例如在计算机的许多外围设备中，步进电机得到广泛应用。②步进电机的调频段很宽，在其调频段内，步进电机可以很高效的实现快速启动和停止。这个优点是很多其他电机没有的。③步进电机转动的角度和位移由输入电机的脉冲信号的个数来决定。用户可以通过改变输入步进电机的脉冲的个数，实现对步进电机转动位移和角度的精确控制。④步进电机转动的加速度和速度由输入电机的脉冲信号的频率来决定。用户可以通过改变输入步进电机的脉冲的频率，实现对步进电机转动速度的精准控制。
步进电机主要应用于开环系统之中，该开环系统的控制精度主要取决于两个因素，一个因素是步进电机本身的精度，另外一个因素是步进电机的驱动，当然外围的传动环节的误差也会对整个开环系统的精度产生影响。在一些小容量、低速和精度要求不高的场合，选用步进电机构成的开环控制系统，可以更好的满足用户的需求。本课题采用51单片机来控制步进电机，并设计了驱动电路、键盘、显示器等外围电路，实现对步进电机的正转、反转、加速、减速等开环控制。整个控制系统具有较强的应用性，可以很方便的应用于其他场合。
1.3 研究目的及要求
本课题主要研究对象为步进电机控制系统，目的在于研究一种方便用户的满足不同场合需求的步进电机控制系统。该系统的可变化性较大，可操作性较强，功能较为齐全，并且操作简便，可以满足大多数用户的需求。
本研究的要求主要有以下几个方面：①了解步进电机不同的控制方案，并选择适合本系统的控制方案和核心控制芯片。②完成所选芯片的电路原理图的总体设计。③设计系统的软件系统，撰写程序代码。④利用protues 软件对电路原理图和程序代码进行仿真，并对功能进行理论验证。⑤在开发板上验证程序代码，并对整体设计进行论证。⑥绘制PCB图并制作电路板，完成硬件电路的安装，并进行程序调试，实现对步进电机的多种方式的控制。
1.4 研究和发展现状
由于步进电机的诸多优点，基于步进电机自动化控制系统的应用越来
越广泛。随着微电子技术、计算机技术和微型计算机技术的发展，步进电机的控制方法愈发多样化，并且稳定性、经济性和适应性都有了更加显著的提高，使其在工业现场等众多领域有了更加广泛的应用，最典型的比如计算机数控系统。在计算机数控机床系统中，步进电机常常作为轴转动的动力提供装置。另外，在很多计算机外围设备中，步进电机也被经常使用，比如打印机、绘图仪等。步进电机在众多领域中扮演了越来越重要的角色，已经成为很多系统中不可或缺的组成部件。
然而，随着科学技术日新月异的发展，人们对控制精度、控制方式以及控制系统的可靠性稳定性的要求也越来越高。现有的步进电机的控制方法、控制模式已经不能满足某些高精度场合的需求，寻找完善的能够满足用户需求的步进电机控制方式是摆在人们面前的又一重大课题，越来越多的人致力于研究新的步进电机控制方案。
1单片机及步进电机的工作原理
本课题控制核心器件为单片机，被控对象为步进电机。所以，在设计本控制系统之前，首先要弄清楚单片机的工作原理以及步进电机的工作原理，这样才能为后续的工作打下良好的基础，保证电路原理设计和软件设计顺利进行。
在本课题中，选用51单片机来控制步进电机。我采用的单片机为深圳宏晶科技生产的STC12C5A60S2单片机。该单片机是一款新一代的低功耗、高速度、超强抗干扰的8051单片机，其指令代码和传统8051单片机完全兼容。在本部分我会介绍本单片机的基本硬件结构，了解该单片机的工作原理，为后续的硬件电路设计和软件系统设计做好铺垫。对于步进电机，我选用的是慈溪市九菱电器有限公司生产的20BYJ46型号的步进电机为例，这是一款五线四相式步进电机。对步进电机的工作原理进行了解，也有助于我们进行后续的研究和设计。
下面，我将对单片机和步进电机的工作原理进行详细的介绍。
2.1 单片机的硬件结构
单片机是一种集成电路芯片，按功能划分，主要有以下几个部件组成：
[1]微处理器（CPU）
[2]数据存储器（RAM）
[3]程序存储器（ROM）
[4]并行I/O口，4个（P0、P1、P2、P3口）
[5]串行口，1个
[6]定时器/计数器，16位，2个
[7]中断系统
[8]特殊功能寄存器（SFR）
单片机的以上八个功能部件结构图如图2-1所示。
