湖南文理学院芙蓉学院
课程设计报告
课程名称：专业综合课程设计
专业班级：自动化1001班学号：40
学生姓名：李志航
指导教师：李建英
完成时间：2013年6月13 日
报告成绩：
评阅意见：
评阅教师日期2013.6.
芙蓉学院教学工作部制
摘要
本文先介绍了混合式步进电机的结构和工作原理，分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用，论述了正弦波细分驱动可以实现等步距角、等力矩均匀细分驱动的原理，提出了一种基于H桥和其他分立元件分配脉冲的驱动技术，该方案可实现步进电机的单拍、半拍、双拍三种工作方式。本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、液晶显示电路组成，单片机是控制系统的核心。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍。
关键词：单片机；正弦脉宽调制；混合式步进电机；细分驱动
Abstract
In this paper, the working principle and configuration of three-phase hybrid Stepper are introduced, then based on technologies such as stepper motor controller, PWM inverter and microcontroller. In the thesis, we develop a single chip computer -based digital controlling system for a three-phase hybrid stepper motor that is mainly constructed from a AT89C51 single chip computer and ST7920IC which is used as the core of control parts. The system's whole architecture, the design of hardware and software are introduced in detail.
KEY WORDS: Microcontroller，SPWM，Hybrid stepper motor，Micro-stepping driver
目录
一、绪论 (1)
1.1 步进电机概述 (1)
1.2 步进电机的特征 (1)
1.3 步进电机驱动系统概述 (2)
1.4 课题研究的主要内容 (2)
二步进电机驱动系统的方案论证 (3)
2.1 步进电机驱动系统简介 (3)
2.2 步进电机驱动器的特点 (3)
2.3 混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较 (4)
2.3.1 双极性驱动器与单极性驱动器 (4)
2.3.2 单电压驱动方式 (6)
2.3.3 高低压驱动方式 (7)
2.3.4 斩波恒流驱动 (8)
2.4 方案的确定 (9)
三混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计 (9)
3.1单片机最小系统 (9)
3.2 红外遥控电路 (10)
3.2.1 红外发射电路 (10)
3.2.2 红外接收电路 (12)
3.3 LCD显示电路 (12)
3.4 双机通讯 (14)
3.5 步进电机驱动部分 (14)
3.5.1 单极性步进电机驱动 (14)
3.5.2 双极性步进电机驱动 (15)
3.6 电源电路 (16)
四软件设计 (18)
4.1 主机LCD显示菜单程序 (18)
4.2 双机通讯程序 (19)
4.3 下位机步进电机驱动程序 (21)
五驱动器试验结果 (22)
5.1 概述 (22)
5.2 试验内容和结论 (22)
六总结 (23)
七致谢 (24)
八参考文献 (25)
九附录 (26)
题目名
步进电机驱动及控制电路的设计
一、绪论
1.1 步进电机概述
步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。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(即步距角)。脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多；输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。因此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，从而达到调速的目的。步进电机种类，根据自身的结构不同，可分为常用三大类:反应式(VR，也称磁阻式)、永磁式(PM)，混合式(HB)。其中混合式步进电机兼有反应式和永磁式的优点，它的应用越来越广泛。
1.2 步进电机的特征
步进电机具有自身的特点，归纳起来有：
（1）位置及速度控制简便：
步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活的角度控制(位置控制)。因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可在相当宽范围内平滑调节。
（2）可以直接进行开环控制：
因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。
（3）高可靠性：
不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。
1.3 步进电机驱动系统概述
步进电机的工作必须使用专用设备—步进电机驱动器。驱动器针对每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电(励磁)，以产生必要的转矩，驱动转子运动。步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的3大部分。步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器性能的优劣。当电机和负载己经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法。步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动等.
(1) 单电压驱动：主要特点是结构简单、成本低，通常在绕组回路中串接电阻，以改善电路的时间常数来提高电机的高频特性。缺点是串接电阻将产生大量的热，对驱动器的正常工作极其不利，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。
(2) 高低压驱动：电机每相绕组导通时，首先施加高电压，使电流快速上升，当电流上升到额定值时，将高电压切断，回路电流以低电压电源维持。这种方式由于电流波形得到了很大改善，电机的矩频特性较好，起动和运行频率得到了较大提高。但由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响易使电流波形的顶部呈凹形，致使电机的输出转矩有所下降且需要双电源供电。
(3) 斩波恒流驱动：为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，人们研制出斩波电路，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，因而斩波恒流驱动应用相当广泛。
