顺序，可以改变它的旋转方向。由此可见，对步进电机的控制是十分方便的。不会产生累积误差，动态响应快．自起动能力强，角位移变化范围宽。步进电机的缺点是效率低，带惯性负载能力差，低频振荡、失步，高频失步，自身噪声和振动较大。一般用在轻载或负载变动不大的场合。
2.2.5 步进电机的主要特性
2.2.5.1 步距角和静态步距误差
步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变—次，转子转过的角度。它取决于电机结构和控制方式。步距角α可按下式计算
(度) （2-1）
θR R S Z G F l Z Z T sin 2
121-=式中：m →定子相数；
z →转子齿数；
k →控制方式确定的拍数与相数的比例系数。
例如三相三拍时，k=1，三相六拍时，k=2。厂家对每种步进电机给出两种步距角，彼此相差一倍。大的为供电拍数与相数相等时的步距角，小的为供电拍数与相数不相等时的步距角。步进电机每走一步的步距角α应是圆周360°的等分值。但是，实际的步距角与理论值有误差，在一转内各步距误差的最大值，被定为步距误差。它的大小是由制造精度、齿槽的分布不均匀和气隙不均匀等因素决定的。步进电机的静态步距误差通常在10′以内。
2.2.5.2 静态矩角特性
当步进电机不改变通电状态时，转子处在不动状态。如果在电机轴上外加一个负载转矩使转子按一定方向转过一个角度θ，此时转子所受的电磁转矩T 称为静态转矩，角度θ称为失调角。实用静态转矩T 计算公式为：
(2-2)
式中： Z S 错误！未找到引用源。 , Z R →定、转子齿数；
C 1→定、转子比磁导的基波分量；
l 1错误！未找到引用源。→定、转子铁心长度；
F →定子励磁磁动势。
描述静态时T 与θ的关系叫矩角特性(见图2-2)。该特性上的电磁转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内．当外加转矩去除时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置(θ＝0°) 。各相矩角特性差异不应过大，否则会影响步距精度及引起低频振荡。最大静转矩与通电状态和各相绕组电流有关，但电流增加到一定值时使磁路饱和，就对最大转矩影响不大了。
图2-2静态矩角特性
1、3→不稳定平衡点；2→稳定平衡点
2.2.5.3 起动频率
空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不丢步的正常运行的最高频率，称为起动频率或突跳频率。起动时，加给步进电机的指令脉冲频率如大于起动频率，就不能正常工作。步进电机在带负载，尤其是惯性负载下的起动频率比空载起动频率要低。而且，随着负载加大 (在允许范围内)，起动频率会进一步降低。
2.2.5.4 连续运行频率
步进电机启动以后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于起动频率。它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。
2.2.5.5 矩频特性与动态转矩
矩频特性T＝F(f)是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系(见图2-3)。该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。使用时，—定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。
图2-3步进电机矩频特性
上述步进电机的主要特性除第一项外，其余四项均与驱动电源有很大关系。如驱动电源性能好，步进电机的特性可得到明显改善。
2.2.6 步进电机的选用
步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（步距角）一
步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为100% ），所以广泛应用于各种开环
控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它
是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个
脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号
的频率成正比。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统。
2.2.6.1 步进电机的选用原则
步进电机的选用主要是满足运动系统的转矩、精度(脉冲当量)、速度等要求。这
样就要充分考虑步进电机的静动态转矩、起动频率、连续运行频率，当脉冲当量、转
矩不够时，可加入降速传动机构。
为了让大家了解步进电机及步进电机驱动器，如何选择到最适合自己使用要求的
步进电机和步进电机驱动器，特将有关选型原则介绍如下（仅供参考）：