图2- 1 单片机的硬件结构图
单片机采用单总线结构，即各功能部件通过单一总线连接而成，基本结构仍然是采用CPU加上外围芯片的方式。特殊功能寄存器用于CPU对各个功能部件的控制。单片机采用这种集中控制方式，可以更好地实现各个不同功能部件之间高效地配合工作。
2.2 单片机引脚功能
MCS-51子系列单片机中的各种型号的芯片的引脚是兼容的。目前大多采用双列直插（DIP）式封装，如图2-2所示。
MCS-51系列单片机总共有40只引脚。40只引脚有不同的功能。按照功能来分类，主要可以分为以下四类：
（1）电源引脚：Vcc、Vss。
（2）时钟引脚：XTAL1、XTAL2。
（3）控制引脚：PSEN、ALE、EA、RESET。
（4）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。
图2-2 单片机引脚图
下面，我针对每个引脚，做一个简单介绍。
2.2.1 电源引脚
单片机的工作电源通过电源引脚引入到单片机。
（1）Vcc（40引脚）：接+5V电源
（2）Vss（20引脚）：接地，即电源负极。
2.2.2 时钟引脚
当时钟引脚外接晶体时，与片内的反相放大器构成振荡器，可以为单片机提供时钟控制信号。两个时钟引脚也可以外接晶体振荡器。
（1）XTAL1(19引脚)。
（2）XTAL2(20引脚)。
2.2.3 控制引脚
单片机的控制引脚主要为单片机提供控制信号。其中，有的引脚还拥有第二功能。
（1）RST/Vpp(9引脚)：单片机的复位信号输入端。当向该引脚输入超过两个机器周期的高电平时，单片机便完成了复位操作。复位引脚的设定，可以有效解决单片机死循环等问题。
Vpp为本引脚的第二功能。
（2）ALE/PROG(Address Latch Enable/PROGramming,30引脚)：地址锁存信号允许输出端。当单片机方位外部数据存储器时，用于为单片机提供外部地址的锁存控制信号。即便是单片机不访问外部RAM，ALE也会不断地输出频率为时钟振荡频率1/6的正脉冲信号，用示波器观察该信号，可以初步判断单片机是否正常工作。
PROG为该引脚的第二功能。
（3）PSEN（Program Strobe Enable,29引脚）：单片机的程序存储器允许输出控制端。当单片机访问外部的 ROM时，在该引脚上输出的脉冲富挑檐可以作为单片机读取外部程序存储器的选通信号。用示波器观察PSEN 端有无脉冲输出，可以判断单片机的CPU能否正常到外部ROM中读取指令码。
（4）EA/Vpp(Enable Address/Voltage Pulse of Programing,31引脚)：EA引脚主要作为用来选择单片机访问内外存储器的选择控制端。当其接高电平时，单片机会直接访问片内程序存储器，当PC值超过片内程序存储器的地址范围时，单片机将自动转向执行片外程序存储器中的程序。当其接低电平时，单片机将直接访问片外程序存储器，而不会考虑是否有片内程序存储器。
Vpp为引脚的第二功能。
2.2.4 I/O口引脚
MCS-51系列单片机共有4个双向的8位（bit）并行I/O端口，即P0、P1、P2、P3口。
（1）P0口。单片机的一个双向8位三态I/O口。P0口既可以作为数据线，也可以分时作为地址线。当单片机访问外部数据存储器时，P0口可以分时作为外部地址的低八位输出口。P0口可以驱动八个LS型TTL负载。当单片机需要在P0口输出高电平时，需要外接上拉电阻。
（2）P1口。准双向8位I/O口，可以驱动四个LS型TTL负载。在该口的内部具有上拉电阻，不需要外接。
（3）P2口。准双向8位I/O口，与高八位地址总线分时复用，和P1口一样，可以驱动四个LS型TTL负载。在该口的内部具有上拉电阻，不需要外接。
（4）P3口。准双向8位I/O口，可以驱动四个LS型TTL负载。在该口的内部具有上拉电阻，不需要外接。值得注意的是，P3口具有第二功能，即P3口的某一引脚既可以作为普通的通用I/O口使用，又可以根据需要，使用第二功能。这是P3口与其他各口不同之处。下表2-1列出了P3口的第二功能定义。