1.4 课题研究的主要内容
本课题以设计一套基于单片机和步进电机细分控制技术的步进电机驱动器为主要目标，主要内容有：
(1) 采用正弦脉宽调制技术、电流跟踪技术和细分技术实现对电机相电流的控制，以克服传统驱动技术下步进电机低速振动、存在共振现象、噪音大、高速转矩小等缺点。
(2) 用开关电源为驱动器内部电路供电，减小驱动器的体积和重量，提高电源效率。
(3) 驱动器的采用分立元件组成单电压驱动来驱动单极性步进电机用H桥驱动双极性步进电机，因此只用一路电源，使系统设计极为简化。
(4) 控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM 存储器及液晶显示芯片ST7920，单片机是控制系统的核心。采用了单排6键的键盘、液晶显示芯片ST7920，该芯片能自动完成对显示的刷新，自带有中文字库，使用非常方便。双机通讯电路，该电路能大大节省主机CPU的开销，提高了可靠性和电路的工作效率。
二步进电机驱动系统的方案论证
2.1 步进电机驱动系统简介
步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备—步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。
2.2 步进电机驱动器的特点
步进电机的驱动特点主要体现在以下几个方面：
(1) 各相绕组都是开关工作。多数电机绕组都是连续的交流或直流供电，而步进
电机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是断续的。
(2) 步进电机各相绕组都是在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电时，电流上升受到限制，因此影响电机绕组电流的大小。
(3) 绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。绕组导通和截止过程都会产生较大的反电势，而截止时的反电势将对驱动器功率器件的安全产生十分有害的影响，使整个系统的使用受到影响。
(4) 电机运行时在各相绕组中将产生旋转电势，这些电势的方向和大小将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电机输出转矩随着转速升高而下降。
2.3 混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较
与反应式和永磁式相比，混合式步进电机运行特性具有很多优点，在国外已是步进电机系列的主流。混合式步进电机的驱动技术在发展和成熟的过程中出现过各种各样的驱动电路拓扑结构和驱动方式。根据主电路结构的不同可分为单极性驱动、双极性驱动、全H桥和多相桥驱动；根据驱动方式的不同又可分为单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动、电流细分驱动等。
2.3.1 双极性驱动器与单极性驱动器
混合式步进电机要求双极性供电，也就是要求电机励磁绕组有时通正向电流，有时通反向电流。在步进电机发展的初期，电子技术发展水平有限，为了简化驱动电路，采用单极性电路。将电机绕组采取双线并绕，一相绕组分成二相，其中之二正向通电，另一则反向通电，这样可单极性供电而达到正、反向励磁的目的(图1)。最简单的两相电机单极性驱动电路，只要用四个功率开关管，结构简单，成本低，电机的绕组在同一时间只能有一半通电，因此绕组的电感小，有利于电机的高速性能；缺点是每次只使用了绕组的一半，中低速运行时转矩不如整个绕组励磁的电机。而且电机引线过多，两相电机需要六个引出端，三相电机需要9个引出端，五相电机则需要15个引出端，使得单极性驱动器与三、五相电机之间连线太复杂，因此仅用于两相混合式步进电机。
图1 单极性驱动电路
随着电子技术的发展，电子元器件价格的降低，双极性驱动电路的实现变得容易，成本也增加不多，因此现在绝大多数混合式步进电机使用双极性驱动。对电机绕组双向供电的典型结构是H桥式电路，如图2所示。当开关管T1，T4导通、T2，T3截止时，电流经T1、电机绕组和T4到地；Tl，T4截止、T2，T3导通时，电流经T3、电机绕组和T2到地；可见电流方向相反。Dl，D2，D3和D4四个二极管组成续流回路。电机每一相绕组需四只开关管驱动，驱动器成本比较高。电机的相数增多时，H桥式电路需要功率管数多的缺点较为突出，例如五相电机就需要20只功率管。
图2 H桥驱动电路
多相桥式电路，也叫多相半桥电路，这种电路比H桥减少了一半的晶体管，降低了驱动器的成本、体积和发热。采用多相桥式电路时，电机相绕组间通常为星形或多
边形联接，图3是三相混合式步进电机绕组二种联接的例子。星形接法时，二相绕组串联起来一起跨接到功放电源上，每相绕组的端电压大约只有功放级电压的一半，因此系统运行的高频特性和动态性能，比用H 桥式驱动电路时低。如果想要获得与H 桥驱动相近的性能，则绕组的匝数应减半或加倍相绕组的电压。电机绕组为三角形联接时，功放桥的电压直接加到每一相绕组上，相绕组的电压较高，高频运行及动态响应比星形接法时好，与H 桥驱动时相接近。但由于二相绕组的电流同时流经一个功率管，每个开关管的电流最大时约为相电流的二倍，即为H 桥驱动或星型接法驱动时的二倍。这两种接法共同的特点在于，电机三相电流不是独立可调的，根据基尔霍夫定理，电机三相电流必须满足一个约束方程：
0=++c b a I I I
图3 三相电机多相桥驱动的三角形和星形接法
2.3.2 单电压驱动方式
单电压驱动方式是指步进电机绕组上加上恒定的电压V ，这种驱动方式的电路相当简单，流经绕组中的电流以时间常数L/R(L 为绕组的电感，R 为绕组的电阻)上升，直到达到额定电流I=V/R 。当电机高速运行时，流经绕组的电流还未上升到额定电流就被关断，相应的平均电流减少而导致输出转矩下降。为改善高速运行的电机转矩特性，通常在连接电机绕组的线路中串联一个无感电阻来减少电气时间常数，同时成比例的增加电源电压以保持额定电流不变(图4)。单电压驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。缺点是串入电阻将加大功耗，降低功放电路的功率，必须具备相应的散热条件才能保证电路稳定可靠的工作。所以这种电路一般仅适合于
驱动小功率步进电机或对步进电机运行性能要求不高的情况。
图4 单电压驱动
2.3.3 高低压驱动方式
为了改善驱动器的高频特性，就必须提高导通电流的前沿，即提高电源电压，但是电压提高的同时也会使相绕组电流增大，必须加限制电阻，加入电阻后又会引起发热，加剧功率的损耗，降低效率。为了解决这些问题，又产生了高低压驱动电路。高低压驱动的设计思想是不论电动机的工作频率如何，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高低压驱动的原理线路如图5所示。
图5 高低压驱动电路原理图图6 斩波驱动电路原理图
高低压驱动可保证在很宽的频段内绕组都有较大的平均电流，在截止时又能迅速释放，能够产生较大的且较稳定的电磁转矩。其优点是：功耗小，启动转矩大，高频性能较好。但是也存在着低频振荡加剧，波形呈凹形，驱动电源和大功率管数量加倍，成本上升的缺点。
2.3.4 斩波恒流驱动
恒流斩波驱动控制技术是目前步进电机控制的主流技术之一，斩波电路的出现是为了弥补高低压驱动电路波形呈凹形的缺陷，使电机的输出转矩的平均值基本恒定。同时电机的高频响应得以提高，共振现象减弱。其电路结构如图6所示。