①首先确定步进电机拖动负载所需要的扭矩。最简单的方法是在负载轴上加一杠杆，用弹簧秤拉动杠杆，拉力乘以力臂长度既是负载力矩。或者根据负载特性从理论
上计算出来。由于步进电机是控制类电机，所以目前常用步进电机的最大力矩不超过
45N·M，力矩越大，成本越高，如果您所选择的电机力矩较大或超过此范围，可以考
虑加配减速装置。
②确定步进电机的最高运行转速。转速指标在步进电机的选取时至关重要，步进
电机的特性是随着电机转速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多参数有关，如: 驱动器的驱动电压、电机的相电流、电机的相电感、电机大小等等，一般的规律是：驱
动电压越高，力矩下降越慢；电机的相电流越大，力矩下降越慢。在设计方案时，应
使电机的转速控制在1500转/分或1000转/分，当然这样说很不规范，可以参考〈矩-
频特性〉。
③根据负载最大力矩和最高转速这两个重要指标，再参考〈矩-频特性〉，就可
以选择出适合自己的步进电机。如果您认为自己选出的电机太大，可以考虑加配减速
装置，这样可以节约成本，也可以使您的设计更灵活。要选择好合适的减速比，要综
合考虑力矩和速度的关系，选择出最佳方案。
④还要考虑留有一定的（如30%）力矩余量和转速余量。
⑤尽量选择混合式步进电机，它的性能高于反映式步进电机。
⑥尽量选取细分驱动器，且使驱动器工作在细分状态。
⑦选取时切勿走入只看电机力矩这一个指标的误区，也就是说并非电机的扭矩越
大越好，要和速度指标一起考虑。
⑧ 在转速要求较高的情况下可以选择驱动电压高一点的驱动器。
⑨ 在选购时是采用两相的还是三相的，这并没有什么具体的要求，只要步距角能满足使用要求就行。
2.2.6.2 步进电机型号的确定
本次毕业设计采用的是常州泽明自动化设备有限公司生产的85BYGH350A 型步进电机。
具体有关技术参数如下：
图2-4 85BYGH350A (1.2·)3相步进电机外形图
图2-6 85BYGH350A (1.2·)3相接线图（Wiring Diagram ）
表2-1 85BYGH350A (1.2·)3相步进电机技术数据（Electrical Specifications ）: 型号
Series
Model 步距角 Step Angle
(°)
相数 No.of Phase 电压 Rate V oltage (V) 电流 Rated Current (A) 静力矩 Holding Torque (N.M) 电感 Phase Inductance (mH) 重量 (KG)
85BYGH350A 1.2 3 AC(40-60)V 3 2.4 1.3 2
型号机身长
85BYGH350A 72 mm 图2-7 85BYGH350A (1.2·)3相步进电机外形图（Dimensions）
第三章步进电机驱动器的工作原理及选型
3.1 步进电机驱动器的发展
步进电动机是工业控制中应用十分广泛的一种电动机。它的主要优点是，具有较高的定位精度，无位置积累误差，并且特有的开环运行机制。这大大减少系统成本，可以获得接近闭环控制的良好性能。但是，步进电动机运行工况存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高、驱动系统可靠性差等，又严重制约了步进电动机的应用范围。因此，在许多要求较高的应用场合只能采用伺服电机，这又会增加系统的成本和结构复杂性。为此，出现了各种旨在提高步进电动机驱动性能的措施，如细分技术的采用拓宽了步进电动机的应用范围。然而，一般的混合式步进电动机在结构上存在固有的问题，如空间磁场的非圆性分布，使得电机矩角特性很难满足输出转矩线性化的要求。即使采用细分控制，细分步距角与步进电动机的转子机械位置也很难保持线性，输出的转矩波动很大，定位精度也不容易保证。目前出现的新型三相混合式步进电动机，结合了二相和五相混合式步进电动机的优点，在结构上采用特殊的机械设计。其输入为三相正弦信号，工作平稳，几乎完全没有振动，是一种性能非常优越的电机。本次毕业设计采用的是常州泽明自动化设备有限公司生产的WZM-
3H090MS三相混合式步进电机细分驱动器。
3.2 WZM-3H090MS三相混合式步进电机细分驱动器
3.2.1 概述
WZM-3H090MS驱动器驱动三相混合式步进电机，该驱动器采用原装进口模块，实现高频斩波，恒流驱动，具有很强的抗干扰性、高频性能好、起动频率高、控制信
号与内部信号实现光电隔离、电流可选、结构简单、运行平稳、可靠性好、噪声小，带动5.2A以下所有的110BYG系列电机三相混合式步进电机。
WZM-3H090MS驱动器自生产后，得到了广泛的应用。特别是在舞台灯光、自动化、仪表、POS机、雕刻机、票据打印机、工业标记打印机、半导体扩散炉等领域得到广泛应用。
3.2.1.1 WZM-3H090MS驱动器特点
①每相最大驱动器电流为5.2安培，且电流16档可调。
②采用无过流专利技术。
③采用国外进口电力电子元器件。
④可选择电流半流。
⑤每转步数可选（400，500，600，800，1000，1200，1600，2000，2400，3000，4000，5000，6000，6400，8000，10000；16档可调）