表 2-1 单片机P3口的第二功能
2.3 步进电机工作原理
步进电机是按照电磁吸引原理工作的。步进电机主要有钉子和转子两部分构成，定子上有磁极，分为不同的相，每个磁极上绕有激磁绕组，并
且按照串联（或并联）方式连接，从而使电流产生的磁场方向一致。而转子上并无绕组，主要由带齿的铁芯做成。当在定子绕组中按照一定的顺序（即相序），轮流通电时，不同的相以此产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生一个电磁转矩，从而驱动转子一步一步的转动。而每当转子的某一对齿的中心线与定子磁极中心线相对其时，磁阻最小，转矩也为零，而每次就在此时按照一定方向切换通在定子绕组上的各相电流，从而使转子按照一定的方向转动。在步进电机转动的过程中，每步所转过的角度我们称为步距角。步进电机的原理图如图2-3所示。
图2- 3 步进电机原理图
2.4 步进电机种类
常见的步进电机的匪类方式有很多。按照力矩产生的机理，步进电机分为反应式和励磁式两种。反应式转子无绕组，由被励磁的定子绕组产生的反应力矩实现步进运行。而励磁式步进电机定子和转子均有励磁绕组，由电磁力矩实现步进运行。按照输出力矩的大小，步进电机分为伺服式和功率式。伺服式只能驱动较小负载，而功率式可以驱动较大的负载。
2总体方案设计
总体方案，是在本课题的具体设计之前制定好的方案，是进行各个部分详细设计的基础和前提。本设计的总体方案包括硬件设计总体方案和软件设计总体方案。硬件总体方案设计要求确定硬件系统各部分构成，并完成整体的设计。软件方案设计是在硬件电路的基础上进行软件系统设计，是整体软件设计的一个框架、思路。下面，我将从硬件设计和软件设计两个方面介绍本课题的总体方案。
3.1 硬件设计思路
基于单片机的步进电机控制系统设计主要由以下几个部分组成：
（1）单片机最小系统：该部分是整个步进电机控制系统的控制核心。
（2）行列式键盘接口部分：该部分为用户提供了数据信息的输入的通道。用户可以通过键盘接口将数据给单片机。
（3）液晶显示器接口部分：该部分可以提示用户进行不同的操作，并将用户输入的数据实时的显示出来，同时可以显示步进电机动作的状态信息。
（4）控制命令接口部分：该部分采用独立式按键，将用户的命令输入到单片机。
（5）上位机控制部分：采用LabVIEW进行上位机编程，利用单片机的串口，使PC机和单片机之间实现数据交换，实现PC对步进电机的控制。上位机和单片机实现通信，并对步进电机进行控制的原理图如图3-1所示。
图3-1 上位机和单片机之间通信原理图
（6）蜂鸣器接口部分：蜂鸣器发声可以作为用户按下按键的动作信号。同时，也可以作为紧急情况下的报警信号。
（7）电源部分：可以将外部电源接入系统，给各个部分供电。
控制系统框图如图3-2所示：
3.2 软件系统设计
软件系统设计是在硬件系统设计的基础上进行的。硬件系统只有在软件系统的配合下才能最大限度的发挥其优越性。硬件系统设计是整个控制系统的基础，软件系统的设计使硬件系统的各个部分互相配合着完成各自的功能，实现最终的设计要求。对步进电机的控制，采用软件的方法对每一相输出脉冲，可有效的替代脉冲分配器的功能。既节约了成本，也使整个系统电路简单化。软件编程的思路过程如图3-3所示。
单片机上电后，可以选择用键盘进行控制或者用上位机进行控制。二者只能选择一个。当选择了键盘控制方式后，要进行步进电机运动方式的选择。用户可以选择手动控制和自动控制。在手动控制模式下，只有当用户按下正转或反转键时，步进电机才进行相应的动作。当用户松开按键时，步进电机停止动作。手动模式用于用户自由控制。在自动模式下，用户可以预先按照液晶显示屏上的文字提示一步一步进行设定步进电机动作参数，包括转动方向、转动圈数、转动速度。设定好并最终确认信息无误后，按下启动键，步进电机开始按照用户设定的参数动作。步进电机动作结束后，程序回到手动自动选择处。在步进电机动作的过程中，若手动停止，则步进电机停止动作，程序回到动作参数设定处。软件设计程序流程图如图3-4所示。