斩波驱动中，虽然电路较复杂，但是由于驱动电压较高，电机绕组回路又没有串入电阻，整个系统功耗下降很多，所以电流上升快。当达到所需要的电流时，由于取样电阻的反馈作用，使绕组电流基本恒定，从而保证在很大的频率范围内电动机的输出转矩基本恒定。而输出转矩是步进电机的一个重要性能指标，当我们使电机的绕组电流恒定在一个较高的数值时，就可提升电机的输出转矩。因此，为克服步进电机在高频时牵出转矩下降的问题，很多文献提出了一些新的恒流斩波驱动设计。但是，恒流斩波技术不能解决步进电机本身所固有的低频振动问题，无法克服步进电机因受步距角限制而不能实现多种步距角控制的缺陷。只有与单拍和双拍运行时相对应的两种步距角。
2.4 方案的确定
对比上面的各种方案方案，各有各自的优缺点。电流滞环型由于不需要三角载波环节，控制系统实现起来比较简单。而固定开关频率型在电磁噪声和输出电流谐波方面具有优势。在实际的步进电机驱动电路中考虑到成本和驱动电路精度要求的问题，双极性步进电机采用H桥驱动，单极性步进电机采用分立元件构成的驱动电路驱动。
三混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计
本章在以上章节的理论分析基础上，充分从实践的角度出发，主要介绍了该混合式步进电机驱动器的硬件设计部分，对硬件电路的总体设计方案及每个主要组成部分的功能及实现方法进行了详细的论述和分析。系统的框图如图7所示：
主机遥控器液晶显
示
从机步进电
机
图7 系统框图
3.1单片机最小系统
高单片机集成度高，具有丰富的内部资源，再加上少量的外围扩展电路就可以构成体积小、可靠性、控制功能强且性价比高的控制系统。Intel公司一直致力于单片机的开发研究，不断推出了许多功能更多，使用更方便的单片机系列，1980年在MCS-48的基础之上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。与MCS-48系列相比，MCS-51系列单片机有更高的集成度，更丰富的指令系统，更好的可扩展性，以后好多系列的的单片机都是基于51核的。8051单片机是MCS-51系列单片机中最基础的单片机型号，广泛应用己各个工程领域。本系统便采用了此款单片机。图8给出了它的最小系统电路图。
图8单片机最小系统
3.2 红外遥控电路
红外线属于不可见光。与可见光不同，其波长为850-11000nm，是人眼看不见的光线。红外线遥控器已被广泛使用在各种类型的家电产品上，它的出现给使用电器提供了很多的便利。红外遥控系统一般由红外发射装置和红外接收设备两大部分组成。
3.2.1 红外发射电路
红外发射装置可由键盘电路、红外编码芯片、电源和红外发射电路组成。该电路采用调幅方式，载波信号频率采用最常用的38KHZ。当编码调制信号为高时，有载波信号输出；但编码调制信号为低时，载波信号不输出。已调制的信号为断续的等幅信号（调制载波信号），信号波形如图9所示。
图9 信号波形图
调制信号时将指令编码后输出的信号。用MC145026做编码器。电路原理图如图10所示：
3
4
5
6
A
B
C
D
6
5
4
3
T itle
N u m be r
R evis io n
S iz e
B D a te :6-J u n-2008 S he e t o f File :
G:\Pra ya yaV 3\My D o cu m e nts\毕业设计Y X L \电路图\我的毕业设计.d db
D ra wn B y:12345678
161514131211109
R P 2R E S P A C K4
2
13
S W 1
2
1
3S W 2
2
13S W 3
2
13S W 4
2
13S W 5
2
13S W 6
2
13S W 7
2
13
S W 8
12345
109876
S 1S W D I P -5
A 11A 22A 33A 44A 55A /D -66A /D -77A /D -88A /D -99
R S 11C T C 12R T C 13
T E 14
D o ut 15V C C 16GN D
8
U1
MC 145026
T R IG 2Q 3R 4
C V o lt 5
T HR 6D IS 7V C C 8
GN D 1U 3
N E 555
Q 19014
Q 29014
L 1PH303
L 2PH303
B T 1B A T T E RY B T 2
B A T T E RY
D PN
R 110K
R 2
200R
R 310K R 410K
R 51K R 61K R 7100K
R 850K
C 15100p F
C 2
1000p F
C P 1C A P C P 2C A P C P 3C A P
12J 1POW E R
R 1010K
V C C
V C C
V C C
V C C
V C C
V C C
1112123134152637485910
A 9
B 7
C 6
D 14V C C 16GN D
8
N C 15U 2
74L S 147
S W
+6V
V C C
V C C
R E S ET
R E S ET
+5V
图10 遥控器发射电路
图中74LS147是优先编码器。从8条数据线（2SW1-2SW8）输入的开关状态信号被74LS147编码为4线BCD 码（8-4-2-1），再送MC145026，形成串行编码信号输出到NE555，产生调制、载波输出。图中R1，C2和电位器D1配合NE555产生38KHZ 的载波信号。MC145026发送串行编码脉冲。MC145026的引脚A1-A5为地址输入端，每一位都可设定为0，1和“开路”3个状态。图中仅采用了0和“开路”这两个状态，MC145026的地址设置应与解码器MC145027配对，否则不能解码。
红外发射电路板用4节5号电池供电。红外发射电路板到接收器（在主板上）的距离应在10m 以内，以保证信号的可靠收/发。
3.2.2 红外接收电路
红外接收设备可由红外接收电路、红外解码芯片、电源和应用电路组成。接收振荡频率应与发射振荡频率相同。考虑到用集成电路（HS0038A2）做红外接收头，其载波频率为38KHZ。与MC145026编码器配套的解码器为MC145027。接收电路原理图如图11所示：
图11 遥控器接收电路
图中HS0038A2是集成红外接收头。因为它的输出信号与解码器的输入信号反向，故加三极管Q1作为反相器。当MC145027收到信号并解码成功后，其VT端出现高电平，同时输出解码后的4位数据（HD0-HD3）。将VT信号反向，即可产生中断信号（INT0），向CPU申请中断。在中断服务子程序中安排从输入端口读取这4位数据（HD0-HD3）。
3.3 LCD显示电路
ST7920是台湾矽创电子公司生产的中文图形控制芯片，它是一种内置128×64－12汉字图形点阵的液晶显示控制模块，用于显示汉字及图形。该芯片共内置8192个中文汉字（16×16点阵）、128个字符的ASCII字符库（8×16点阵）及64×256点阵显示RAM（GDRAM）。
为了能够简单、有效地显示汉字和图形，该模块内部设计有2MB的中文字型CGROM 和64×256点阵的GDRAM绘图区域；同时，该模块还提供有4组可编程控制的16×
16点阵造字空间；除此之外，为了适应多种微处理器和单片机接口的需要，该模块还提供了4位并行、8位并行、2线串行以及3线串行等多种接口方式。
利用上述功能可方便地实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示，所有这些功能（包括显示RAM、字符产生器以及液晶驱动电路和控制器）都包含在集成电路芯片里，因此，只要一个最基本的微处理系统就可以通过ST7920芯片来控制其它的芯片。ST7920的主要技术参数和显示特性如下：
电源：VDD (－2.7～＋5.5V)＋5V(内置升压电路，一般无需负压)；
功耗：正常模式：450μＡ，睡眠模式：3μA，低功耗模式：30μA；