⑥所有输入信号都经过光电隔离。
⑦电机的相电流为正弦波。
3.2.1.2 WZM-3H090MS驱动器接线图及信号接口
图3-1 WZM-3H090MS驱动器接线图
WZM-3H090MS驱动器的信号接口说明：
CP+步进脉冲信号正端
CP-步进脉冲信号负端
DIR+方向电平信号正端
汇编及接口技术课程设计 题目：步进电机控制系统 班 级： 070609 学 号： 070609313 姓 名： 赵明 时 间： 2009年12月 成绩：
目录 (一)设计任务与要求-3- (二)设计方案（包括设计思路、使用到哪些芯片、各个 芯片的作用）-------------------------------------------------3 (三)硬件线路设计（包括线路图及连线说明）----------4 (四)软件设计（包括程序流程图）-------------------------4 (五)源程序（要有注释）-------------------------------------5 (六)调试过程（包括实验过程中的硬件连线，实验步骤、 出现的问题、解决的方法、使用的实验数据等）-----8 (七)总结（在整个设计过程中的心得和体会，150字左 右）----------------------------------------------------8
课程设计题目：步进电机控制系统 一．设计任务与要求 （一）设计目的 1.了解步进电机控制的基本原理，掌握控制步进电机转动的编程方 法。 2.进一步熟练8255的使用。 （二）设计内容 编程控制步进电机，使其能够正常运转，要求： 1.开关K8控制电机的启动与停止：当K8向上拨时，电机启动，否则电机停 止； 2.开关K1～7控制电机的转速：K1向上拨时，得到最低转速，…… K7向上 拨时，得到最高转速。 3.每个开关对应一个发光二极管，要求开关向上拨时，对应的发光二极管亮。二．设计方案 （一）步进电机原理 步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换（实验中的步进电机有四相线圈，每次有二相线圈有电流，有电流的相顺序变化），来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。 本实验使用的步进电机线圈由四相组成，驱动方式为二相激磁方式，如图3.1 所示。 图3.1 步进电机原理图 如表3.1所示，首先使HA线圈和HB线圈有驱动电流，接着使HB和HC、HC和HD、HD和HA，又返回到HA和HB有驱动电流，按这种顺序切换，电机轴按顺时针方向旋转。 表3.1 步进电机激磁方式
设计题目：基于单片机的步进电机控制系统设计 设计目的： 综合运用所学的《单片机原理及应用》的理论知识，通过实践加强对所学知识的理解，具备设计单片机应用设计系统的能力。以单片机为核心设计一个步进电机控制系统，要求能够通过键盘设置步进电机的正转和反转，加速和减速。并在LED 数码管显示器上显示步进电机转速。通过了解系统的软硬件构成及其特点，详细掌握怎样通过单片机控制其输出来控制步进电机的运转，并对应地在数码管上显示出来，更加系统的了解步进电机的组成，工作原理，控制方法。 设计要求： 【1】进行方案论证，说明步进电机控制系统的工作原理 【2】设计控制系统所需的硬件电路，给出电路原理图和元器件清单。 【3】给出软件流程图并编写程序源代码。 【4】完成系统的调试，给出调试结果并分析。 【5】了解单片机的内部结构，组成，学习单片机的工作原理以及内部工作状态，并熟悉在不同时刻，单片机的输入输出情况 【6】了解步进电机的分类和用途，掌握步进电机的内部结构以及工作原理，并学习单片机简单控制步进电机的正转和反转，加速和减速 【7】使用keil和proteus等软件进行系统的仿真，并在开发板硬件上实现。锻炼自己的编程，调试能力。 设计条件： 步进电机的工作原理 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步进电机。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时，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。 电机的位置和速度与导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定
河北科技大学 课程设计报告学生姓名：学号： 专业班级： 课程名称： 学年学期： 2 0 —2 0 学年第学期指导教师： 2 0 年月 课程设计成绩评定表
目录 一、设计题目………………………………………………………………. 二、设计目的………………………………………………………………. 三、设计原理及方案………………………………………………………. 四、实现方法………………………………………………………………. 五、实施结果………………………………………………………………. 六、改进意见及建议……………………………………………………….