在整个控制系统工作的过程中，增加了暂停（急停）功能。当暂停按键被按下时，控制系统进入暂停状态，LCD 液晶显示器显示相应信息。当再次按下启动键后，停止暂停并回到暂停暂停之前的状态。
图3-2 基于单片机的步进电机控制系统原理框
图
图3-3 步进电机控制系统软件设计过程
图3-4步进电机控制系统软件设计流程图
在控制系统中，为方便用户，增加了上位机控制功能。上位机选用PC
机，利用NI公司开发的LabVIEW软件进行上位机编程。利用单片机全双工的串行口作为上位机和单片机之间的通信通道。在通信之前，需要对单片机有关串行口的寄存器进行初始化，以确保二者之间能够建立稳定、准确的通信。单片机串行通信初始化程序流程图如图3-5所示：
图3-4单片机串行通信初始化程序流程图
3.3 本章小结
在本章中对本课题的硬件和软件的整体设计有了初步的介绍。硬件设计是基础，软件设计则影响了整个控制系统的工作过程。在做任何课题之前，都要先针对整个系统的功能做好硬件和软件的整体设计。在本课题中，我主要采用键盘和上位机两种控制方式实现对步进电机的控制。无论采用何种控制方式，都要充分考虑方案的准确性和可行性。只有在前期方案制定阶段做好了充分的准备工作，后期各个部分的设计和整体调试才会简单并且省时高效。
3元器件的选择
在本课题中，选择元器件也非常重要。在选择元器件的过程中，首先要充分考虑到各个元器件的功能参数、电气参数。功能参数和电气参数是元器件最根本的数据指标，是我们选择元件的最根本依据。只有选择了合适的元器件，才能更简便合理地完成系统的功能，是整个控制系统变得简单易调。其次，在选择元器件时，还要考虑其物理体积大小、散热、封装等因素。应当尽量避免各个元器件之间互相影响从而造成功能稳定性下降。另外，选择合适封装的元器件，可以使整个控制电路板布局合理，减小板子的空间大小，减少一些不必要的走线交叉。最后，除以上因素外，还要考虑不用元器件的经济型因素。在功能和性能大致相同并且能够满足设计需求时，应尽量选择价格经济的元器件，从而减小整个课题的开销。下面，我将详细介绍各个芯片选择的过程。
4.1 单片机的选择
能够完成最基本功能的单片机系统称为单片机的最小系统，而单片机最小系统的附加功能则主要取决于单片机本身。选择一款合适的单片机，对于一个课题来说尤为重要。考虑到在本课题中，对单片机没有什么特殊的要求，只需要单片机最基本功能，所以主要考虑价格因素。目前国内市场上单片机主要有STC和Atmel两种，相对于Atmel来说，STC的价格相对较低廉，所以最终选择了较新款的STC12C5A60S2型号单片机。
4.2 步进电机与驱动芯片的选择
4.2．1 步进电机的选择
在设计中，步进电机是最终的受控部件，步进电机的选择从某种意义上决定了某些外围电路的设计和软件系统的设计。步进电机的选择，主要需要考虑以下几个技术指标：
[1]额定电压（Rated voltage）：步进电机能够正常工作的电压。考虑
到在本系统中电源提供的电压主要为5V-12V，所以选择额定电压
为5V-12V的步进电机。
[2]相数（Number of phases）:步进电机的相数决定了驱动方式
（Pattern of drive）。较为常见的有两相、三相和四相的步进电
机。
[3]减速比（Reduction Gear ratio）:增加减速齿轮是一种很好的增
加步进电机转矩的方式。同时，明确减速比，也是软件系统设计的
一个必要条件。
[4]步距角（Step angle）:指步进电动机每步转过的角度。这个指标
也是步进电机非常重要的一个指标。
步进电机还有其他重要的电气指标，在这里我就不一一赘述。在本控制系统中，为了增加控制系统多功能性，设置了两种标准的控制电压，即5V、12V。如果步进电机的额定电压为5V或者12V，且相数不超过4相，均可以被本控制系统控制。综合以上几个指标，在本课题中，我选择由九菱电器有限公司生产的28BYJ48系列步进电机为例进行各项功能的展示。该步进电机额定电压为5V，相数为4拍，减速比为1/64,步距角为5.625°/64。如下图4-1所示：
图4- 1控制系统所选步进电机
4.2．2 步进电机驱动芯片的选择