显示内容：128列× 64行；
显示颜色：黄绿；
显示角度：6：00钟直视；
LCD类型：STN；
与MCU接口：8位并行／3位串行；
配置有LED背光显示功能；
带有自动启动复位按钮(reset)；
软件功能设置：画面清除、光标显示／隐藏、光标归位、显示打开／关闭、显示字符闪烁、光标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示、液晶睡眠／唤醒、关闭显示、自定义字符、睡眠模式等。
原理图如图12所示：
图12显示电路原理图
3.4 双机通讯
在计算机冗余控制和分布式测控系统中，主要采用串行通信方式进行数据传输。8051单片机自备串行接口，为机间通信提供了极为便利的条件。
双击通信也称为点对点的通信，用于双机冗余控制单片机和单片机之间交换信息，也用于单片机和通用微机间的信息交流。
在本设计中由于液晶显示占用了80C51的大量资源，考虑到端口扩展与存储器扩展的成本问题，采用双机通信既方便又实惠。
硬件电路原理图如图13所示：
图13 双机通讯电路原理图
3.5 步进电机驱动部分
3.5.1 单极性步进电机驱动
单极性步进电机单相驱动电路原理图如图14所示：
图14 单极性步进电机驱动电路
AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4~P1.7输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一相绕组。AT89C2051选用频率12MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。
图3中的RL1~RL4为绕组内阻，50Ω电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。D1~D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管（D1~D4）而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。
在50Ω外接电阻上并联一个200μF电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200Ω电阻可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。
3.5.2 双极性步进电机驱动
单相驱动电路如图15所示：
图15双极性步进电机驱动电路
图中A0.A3为一对控制线圈电流的一个方向，A2.A4 为一对控制线圈电流的另一个方向。
3.6 电源电路
LM2575系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。
LM2575系列开关稳压集成电路的主要特性如下：
●最大输出电流：3A；
●最高输入电压：LM2575为40V，LM2575HV为60V；
●输出电压：3.3V、5V、12V、15V和ADJ（可调）等可选；
●振动频率：52kHz；
●转换效率：75%～88%（不同电压输出时的效率不同）；
●控制方式：PWM；
●工作温度范围：-40℃～+125℃
●工作模式：低功耗/正常两种模式可外部控制；
●工作模式控制：TTL电平兼容；
●所需外部元件：仅四个（不可调）或六个（可调）；
●器件保护：热关断及电流限制；
四相步进电机控制系 统设计
课题：四相五线单4拍步进制电动机的正反转控制专业：机械电子工程 班级：2班 学号： 20110259 姓名：周后银 指导教师：李立成 设计日期： 2014.6.9~2014.6.20 成绩：
1概述 本实验旨在通过控制STC89C52芯片，实现对四相步进电机的转动控制。具体功能主要是控制电机正转10s、反转10s，连续运行1分钟，并用1602液晶显示屏显示出来。 具体工作过程是：给系统上电后，按下启动开关，步进电机按照预先 实验具体用到的仪器：STC89C52芯片、开关单元、四项步进电机、等硬件设 备。 实验具体电路单元有：单片机最小系统、步进电机连接电路、开关连接电路、1602液晶显示屏显示电路。 2四相步进电机 2.1步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 2.2步进电机的控制 1.换相顺序控制：通电换相这一过程称为脉冲分配。 2.控制步进电机的转向控制：如果给定工作方式正序换相通电，步进 电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
3.控制步进电机的速度控制：如果给步进电机发一个控制脉冲，它就 转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。 2.3步进电机的驱动模块 ABCD四相工作指示灯指示四相五线步进电机的工作状态 2.4步进电机的工作过程 开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动， 1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，
1 绪论 1.1 引言 步进电动机一般以开环运行方式工作在伺服运动系统中，它以脉冲信号进行控制，将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移。步进电动机可以实现信号的变换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。由于其控制系统结构简单，控制容易并且无累积误差，因而在20世纪70 年代盛行一时。80 年代之后，随着高性能永磁材料的发展、计算机技术以及电力电子技术的发展，矢量控制技术等一些先进的控制方法得以实现，使得永磁同步电机性能有了质的飞跃，在高性能的伺服系统中逐渐处于统治地位。相应的，步进电机的缺点越来越明显，比如，其定位精度有限、低频运行时振荡、存在失步等，因而只能运用在对速度和精度要求不高，且对成本敏感的领域。 技术进步给步进电动机带来挑战的同时，也带来了新的发展遇。由于电力电子技术及计算机技术的进步，步进电动机的细分驱动得以实现。细分驱动技术是70 年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合性能的驱动控制技术。实践证明，步进电机脉冲细分驱动技术可以减小步进电动机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性等。由于电机制造技术的发展，德国百格拉公司于1973 年发明了五相混合式步进电动机，又于1993 年开发了三相混合式步进电动机。根据混合式步进电动机的结构特点，可以将交流伺服控制方法引入到混合式步进电机控制系统中，使其可以以任意步距角运行，并且可以显著削弱步进电机的一些缺点。若引入位置反馈，则混合式步进电机控题正是借鉴了永磁交流伺服系统的控制方法，研制了基于DSP的三相混合式步进电机驱动器。 1.2 步进电机及其驱动器的发展概况 按励磁方式分类，可以将步进电动机分为永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）三类，混合式步进电动机在结构和原理上综合了反应式和永磁式步进电动机的优点，因此混合式步进电动机具有诸多优良的性能，本课题的研究对象正是混合式步进电机。20 世纪60 年代后期，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。在近30 年间，步进电动机迅速的发展并成熟起来。从发展趋势来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。特别是混合式步进电动机以其优越的性能（功率密度高于同体积的反应式步进电动机50％）得到了较快的发展。其中，60 年代德国百格拉公司申请了四相（两相）混合式步进电动机专利，70 年代中期，百格拉公司又申请了五相混合式步进电动机