七、设计体会………………………………………………………………. 、 一、设计题目 编程实现步进电机的控制 二、设计目的 1.了解步进电机控制的基本原理 2.掌握控制步进电机转动的编程方法 3.了解8086控制外部设备的常用电路 4.掌握8255的使用方法 三、设计原理及方案 设计原理 步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换（实验中的步进电机有四相线圈，每次有二相线圈有电流，有电流的相顺序变化），来使电机作步进式旋转。 驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。 利用 8255对四相步进电机进行控制。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A…），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB…），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…）等。 通过编程对8255的输出进行控制，使输出按照相序表给驱动电路供电，则步进电机的输入也和相序表一致，这样步进电机就可以正向转动或反向转动。 硬件连接图 四．实现方法 ．步进电机控制程序流图
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
机器人课程设计报告范例
**学校 机器人课程设计名称 院系电子信息工程系 班级10电气3 姓名谢士强 学号107301336 指导教师宋佳
目录 第一章绪论 (2) 1.1课程设计任务背景 (2) 1.2课程设计的要求 (2) 第二章硬件设计 (3) 2.1 结构设计 (3) 2.2电机驱动 (4) 2.3 传感器 (5) 2.3.1光强传感器 (5) 2.3.2光强传感器原理 (6) 2.4硬件搭建 (7) 第三章软件设计 (8) 3.1 步态设计 (8) 3.1.1步态分析： (8) 3.1.2程序逻辑图： (9) 3.2 用NorthStar设计的程序 (10) 第四章总结 (12) 第五章参考文献 (13)
第一章绪论 1.1课程设计任务背景 机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成．这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统现在机器人普遍用于工业自动化领域，如汽车制造，医疗领域，如远程协助机器人，微纳米机器人，军事领域，如单兵机器人，拆弹机器人，小型侦查机器人（也属于无人机吧），美国大狗这样的多用途负重机器人，科研勘探领域，如水下勘探机器人，地震废墟等的用于搜查的机器人，煤矿利用的机器人。如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想到的，就可以去创造实现；纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明 1.2课程设计的要求 设计一个机器人系统，该机器人可以是轮式、足式、车型、人型，也可 以是仿其他生物的，但该机器人应具备的基本功能为：能够灵活行进，能感知光源、转向光源并跟踪光源；另外还应具备一项其他功能，该功能可自选（如亮灯、按钮启动、红外接近停止等）。 具体要求如下： 1、根据功能要求进行机械构型设计，并用实训套件搭建实物。 2、基于实训套件选定满足功能要求的传感器； 3、设计追光策略及运动步态； 4、用NorthStar设计完整的机器人追光程序；
课程设计报告 题目单片机控制步进电机 课程名称单片机原理及接口技术 院部名称 专业自动化 班级M10自动化 学生姓名 学号 课程设计地点 课程设计学时 指导教师高峰 金陵科技学院教务处制 【注：根据课程设计大纲第四项具体要求撰写课程设计报告】
目录 1设计任务和要求 (3) 2设计思路 (4) 3系统硬件设计 (5) 3.1 硬件电路的工作原理 (5) 3.2步进电机模块 (5) 3.3控制模块 (6) 3.4主要元件介绍： (6) 4软件编程 (11) 5 调试过程与结果 (20) 5.1正转结果显示： (20) 5.1.1正转加速： (21) 5.1.2正转减速： (21) 6 总结与体会 (24) 7 参考资料 (26) 8 附录 (26)
1设计任务和要求 单片机课程设计是考察学生利用所学过的专业知识，进行综合的电机控制系统设计并最终完成实际系统连接，能够使学生对电气与自动化的专业知识进行综合应用，培养学生的创新能力和团队协作能力，提高学生的动手实践能力。最终形成一篇符合规范的设计说明书，并参加综合实践答辩，为后期的毕业设计做好准备。 本次设计考核的能力主要有： 1)专业知识应用能力，包括电路分析、电子技术、单片机、检测技术、电 气控制、电机与拖动、微特电机及其驱动、计算机高级语言、计算机辅 助设计、计算机办公软件等课程，还包括本专业的拓展性课程如变频器、组态技术、现场总线技术、伺服电机等课程。 2)项目设计与运作能力，团队协作能力，技术文档撰写能力，PPT汇报与 口头表达能力。 3)电气与自动化系统的设计与实际应用能力。 要求完成的工作量包括： 1)现场仿真演示效果。 2)学生结合课题进行PPT演讲与答辩。 3)学生上交课题要求的各类设计技术文档。
单片机实验 课程名称：步进电机表实验 授课班级：2010级自动化三班 任课教师：文远熔 计划学时：32学时 实验组员：张藤耀赵福亮王聪慧 秦菱蔚梁钦郑欢
目录 摘要………………………………………………………………………… 第一章概述…………………………………………………………………………………………. 1.1实验目的………………………………………………………………………… 1.2实验要求………………………………………………………………………… 1.3步进电机的介绍…………………………………………………………………… 1.4 研究思路………………………………………………………………………… 第二章硬件设计………………………………………………………….. 2.1 51单片机介绍…………………………………………………………………… 2.2 UIN2003A…………………………………………………………………………… 2.3 ZLG7290…………………………………………………………………………… 2.3.1 7290工作原理………………………………………………………………… 2.3.2 7290引脚图…………………………………………………………………… 第三章相关图像………………………………………………………………. 3.1 总电路图……………………………………………………………………… 3.2 7290控制数码管……………………………………………………………………… 3.3 程序流程图………………………………………………………………………… 3.3.1 控制框图………………………………………………………………………… 3.3.2 流程图………………………………………………………………………… 第四章调试………………………………………………………………………第五章心得体会…………………………………………………………………附录【一】系统程序……………………………………………………………附录【二】参考文献…………………………………………………………….