步进电机驱动芯片的选择也很重要。目前市面上有很多不同类型的步进电机驱动芯片，每一种芯片都会有自己的优缺点。所以，根据自己实际课题的需要选择合适的步进电机驱动芯片就显得非常重要。经过查阅资料，目前应用较多的芯片有ULN2003/ULN2803、L298n、A3967等芯片。在本课题中，我选择是的ULN2003芯片。现在分别介绍两种芯片。
(一)ULN2003芯片介绍
ULN2003是一种集成多路高电压大电流达林顿晶体管的电路芯片。达林顿管又称为复合管，简单来讲就是将两个三极管串接在一起。有两个三极管复合而成的达林顿管的电流放大倍数是原来的二者的乘积，所以达林顿管具有较大的放大倍数。这是其显著特点。在一些电子电路中，达林顿管常常用来作为功率放大的器件。达林短管的组成如图4-2所示。
图4- 2达林顿管结构图
在ULN2003芯片中，总共集成了7路达林顿管。ULN2003的管脚图和内部结构图如图4-3所示。
图4-3 ULN2003的管脚图和内部结构图
ULN2003的引脚功能如表4-1所示。ULN2003的7路通道的功率放大作用会随着通道使用数量的增多而降低。所以在实际的使用中，我们常常只使用其中的部分通道，以保证其放大作用。
由于集成了达林顿管，ULN2003主要有以下几个比较突出的特点：
[1]电流增益大，一般增益倍数大于1000
[2]工作温度范围较宽，-40℃--85℃
[3]驱动负载能力强，其输出电流一般大于500mA
[4]工作电压比较高，可用于大于50V的场合
正是由于该芯片具有以上特点，该芯片经常用于电机控制、电磁阀控制和照明设备控制等场合。表4-2列出了ULN2003的极限参数。
表4-2 ULN2003的极限参数
(二)L298n芯片介绍
L298n是一种驱动步进电机的专用芯片，对电流起放大作用。L298n的实物如图4-4所示。其内部结构图如图4-5所示。
L298n的特点如下：
[1]驱动部分端子供电电压范围Vs:+5～+35V，峰值电流Imax：2A
[2]逻辑部分供电范围Vss：+5～+7V，工作电流范围：0～36mA
[3]控制信号输入电压范围：-0.3V≤Vin≤1.5V，2.3V≤Vin≤VCC
[4]使能信号：-0.3V≤Vin≤1.5V，2.3V≤Vin≤VCC
[5]最大功耗：20W（温度T=75°C时）
[6]工作温度范围：-25°C～130°C
图4- 5 L298n内部结构图
在实际应用中还有很多步进电机的驱动芯片，在这里就不再一一介绍。根据实际课题的需要，结合不同芯片的优点和缺点，我最终选择了ULN2003
图4-4 L298引脚图、实物图
芯片作为本课题的驱动芯片。
4.3 键盘和液晶显示器的选择
在本设计中，键盘和显示器是两个最为重要的人机交互接口设备，用户通过键盘和液晶显示器控制和监测步进电动机的运行。选择合适的键盘和显示器可以方便用户进行操作，增加整个系统的可操作性。
4.3．1键盘的选择
常用的键盘接口分为独立式键盘接口和行列式键盘（也称为行列式键盘）接口。顾名思义，独立式键盘就是各个按键相互独立，每个按键各接一根输入线。单片机通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个键被按下。独立式键盘最大的弊端就是如果按键较多，则占用的单片机I/O
口也较多。所以，如果按键较多时，常常采用行列式键盘。
在本课题中，用户需要通过键盘向单片机输入步进电机的转向、转速、圈数及加速减速等数据信息，所需按键较多，大于8个，故最终采用4X4
行列式键盘。一种常见的行列式键盘如图4-6所示。
图4-6一种常见行列式键盘
4.3．2液晶显示器的选择
目前市场上的液晶显示器种类比较多，按照其排列形状可以分为字段型、点阵字符型和点阵图形型。其中，在单片机应用系统中，最为常见的为点阵字符型LCD显示器。
图4-7 本课题用到的LCD1602显示器
经过多方面考虑，在本课题中我选用的是LCD1602显示器。该显示器属于点阵字符型LCD,分为上下两行，每一行有16个点阵。每个点阵可以显示数字、字母等字符。另外，该显示器易于编程，软件系统设计简单，价格合适。图4-7为本课题中用到的LCD1602液晶显示器。