毕业设计 题目步进电机运动控制系统设计学院XXXXXX 年级专业应用电子专业 学生姓名XXXX 指导老师XXXX 专业负责人XXXXX 答辩日期
步进电机运动控制系统设计 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：步进电机单片机调速系统。
Stepper Motor Motion Control System Design Abstract：Stepper motor is the electrical impulse signals into angular displacement or linear displacement of the open-loop control components. In the non-overload case, the motor speed, and stop location depends only on pulse frequency and pulse number, regardless of the load change, that is, to add an electrical pulse signal, then turn one motor step angle. The existence of this linear relationship, coupled with only a periodic error of stepper motors without the accumulated error and so on. Made in terms of speed, position and other control areas to control the stepper motor used become very simple. Stepper motor speed control in general is to change the input frequency of stepper motor pulses to achieve the stepper motor speed, because the stepper motor to a pulse on each rotation a fixed angle, so that you can by controlling the stepper motor a pulse to the next a pulse time interval to change the pulse frequency, the length of delay to specific controls to change the angle stepper motor speed, in order to achieve speed control stepper motor. In this design the use of AT89C51 microcontroller-based timer to change the internal pulse frequency of CP in order to achieve the speed of stepper motor control, to achieve the function of motor speed and the positive inversion Keywords:Stepper Motor SCM Speed Control System
目录 摘要 (1) 1设计任务与要求 (2) 1.1设计目的 (2) 1.2设计要求和设计指标 (2) 2方案分析 (3) 3系统硬件部分 (4) 3.1主控模块 (4) 3.2键盘输入模块 (7) 3.3电机模块 (8) 3.4显示模块 (11) 4系统软件部分 (13) 4.1整体流程图及主程序 (13) 4.2按键流程图及程序 (14) 4.3显示模块程序 (19) 4.4电动机模块流程图及程序 (20) 4.5中断程序 (22) 5仿真运行 (24) 6心得体会 (25) 参考文献 (26) 附录一：Protues硬件仿真图 (27) 附录二：系统程序 (27)
摘要 步进电机在控制系统中具有很广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器或角位移发生器等。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 此次设计使用C语言作为编程语言。C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件、三维、二维图形和动画，具体应用例如单片机以及嵌入式系统开发。 硬件部分使用89C51作为主控芯片，并使用ULN2003A将单片机的信号放大以控制步进电机，同时使用4位数码管显示转动角度及次数。 关键词：步进电机C语言AT89C51 ULN2003A 转动角度
如对您有帮助，请购买打赏，谢谢您！ 引言 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。驱动器接收到一个脉冲信号后，驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。首先，通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；其次，通过控制脉冲顿率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到涮速的目的。目前，步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，在机电一体化产品中应用广泛，常用作定位控制和定速控制。步进电机驱动电路常用的芯片有l297和l298组合应用、3977、8435等，这些芯片一般单相驱动电流在2 a左右，无法驱动更大功率电机，限制了其应用范围。本文基于东芝公司2008年推出的步进电机驱动芯片tb6560提出了一种步进电机驱动电路的设计方案 1步进电机驱动电路设计 1.1 tb6560简介 tb6560是东芝公司推出的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片。其主要特点有：内部集成双全桥mosfet驱动；最高耐压40 v，单相输出最大电流3.5 a(峰值)；具有整步、1／2、1／8、1／16细分方式；内置温度保护芯片，温度大于150℃时自动断开所有输出；具有过流保护；采用hzip25封装。tb6560步进电机驱动电路主要包括3部分电路：控制信号隔离电路、主电路和自动半流电路。 1.2步进电机控制信号隔离电路 步进电机控制信号隔离电路如图1所示，步进电机控制信号有3个(clk、cw、enable)，分别控制电机的转角和速度、电机正反方向以及使能，均须用光耦隔离后与芯片连接。光耦的作用有两个：首先，防止电机干扰和损坏接口板电路；其次，对控制信号进行整形。对clk、cw信号，要选择中速或高速光耦，保证信号耦合后不会发生滞后和畸变而影响电机驱动，且驱动板能满足更高脉冲频率驱动要求。本设计中选择2片6n137高速光耦隔离clk、cw，其信号传输速率可达到10 mhz，1片tlp521普通光耦隔离enable信号。应用时注意：光耦的同向和反向输出接法；光耦的前向和后向电源应该是单独隔离电源，否则不能起到隔离干扰的作用。 1.3步进电机主电路 如图2所示，步进电机主电路主要包括驱动电路和逻辑控制电路两大部分。 驱动电路电源采用28 v，电压范嗣为4.5～40 v，提高驱动电压可增大电机在高频范围转矩的输出，电压选择要根据使用情况而定。vmb、vma为步进电机驱动电源引脚，应接入瓷片去耦电容和电解电容稳压。out_ap、out_am、out_bp、out_bm 引脚分别为电机2相输出接口，由于内部集成了续流二极管，这4个输出口不用