科技大学 课程设计报告 学生：学号： 专业班级： 课程名称： 学年学期：2 0 —2 0 学年第学期 指导教师： 20 年月
课程设计成绩评定表
目录 一、设计题目………………………………………………………………. 二、设计目的………………………………………………………………. 三、设计原理及方案……………………………………………………….
四、实现方法………………………………………………………………. 五、实施结果………………………………………………………………. 六、改进意见及建议………………………………………………………. 七、设计体会………………………………………………………………. 、 一、设计题目 编程实现步进电机的控制 二、设计目的 1.了解步进电机控制的基本原理 2.掌握控制步进电机转动的编程方法 3.了解8086控制外部设备的常用电路 4.掌握8255的使用方法 三、设计原理及方案 3.1设计原理 步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换（实验中的步进电机有四相线圈，每次有二相线圈有电流，有电流的相顺序变化），来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。 利用8255对四相步进电机进行控制。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A…），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB…），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…）等。 通过编程对8255的输出进行控制，使输出按照相序表给驱动电路供电，则步进电机的输入
步进电机实验报告 Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT
Arduino步进电机实验报告 步进电机是将电信号转变为或的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，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；同时可以通过控制来控制电机转动的和，从而达到调速的目的。 实验目的： （1）了解步进电动机工作原理。 （2）熟悉步进电机驱动器使用方法。 （3）掌握步进电动机转向控制编程。 实验要求： （1）简要说明步进电动机工作原理。 （2）熟记步进电机驱动器的使用方法。 （3）完成步进电动机转速转向控制编程与实现。 （4）提交经调试通过的程序一份并附实验报告一份。 实验准备： 1. ArduinoUNOR3开发板 Arduino是一块基于开放原始代码的Simplei/o平台，并且具有开发语言和开发环境都很简单、易理解的特点。让您可以快速使用Arduino做出有趣的东西。它是一个能够用来感应和控制现实物理世界的一套工具。它由一个基于单片机并且开放源码的硬件平台，和一套为Arduino板编写程序的开发环境组成。Arduino可以用来开发交互产品，比如它可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制各式各样的电灯、电机和其他物理设备。Arduino项目可以是单独的，也可以在运行时和你电脑中运行的程序（例如：Flash，Processing，MaxMSP）进行通讯。
基于单片机控制的步进电机控制器课程设计任务书一．设计要求 （一）基本功能 1．实现步进电机的正反转控制。 2．实现步进电机的加速控制。 3．实现步进电机的减速控制。 如过载保护、欠压保护、短路保护和防飞车等功能。 （二）扩展功能 任意设定一点为圆心，实现一个直径为10cm的圆形轨迹运动。 二．设计内容 （1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系； （2）确定元器件及元件参数； （3）进行电路模拟仿真； （4）SCH文件生成与打印输出； 三．编写设计报告 写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。 四．答辩 在规定时间内，完成叙述并回答问题。 五．计划完成时间三周 1．第一周完成软件和硬件的整体设计，同时按要求上交设计报告一份。 2．第二周完成软件的具体设计和硬件的制作。 3．第三周完成软件和硬件的联合调试。
目录 1引言 (1) 2总体设计方案 (1) 2.1设计思路 (1) 2.1.1 硬件设计 (1) 2.1.2软件设计 (1) 2.2总体设计方框图 (2) 3 设计原理分析 (2) 3.1 控制按钮分析 (2) 3.2 复位电路和晶振电路分析 (3) 3.3 保护电路分析 (3) 3.4 输出驱动电路 (4) 4 总结与体会 (5) 参考文献 (6) 附录（一） (7) 附录（二） (8)
基于单片机控制的步进电机控制器 摘要：本设计为电子工程专业学生在校期间的单片机课程设计实习。是基于单片机控制的步进电机控制器。在科学技术迅速发展的今天，自动化控制技术日益完善和成熟，对步进电机的要求也越来越高，社会上所需这方面的人才也越来越多，通过本次实习，可以提高学生的动手动脑，全面综合的运用所学专业知识的能力，增强学习专业知识和技能的兴趣，掌握单片机的运用方法和技巧，深入了解步进电机的工作原理。学会用科学技术来解决生活，生产中遇到的实际问题，真正做到学以致用，造福社会。本设计是通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制步进电机的转动，从而实现数字和角度的转换，转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。 关键词：单片机步进电机控制系统 1 引言 步进电动机是数字控制电动机。它将电脉冲信号转换成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度或直线位移一步，也由此称为“步进电动机”，又称“脉冲电动机”。近十年来，数字技术，计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开避了广阔的前景。