4.4 串行通信硬件的选择
要想通过单片机的串行口实现PC机和单片机之间的串行通信，常常需要使用MAX232芯片。该芯片既能实现通信，又能解决二者之间电平标准不一致问题。在本课题中，由于要用笔记本电脑作上位机，但是现在大部分笔记本电脑都没有自带的串口，所以我选择了带有PL2303芯片的USB转TTL 集成模块，既能完成通信功能，又解决了笔记本电脑没有串口的问题。图4-8为该模块实物图。
图4-8 USB-TTL模块实物图
本模块可以直接将USB信号转换成串口信号，波特率从75～1228800，有22种波特率可以选择，并支持5、6、7、8、16共5种数据比特位。该模块输出接口为5针，分别是：①5V输出端，②3.3V输出端，③GND，电源负极，④RXD，串口数据接收端，⑤TXD，串口数据发送端。
另外，使用该模块可以给3.3V的STC单片机或者5V的STC单片机直接供电和下载程序。
4.6 本章小结
在本章中主要介绍了硬件系统各个部分元器件的选择，包括单片机、步进电机、步进电机驱动芯片、行列式键盘、液晶显示器及USB-TTL模块等。选择元器件不仅要考虑到元器件的功能参数及物理参数，还要考虑到合适的性价比等。在选择芯片的过程重要注意很多问题，而不能仅仅考虑功能的需求。
4硬件系统的设计及原理图
在本课题中，硬件系统的设计和原理图设计是一个非常重要的环节。原理图的正确与否，直接决定了系统能否正常工作，能否成功的完成设计要求和设计任务。所以我对于原理图的设计和硬件系统的设计都非常的谨慎。原理图设计好后，会先找指导教师论证，论证没有问题后，在protues 软件上仿真，然后在开发板上仿真。最终每一部分都没问题后，才开始制作硬件电路，搭建板子。下面，我将本课题的每一个部分的原理设计详细介绍。
5.1 最小系统电路
单片机最小系统是指，能够保证单片机正常运行的最简化配置的电路结构。单片机最小系统的功能多少取决于单片机本身，其主要由四大部分组成：①电源电路。②时钟电路。③复位电路。④单片机本身。电源部分主要就是为单片机提供维持其正常工作的电源。单片机也在前面的章节中介绍过，就不在赘述。下面，我重点介绍一下时钟电路和复位电路。
[1]时钟电路：如图5-1所示，本设计采用内部时钟方式构成时钟电路，
电路包括两个电容和一个晶振。晶振的频率影响了系统的时钟频
率，进而影响了单片机的运行速度。在本设计中，我选用12M晶振。
[2]复位电路：如图5-2所示。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两
种。本课题采用的是电平方式复位。当按键被按下时，RST端输入
高电平，使单片机复位。
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51系列单片机控制步进电机调速实验 实验指导书 仇国庆编写 重庆邮电大学自动化学院 自动化专业实验中心 2009年2月
基于51系列单片机控制步进电机调速实验 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。 实验原理： 步进电机控制原理 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。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。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。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来 进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由 脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号 可以由单片机产生。 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图：(图2所示)