综合课程设计 题目两相步进电机 学院计信学院 专业10自动化 班级2班 学生姓名 指导教师文远熔 2012 年12 月28 日
两相步进电机课程设计报告 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。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被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，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。 关键字: 步进电机单片机
摘要 进步电机是几点数字控制系统中常用的控制元件之一。由于其精度高，体积小，控制方便灵活，因此在智能仪表和位置中得到广泛的应用。 步进电机是机电控制中一种常见的执行机构。步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。他易于实现与计算机或其他数字元件接口，适用于数字控制系统。
1 课程设计任务和要求 课程设计任务 设计一个三相步进电机控制系统，设计一个计算机步进电机程序控制系统，可以对步进电机的转速、转向以及位置进行控制。通过设计，掌握步进电机的工作原理、掌握步进电机控制系统的设计原理、设计步骤，进一步提高综合运用知识的能力。 要求完成的主要任务: （1）设计接口电路和驱动电路，对步进电机进行控制。 （2）选择控制算法，编写控制程序，实现三相步进电机在双三拍工作方式下先正转90度，然后再反转60度，要求其速度可调，转向可控。 （3）写出设计说明书。 课程任务要求 （1）查阅资料，确定设计方案 （2）选择器件，设计硬件电路，并画出原理图和PCB图 （3）画出流程图，编写控制程序 （4）撰写课程设计说明书 2 步进电机的概述 2.1 步进电机的特点 1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2）步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的
本科毕业设计 基于单片机的步进电机控制系统的设计
摘要 随着自动控制系统的发展和对高精度控制的要求，步进电机在自动化控制中扮演着越来越重要的角色，区别于普通的直流电机和交流电机，步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为控制执行元件，是机电一体化的关键组成之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 本系统介绍了一种基于单片机的步进电机控制系统的设计，包括了硬件设计和软件设计两部分。其中，硬件设计包括单片机最小系统、键盘控制模块、LCD显示模块、步进电机驱动模块、位置检测模块共5个功能模块的设计。系统软件设计采用C语言编写，包括主程序、数字键处理程序、功能键处理程序、电机驱动处理程序、显示模块、位置采集模块。 本设计采用STC89C52单片机作为主控制器，4*4矩阵键盘作为输入，LCD1602液晶作为显示，ULN2003A芯片驱动步进电机。系统具有良好的操作界面，键盘输入步进电机的运行距离；步进电机能以不同的速度运行，可以在不超过最大转速内准确运行到任意设定的位置，可调性较强；显示设定的运行距离和实际运行距离；方便操作者使用。关键词：单片机步进电机液晶显示键盘驱动
Design of the Stepping Motor Control System Based on SCM Qiu Haizhao (College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China) Abstract:With the development of automatic control system and the requirements of high-precision control, stepping motor control in automation is playing an increasingly important role, different from the common DC and AC motor, stepper motor rotation angle and rotational speed can be high-precision controlled. Stepper motor as a control actuator is a key component of mechanical and electrical integration, widely used in a variety of automated control systems and precision machinery and other fields. Stepper motor is the open-loop control components changing electric pulse signals into angular displacement or linear displacement .In the case of non-overloaded, the motor speed, stop position depends only on the pulse frequency and pulse number, regardless of load changes, that is, to add a pulse motor, the motor is turned a step angle. This system introduces a design of stepper motor control system based on single chip microcomputer, including hardware design and software design in two parts. Among them, the hardware design, including single chip minimal system, keyboard control module, LCD display module, the stepper motor drive module, position detection module five functional modules. System software design using C language, including the main program, process number keys, the key of function processes, motor driver handler, the display module, position acquisition module. This design