步进电动机运用广泛，常用于军事雷达，机器人，CNC数控机床等精密控制系统。 目前，在工业中主要使用的是反应式步进电动机，它由定子和转子两部分组成。一般相数为2，3，4，5，6，每相两个绕组套在一对定子磁极上，成为控制绕组，转子是无绕组铁心。其具有力矩/惯性比高，频率响应快，步进频率高，不通电时可以自由转动，可以正反方向旋转，而且结构简单，工作寿命长。 2 总体设计方案 2.1 设计思路 2.1.1 硬件设计 （1）中心电路：中心电路采用TA89S51单片机芯片，晶振采用12MHZ，具有上电自动复位和手动复位功能。 （2）输入电路：输入电路由5个按钮组成，功能分别为正转，反转，加速，减速和停止，经过上拉电阻分别接到单片机P1口对应端。 （3）输出电路：由单片机P2口相应端输出有序的电脉冲，经过74LS04反相，驱动模拟灯有规律点亮，并经过2803A驱动器驱动，带动步进电机转动。 （4）保护电路：由模拟飞车保护电路，过载保护电路，欠压保护电路和短路保护电路组成。当电路异常时，有灯指示，并且将保护信号送到单片机P0.0口进行停车保护。 2.1.2 软件设计
摘要：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给步进电机加一个脉冲信号，步进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频率来实现步进电机的调速，并且步进电机没有积累误差。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。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。在本次设计中步进电机的给定速度由电位器通过A/D转换输入。 关键词：步进电机调速单片机 A/D转换器
前言 把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。 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，本次设计使用四相步进电机。
单片机课程设计步 进电机
江南大学 物联网工程学院 课程设计报告 课程名称：单片机原理及应用 设计题目：基于单片机的步进电机控制器设计 班级： 姓名：学号： 指导教师：评分： 年月日 基于单片机的步进电机控制器设计
摘要：本设计是用80C52单片机作为核心部件进行逻辑控制及信号产生，用单片机技术和C语言编程设计来进行步进电机的控制。经过人手动按开关实现步进电机的启动与停止、步进电机的正转反转，加速及减速等功能，另外还有LCD数码管进行实时显示功能。同时本文也经过了proteus软件的仿真，在仿真结果中能看出近似真实的效果。经过proteus仿真，结果表明，系统实现了要求。该系统电路简单，可靠性强，运行稳定。 关键词：步进电机单片机 LCD proteus仿真
图1 系统设计示意图 4硬件设计 4.1步进电机介绍 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。能够经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；同时能够经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。 图2 异步电机连线示意图 一般电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动
河北科技大学 课程设计报告 学生姓名：学号： 专业班级： 课程名称： 学年学期：2 0 —2 0 学年第学期指导教师： 2 0 年月
课程设计成绩评定表
目录 一、设计题目………………………………………………………………. 二、设计目的………………………………………………………………. 三、设计原理及方案………………………………………………………. 四、实现方法………………………………………………………………. 五、实施结果………………………………………………………………. 六、改进意见及建议………………………………………………………. 七、设计体会……………………………………………………………….
、 一、设计题目 编程实现步进电机的控制 二、设计目的 1.了解步进电机控制的基本原理 2.掌握控制步进电机转动的编程方法 3.了解8086控制外部设备的常用电路 4.掌握8255的使用方法 三、设计原理及方案 3.1设计原理 步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换（实验中的步进电机有四相线圈，每次有二相线圈有电流，有电流的相顺序变化），来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。 利用 8255对四相步进电机进行控制。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A…），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB…），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…）等。 通过编程对8255的输出进行控制，使输出按照相序表给驱动电路供电，则步进电机的输入也和相序表一致，这样步进电机就可以正向转动或反向转动。 3.2硬件连接图
西安电子科技大学《微型计算机原理》课程设计 题目基于8086的步进电机控制 学生姓名 专业班级11级计嵌班 学号201 院（系）信息工程学院 指导教师 完成时间年月日
目录 1 课程设计的目的 (1) 2 课程设计的任务与要求 (1) 3 引言 (1) 4 设计方案与论证 (2) 5 设计内容及功能说明 (3) 5.1 励磁线圈及其励磁顺序 (3) 5.2 工作原理 (4) 5.3 8086 CPU (5) 5.4 8255工作方式选择 (6) 5.5 ULN2003A (6) 5.6 74LS273 (7) 5.7