uses STC89C52 microcontroller as the main controller, 4 * 4 matrix keyboard as an input, LCD1602 LCD as a display, ULN2003A chip as stepper motor driver. System has a good user interface, keyboard input stepper motor running distance; Stepper motor can run at different speed, and run to any given position accurately in any speed without exceeding the maximum speed, with a strong adjustable ; Display the running distance and the actual running distance, which is more convenient for the operator to use. Key words: SCM stepper LCD keyboard driver
步进电机控制器设计报告 1.绪言 在本次EDA课程设计中，我们组选择了做一个步进电机驱动程序的课题。对于步进电机我们以前并未接触过，它的工作原理是什么，它是如何工作的，我们应该如何控制它的转停，这都是我们迫切需要了解的。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 步进电机及驱动电源是互相联系的整体。步进电机驱动电源框图如图1所示。变频信号源产生频率可调的脉冲信号，调节步进电机的速度。脉冲分配器则根据要求把脉冲信号按一定的逻辑关系加到脉冲放大器上，使步进电机按确定的运行方式工作。 感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG 为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG 、110BYG 、（国际标准），而像70BYG 、90BYG 、130BYG 等均为国内标准。 1.1 驱动控制系统组成 使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统。 1.1.1 脉冲信号的产生 脉冲信号一般由单片机或CPU 产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4 左右，电机转速越高，占空比则越大。 1.1.2 信号分配 感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为，步距角为1.8 度；二相八拍为，步距角为0.9 度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB，步距角为1.8 度；四相八拍为 AB-B-BC-C-CD-D-AB，(步距角为0.9 度）。
课程设计 课程名称微型计算机控制技术 题目名称步进电机角度控制（1） 学生学院自动化学院 专业班级自动化（4）班 学号 学生姓名 指导教师 2012 年 6 月26 日
一、系统设计说明 1.硬件设计 本次设计要求通过键盘按键实现对步进电机的转动次数和每次转动的角度的控制，并通过数码管显示出来。 本方案中通过按键对步进电机的转动角度进行设定，给各个按键设置不同的键值。按下按键时，给8255A一个信号设定步进电机下一步的动作。8086通过8255A的数据总线读取该信号，并作出反应，通过给8255A一系列的指令驱动其工作，从而驱动步进电机和LED 显示器 2.软件设计 3.显示模块设计说明： 为使显示程序具有通用性和灵活性，在8086内设置一个显示缓冲区，显示缓冲区的每个单元与LED的各位一一对应。当主程序需要显示，只需将要显示的字符送入显示缓冲区，然后调用显示子程序。显示子程序的任务则是逐一取出显示缓冲区中的字符、查字形表转换成相应字型码，然后通过字段口输出显示。显示模块是用四位七段数码管来显示转动次数和每次转动的角度。给八个按键设置不同的子程序，当按下按键时，根据事先设定好的各个按键对应的转动角度的值输出到数码管进行显示。 步进电机模块设计说明： 在此设计中，采用的是八拍步进电机。步进电机控制程序就是完成环形分配器的任务，从而控制电动机的转动，以达到控制转动角度和位移的目的。控制模型可以以立即数的形式一一给出。对于步进电机模块的程序设计采用循环程序设计方法。先把转动的次数和角度的控制模型存放在内存单元中，然后再逐一从单元中取出控制模块并输出。首先启动，按下按键选择步进电机的角度，然后读入转动的控制模型驱动步进电机转动。 二、程序设计流程图
毕业设计论文 论文题目：基于单片机的步进电机控制电路板设计 摘要 随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。 本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制，通过IO口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机；同时，用 4个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。 系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括AT89C51单片机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动（集成达林顿ULN2003）模块、数码显示（SM420361K数码管）模块、测速模块（含霍尔片UGN3020）6个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上，对速度进行实时监控显示。软件采用在Keil软件环境下编辑
************* 第1章绪论 1.1 课题背景 当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。 随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品（打印机、照相机、雕刻机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。控制核心采用C51芯片，它以其独特的低成本，小体积广受欢迎，当然其易编程也是不可多得的优点为此，本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统，可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。 1.2 设计目的及系统功能 本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用AT89C51作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。 1
目录 1 总体方案的确定 (1) 1.1 对步进电机的分析 (1) 1.2 电机的控制方案 (2) 1.3 控制算法的方案 (3) 1.4 串口通讯的模拟 (3) 2 硬件的设计与实现 (4) 2.1 微处理器的选择 (4) 2.2 控制电路的实现 (4) 2.3 键盘和显示电路 (6) 3 软件的设计与实现 (6) 3.1 控制信号输入程序 (7) 3.2 步进电机控制程序设计 (8) 3.3 程序分析及说明 (9) 4 系统的仿真与调试 (10) 4.1 程序的调试 (11) 4.2 串口通信的调试 (11) 4.3 调试结果及分析 (11) 5 设计总结 (13) 参考文献 (14) 附录 (15)