74LS138 (7) 6 单元电路的设计（计算与说明） (7) 7 硬件的制作与调试 (10) 8 总结…………………………………………………………………………… 12 参考文献 (13) 附录1：总体电路原理图 (14) 附录2：元器件清单 (14) 附录3：源程序代码 (15)
1 课程设计的目的 培养和锻炼学生在学习完本门课后综合应用所学理论知识，解决实际工程设计和应用问题的能力的重要教学环节。要求学生熟悉和掌握微机系统的软件、硬件设计的方法、设计步骤，使学生得到微机开发应用方面的初步训练。让学生独立或集体讨论设计题目的总体设计方案、编程、软件硬件调试、编写设计报告等问题，真正做到理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力，实现由学习知识到应用知识的初步过渡。通过本次课程设计使学生熟练掌握微机系统与接口扩展电路的设计方法，了解步进电机控制的基本原理，掌握控制步进电机转动的编程方法，进一步熟练掌握8255A并行I/O口的工作方式以及编程方法，熟练应用8086以及汇编语言编写应用程序和实际设计中的硬软件调试方法和步骤，熟悉微机系统的硬软件开发工具的使用方法。体会系统整体设计的流程与方法，为以后系统级设计积累经验。 培养学生在实际的工程设计中查阅资料，撰写设计报告表达设计思想和结果的能力。 2 课程设计的任务与要求 01.通过开关K1实现步进电机的开始与停止； 02. 通过开关K2来选择步进电机的正转与反转； 03. 通过开关K3,K4组成(2-4译码)四档电机转速选择； 04. 对每只开关的选择情况同时通过4位8段数码管来显示； 05. 扩展设计：可以在以上功能基础上，增加控制步进电机单步转动的开关；增加控制电机加速转动的开关；增加控制电机减速的开关。
步进电机调速实验报告 班级： xx 姓名： xx 学号： xxx 指导老师： xx
步进电机调速实验报告 一、实验目的及要求： 1、熟悉步进电机的工作原理 2、熟悉51系列单片机的工作原理及调试方法 3、设计基于51系列单片机控制的步进电机调速原理图(要求实现电机的速度反馈测量，测量方式：数字测量) 4、实现51系列单片机对步进电机的速度控制(步进电机由实验中心提供，具体型号 42BYG )由按钮控制步进电机的启动与停止；实现加速、匀速、和减速控制。速度设定由键盘设定，步进电机的反馈速度由LED数码管显示。 二、实验原理： 1.一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用将逐渐扩大。 进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让电动机的控制绕组按照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲 控制而动作，这个专用电源称为驱动电 源。步进电动机及其驱动电源是一个互 相联系的整体，步进电动机的运行性能 是由电动机和驱动电源两者配合所形成的综合效果。 2.对驱动电源的基本要求 （1）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都要满足步进电动机的需要；（2）要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求； （3）能最大限度地抑制步进电动机的振荡； （4）工作可靠，抗干扰能力强； （5）成本低、效率高、安装和维护方便。
摘要 本设计采用STC89C52单片机对步进电机继续控制，以IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过ULN2803集成芯片驱动步进电机，然后，通过键盘来对电机的状态进行控制，并用LED数码管来显示电机的工作状态。从单片机输入信号，经系统调试时序步进电机的启动、停止、正反转和加速减速，从而达到要求。通过对步进电机的软件设计和硬件设计包括步进电机的结构、原理及应用，根据原理和硬件的设计利用c语言编写程序，在proteus软件上经过反复运行和调试，实现单片机对步进电机的控制。 关键词步进电机 ; ULN2803集成芯片 ; LED数码管 ; proteus软件
目录 目录 (1) 第1章引言 (2) 第2章电路基本原理及方案设计 (5) 2.1 电路基本原理 (5) 2.2方案设计 (5) 第3章硬件电路原理 (6) 3.1步进电机 (6) 3.2 LED显示 (9) 3.3 按键控制模块 (11) 第4章软件编程 (12) 4.1程序流程图 (12) 4.2 单片机引脚功能 (12) 第5章调试结果 (15) 总结 (17) 参考文献 (18) 附录1 (19) 附录2 (25)
第1章引言 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。步进电机可以直接接受数字信号,不需要进行数字与模拟量的转换,具有高精度快速启停能力。 在非超载的情况下，步进电机的转速、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。 图1.1 步进电机实物图 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”，对于微电脑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。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
2013 ~ 2014 学年第 1 学期 《单片机原理及应用》 课程设计报告 题目：单片机控制步进电机 专业：电子信息工程 班级： 姓名： 指导教师： 电气工程学院 2013年10月20日
任务书
单片机控制步进电机 摘要
步进电机是一种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。结合对步进电机的了解，然后对步进电机的控制原理包括步进电机的控制方式和驱动方式作了系统的说明，采用89C51单片机来控制步进电机，用c程序来控制运行。控制系统通过单片机存储器、I/O口、键盘、复位电路、晶振电路实现让步进电机正反转的功能。并通过DS18B20测温来防止步进电机的温度过高。 单片机的控制系统由AT89C51单片机控制，具有抗干扰能力强，可靠性高而系统易扩展等优势。本次课程设计着重于通过控制脉冲数来控制位移，实现准确定位。基于步进电机本身的优越性和应用的广泛性，这正是用单片机控制步进电机课程设计的实际意义。关键字：步进电机；角位移；单片机；脉冲