步进电机速度控制系统设计报告 1 总体方案的确定 系统以单片机为核心，接收并分析来自键盘或串口的控制指令，经过CPU 的逻辑计算输出控制信息，让步进电机按要求转动。由于步进电机是开环元件，系统不需反馈环节，但也同时要求控制信号足够精确。此外，为实现单片机与电机之间信号对接，需要加入步进电机驱动单元。 1.1 对步进电机的分析 步进电机又叫脉冲电机，它是一种将电脉冲信号转化为角位移的机电式数模转换器。在开环数字程序控制系统中，输出控制部分常采用步进电机作为驱动元件。步进电机控制线路接收计算机发来的指令脉冲，控制步进电机做相应的转动，步进电机驱动数控系统的工作台或刀具。很明显，指令脉冲的总数就决定了数控系统的工作台或刀具的总位移量，指令脉冲的频率决定了移动的速度。因此，指令脉冲能否被可靠地执行，基本上取决于步进电机的性能。 步进电机的工作就是步进转动。在一般的步进电机工作中，其电源都是采用单极性的直流电源。要是步进电机转动，就必须对步进电机定子的各相绕组以适当的时序进行通电。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，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，即可达到调速的目的。本设计是用单片机输出可调脉冲作为单片机的控制信号，通过改写脉冲频率调节单片机转速。 常见的步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，但噪声和振动都很大。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,应用最为广泛。单片机管脚输出电压一般不足以驱动步进电机转动，所以需要在单片机和步进电机之间加入驱动电路。
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
河北xxxxxx学院 课程设计说明 书 题目：步进电机控制系统 学院（系）： 年级专业： 学号： 学生姓名： 同组学生： 指导教师：
步进电机控制系统 设计者：xxxxx 指导老师：xxxx 1摘要： 由于步进电机自身的特点、不需要位置、速度等信号反馈，只需要脉冲发生器产生足够的脉冲数和合适的脉冲频率，就可以控制步进电机移动的距离和速度。步进电机的运转方向的控制为输入电机各绕组的通电顺序。例如，一个三相步进电机的通电顺序为：a—ab—b—bc—c—ca—a--.....，此时点击正转，若通电顺序改为：a—ac—c—cb—b—ba—a--.....时点击反转。既可以通过改变环形分配器的脉冲输出顺序，也可以通过编程改变输出脉冲的顺序，来改变输入到各绕组的通电顺序，达到控制电击方向的目的。 关键词：步进电机 PLC 步进电机驱动器 引言步进电机是一种常用的电气执行原件，一种多相或单相同步点击，在数控机床、包装机械等自动控制及检测仪表等方面得到广泛运用。随着plc的不短发展。其功能越来越强大，除了有简单的逻辑功能和顺序控制外，运算功能的加入、pid和各类高速指令、使得plc对复杂和特殊系统的控制应用更加广泛。Plc与数控技术的结合产生了各种不同类型的数控设备。 2 任务与要求 (1) 了解步进电机的原理 (2) 熟练使用PLC控制步进电机，了解步进电机驱动器原理 3 装置原理介绍 3.1控制系统功能框图 在步进电机控制系统中，首先控制步进电机使之稳步启动，然后高速运动，接近制定位置时，减速之后低速运动一段时间，在准确地停在预定的位置上，最后步进电机停留2s后，按照前进时的加速—高速—减速—低速的步骤返回到起始点，其运动状态转换过程平稳，其功能框图如图3.1所以，其简单工作过程如图3.2所示。 由于步进电机本身的结构特性决定了它要实现高速运转必须有加速过程，如果在启动时突然加载高频脉冲，电机会产生啸叫、失步甚至不能启动，在停止阶段也是这样，当高频脉冲突然降到零时，电机会产生啸叫和振动，所以在启动和停止时，都必须有一个加速和减速过程。 3.2步进电机控制系统硬件设计 由于步进电机的硬件结构特性，所以对输入的脉冲的频率有所限制，对于低频的脉冲输出时，plc可以利用定时器来完成。若要求步进电机的速度较快时，就需要用plc的高速脉冲输出指令，这时就需要在程序中设置相应的步骤来完成对步进电机的控制。 3.21 组建器材 （1）主机plc 根据系统的控制要求，采用三菱FX系统系列的plc作为控制器。（2）限位开关此系统中共用了两个限位开关：左限位开关和右限位开关。这两个限位开关的作用是控制物体的位置，防止物体超出合理的工作范围。 （3）步进电机步进电机是该系统的执行机构
两相步进电机驱动器设计 目录 第1章绪论 (3) 1.1 引言 (3) 1.2 步进电机常见的控制方法与驱动技术简介 (3) 第2章设计方案 (5) 2.1 步进电机的介绍 (5) 2.2 步进电机的特点 (6) 2.3 步进电机的分类 (6)
2.4步进电机运动特性及性能参数 (7) 2.5 设计方案的确定 (8) 2.6 设计思想与设计原理 (9) 第3章单元电路的设计 (9) 3.1方波产生电路设计 (9) 3.2 信号的分配 (13) 3.3功率放大电路设计 (15) 3.4 总体设计 (16) 第4章设计方案的论证 (18) 第5章心得体会 (18) 第6章参考文献 (19) 第1章 1.1 引言 步进电动机一般以开环运行方式工作在伺服运动系统中，它以脉冲信号进行控制，将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移。步进电动机可以实现信号的变换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。由于其控制系统结构简单，控制容易并且无累积误差，因而在20世纪70 年代盛行一时。80 年代之后，随着高性能永磁材料的发展、计算机技术以及电力电子技术的发展，矢量控制技术等一些先进的控制方法得以实现，使得永磁同步电机性能有了质的飞跃，在高性能的伺服系统中逐渐处
于统治地位。相应的，步进电机的缺点越来越明显，比如，其定位精度有 限、低频运行时振荡、存在失步等，因而只能运用在对速度和精度要求不 高，且对成本敏感的领域。技术进步给步进电动机带来挑战的同时，也带 来了新的发展遇。由于电力电子技术及计算机技术的进步，步进电动机的 细分驱动得以实现。细分驱动技术是70 年代中期发展起来的一种可以显 著改善步进电机综合性能的驱动控制技术。实践证明，步进电机脉冲细分 驱动技术可以减小步进电动机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控 制的灵活性等。由于电机制造技术的发展，德国百格拉公司于1973 年发 明了五相混合式步进电动机，又于1993 年开发了三相混合式步进电动机。 根据混合式步进电动机的结构特点，可以将交流伺服控制方法引入到混合 式步进电机控制系统中，使其可以以任意步距角运行，并且可以显著削弱 步进电机的一些缺点。若引入位置反馈，则混合式步进电机控题正是借鉴 了永磁交流伺服系统的控制方法，研制了基于DSP的三相混合式步进电机驱 动器. 1.2 步进电机常见的控制方法与驱动技术简介 1.2.1常见的步进电机控制方案 1、基于电子电路的控制 步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图1.1所示。 脉冲控制器 功 率 放 大 驱 动 电 路 环 形 分 配 器 步 进 电 机