目录 第一章绪论 (1) 1.1步进电机及其发展 (1) 1.2步进电机的发展应用及前景 (1) 1.3设备及工作环境 (1) 第二章系统方案整体设计 (2) 第三章硬件设计 (3) 3.1 系统硬件设计 (3) 3.1.1单片机晶振电路 (3) 3.1.2单片机复位电路 (3) 3.1.3 最小单片机系统 (4) 3.1.4键盘设计 (4) 3.1.5电机部分 (5) 3.2 系统工作原理论述 (6)
单片机课程设计报告 步进电机控制 学院:电气学院 班级:电气0904 姓名:王浩 学号:3090501097
一．设计任务 了解步进电机的原理，设计一套以51单片机为核心的步进电机控制器，步进电机采用四相四拍或四相八拍工作方式，键盘和显示器采用实验室试验箱。了解十六只键组成的键盘（用于输入）及六只LED构成的显示器（用于显示）的原理，分别设计他们的程序，在电脑上进行仿真。 具体要求 1、从键盘上输入正、反转命令，转速参数（16级）和转动 步数显示在LED显示器上。 2、显示器上显示：第一位为0表示正转，为1表示反转； 第二位0~F为转速等级，第三到第六位设定步数。 3、单片机依显示器上显示的正、反转命令，转速级数和转动 步数进行相应动作，转动步数减为零时停止转动。 二．工作原理 1、步进电机基本原理
如图,当有一相绕组被通电激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短路径流向负相齿，为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。 那么,通过对它每相线圈中电流的顺序切换可使电机作步进式旋转。 相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。 拍数：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或A-B-C-D-A,四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角:对应一个脉冲信号电机转子转过的角位移. 步距角=360/(转子齿数*拍数) 2、LED显示器原理 LED显示器由七条发光二极管组成显示字段，有的还带有一个小数点。将七段发光二极管阴极连在一起，称为共阴极接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就点亮。共阳极接法是将LED的所有阳极并联后接到+5v上，当某一字段的阴极为0时，对应的字段就点亮。 3、键盘接口原理 键盘实际上是又排列成矩阵形式的一系列按键开关组成，用户通过键盘可以向CPU输入数据、地址和命令。本设计采用8155接口芯片构成的4*8键盘的接口电路，其中A口为输出，作为列线；C口为输入，作为行线。当所有的键没有被按下时，C口输入均为高；若某列线为低，恰好该列上有键被按下，则键所在的行线为低。
单片机课程设计 课题：单片机控制步进电机正反转设计 系别：物理与电气工程学院 专业：电气工程及其自动化 姓名：陈玉琦（组长） 学号：1411540 指导老师：陈永超
目录 一．设计目的 (4) 二．设计要求 (4) 三．总体设计思路 (4) 四．硬件设计 (5) 1 系统复位电路 (5) 2 系统时钟电路 (6) 3 系统电机及驱动部分 (7) 4 系统的显示电路 (8) 五．软件设计 (9) 1 主程序的设计 (9) 2 显示子程序的设计 (10) 六．整体电路图 (14) 七．电路仿真 (15) 八．设计总结 (16) 附录 (18) 参考文献 (21)
步进电机正反转设计 一、设计目的 目的：系统地运用已学的理论知识解决实际问题的能力和查阅资料的能力。培养一定的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力，能通过独立思考、查阅工具书、参考文献，寻找解决方案； 任务：完成所选题目的分析与设计，达到技术性能要求。提交正式课程设计总结报告一份。 二、设计要求： 1．具有速度和转向设定功能。 2．设置开始、停止以及正反转键。 3．转速以及转向由数码管显示。 三、总体设计思路 方案与思路 因为步进电机的控制是通过脉冲信号来控制的，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。所以怎样产生这个脉冲信号和产生怎样的信号是电机控制的关键。 用软件控制单片机产生脉冲信号，通过单片机的P1口输出脉冲信号，因为所选电机是两相的，所以只需要P1口的低四位P1.0~P1.3分别接到电机的四根电线上。可以通过调整输出脉冲的频率来调整电机的转速，通过改变输入脉冲的顺序来改变转动方向，P0口接LED数码管，可以显示当前的电机转速和转向，设置复位键可使正在转动的电机停止转动，大概可分为如
控制步进电机课程设计
第1章控制工艺流程分析 1.1步进电机的控制过程描述 近年来，数控机床及数控技术得到了飞速发展，在柔性、精确性、可靠性和宜人性等方面的功能越来越完善，已成为现代先进制造业的基础。数控就是数字控制，数控技术在机床行业应用得多，就是依靠数字（电脑编程）来控制机床，具有效率高，精度高等主要特点。数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。 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。 通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。 步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。也就是说步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以控制步进脉冲信号的频率，就可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，就可以对电机