基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計(完整資料)

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編號:基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計(完整資料）(可以直接使用，可編輯優(yōu)秀版資料，歡迎下載）畢業(yè)論文（設計)題目基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計指導教師學生姓名學號專業(yè)教學單位（蓋章）二O一一年五月四日畢業(yè)論文(設計）開題報告書2011院（系）機電工程系專業(yè)自動化姓名學號論文（設計）題目基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計一、選題目的和意義隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，步進電機的應用越來越廣泛。步進電動機是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或線位移的微電動機，它最突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚校虼嗽诖蛴C等辦公自動化設備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應用。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機的需求量與日俱增，研制步進電機驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義.二、本選題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為Steppingmotor，Pulsemotor或Stepperservo，其應用發(fā)展已有80年的歷史。正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點,所以成了機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中.隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展。步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到了廣泛應用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。其中華中數(shù)控系統(tǒng)解決了“五軸聯(lián)動”，為“神州”系列飛船順利升空立下了汗馬功勞。雖然與發(fā)達國家相比，我國的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已經(jīng)在我國占有非常重要的地位，并起了很大的作用。三、課題設計方案[主要說明：研究（設計)的基本內(nèi)容、觀點及擬采取的研究途徑和方法.]為了使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低、功能齊全、適應性強、電機各種運行狀態(tài)指示一目了然，操作方便、系統(tǒng)抗干擾和可靠性高，所以本課題采用單片機的軟件和硬件結(jié)合進行控制，運用其強大的可編程和運算功能,充分利用單片機的各種資源,能靈活的對步進電機進行控制,實現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制。采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器,達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強大功能,還可設計大量的外圍電路,鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制,顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度，環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn),采用軟件編程的方法實現(xiàn)脈沖的分配。本方案有以下優(yōu)點(1）單片機軟件編程可以使復雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等控制精度的影響；（2）用軟件代替環(huán)形分配器,通過對單片機的設定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動,大大提高了接口電路的靈活性和通用性；（3)單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。四、計劃進度安排［主要說明:起止時間及分階段的進度要求。]（1）步進電機的概述.闡述步進電機的特點、分類和工作原理，為后面的硬件、軟件設計提供必須的理論基礎(chǔ)。（20112。20—3。3）(2)概述步進電機的控制系統(tǒng),在框架結(jié)構(gòu)上對整個系統(tǒng)進行介紹，而且重點闡述基于單片機的控制系統(tǒng)的一般框架,為自己的設計提供有力的支持,接著介紹本論文要設計的控制系統(tǒng)的功能特點，及要實現(xiàn)的操作方式.（2011。3。4-3.15）（3）系統(tǒng)硬件設計。先提出框架，然后分別闡述單片機端口分配、外圍電路、驅(qū)動電路的設計.（2011。3。16—3.27)（4）系統(tǒng)軟件設計.按照模塊化的思想，主要闡述主流程、初始化流程及幾種模式下的不同的控制流程。（2011。3。28—4。7）（5）進一步完善初稿。（2011。4。8—4.10）五、主要參考文獻［1］張友德.單片微型機原理、應用與實驗[M］。上海:復旦大學出版社，2005。[2]李夙.異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京:機械工業(yè)出版社，1998.［3]王鴻鈺。步進電機控制入門[M].上海：同濟大學出版社,1990.［4]袁任光,張偉武.電動機控制電路選用與258實例［M]。北京：機械工業(yè)出版社，2005.［5]王秀和.永磁電機［M］。北京：中國電力出版社，2007.[6］房玉明,杭柏林.基于單片機的步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)［J].電機與控制應用,2006，33（4）：64—64。［7]孫笑輝,韓曾晉.減少感應電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動的方法［J].電氣傳動，2001，(1)：8—11.[8］馮江華,陳高華，黃松濤。異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制［J］。電工技術(shù)學報，1999，(6)：29-33。指導教師意見及建議：議：簽名：年月日教學單位領(lǐng)導小組審批意見：組長簽名：年月日畢業(yè)論文（設計）中期檢查表院(系）：機電工程系專業(yè)：自動化2011年4月1日畢業(yè)論文（設計)題目:基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計學生姓名學號指導教師職稱副教授計劃完成時間：2011年4月20日畢業(yè)論文（設計）的進度計劃：20112。20—3.3步進電機的概述。闡述步進電機的特點、分類和工作原理,為后面的硬件、軟件設計提供必須的理論基礎(chǔ)。2011。3.4—3.15概述步進電機的控制系統(tǒng)，在框架結(jié)構(gòu)上對整個系統(tǒng)進行介紹，而且重點闡述基于單片機的控制系統(tǒng)的一般框架，為自己的設計提供有力的支持，接著介紹本論文要設計的控制系統(tǒng)的功能特點,及要實現(xiàn)的操作方式。2011.3。16—3.27系統(tǒng)硬件設計。先提出框架，然后分別闡述單片機端口分配、外圍電路、驅(qū)動電路的設計。2011。3.28—4。7系統(tǒng)軟件設計。按照模塊化的思想，主要闡述主流程、初始化流程及幾種模式下的不同的控制流程。2011.4.8-4。10進一步完善初稿.完成情況：到現(xiàn)在為止，我通過查找資料學到了很多……指導教師評議(指出優(yōu)點和不足,如有其它建議，可另附頁）簽名：xxxx年x月x日備注：目錄TOC\o"1—2”\h\z\uHYPERLINK\l”_Toc293065422"1引言11.1課題研究的目的和意義1_Toc293065425”2。1步進電機介紹2HYPERLINK\l”_Toc293065426"2。2步進電機驅(qū)動系統(tǒng)介紹6HYPERLINK\l”_Toc293065427"2.3單片機原理8HYPERLINK\l”_Toc293065428”3系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)133.1系統(tǒng)整圖133.4驅(qū)動部分163。5狀態(tài)指示部分163。6時鐘部分17HYPERLINK\l”_Toc293065435”4系統(tǒng)軟件設計18HYPERLINK\l”_Toc293065436"4.1系統(tǒng)主程序18HYPERLINK\l”_Toc293065437"4。2查鍵部分184.3前進部分194.4后退部分204.5加速部分21HYPERLINK\l”_Toc293065441”4.6減速部分22參考文獻23謝辭24基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計摘要：步進電機由于用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單，廉價,又非常可行，因此在打印機等辦公自動化設備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應用。本文介紹的是一種基于單片機的步進電機的系統(tǒng)設計，用匯編語言編寫出電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止程序，通過單片機、電機的驅(qū)動芯片ULN2004以及相應的按鍵實現(xiàn)以上功能，并且步進電機的工作狀態(tài)要用相應的發(fā)光二極管顯示出來。本文內(nèi)容介紹了步進電機以及單片機原理、該系統(tǒng)的硬件電路、程序組成,同時對軟、硬件進行了調(diào)試，同時介紹了調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題以及解決問題的方法。該設計具有思路明確、可靠性高、穩(wěn)定性強等特點，通過調(diào)試實現(xiàn)了上述功能。關(guān)鍵詞：步進電機；脈寬調(diào)制；驅(qū)動機構(gòu)；單片機;轉(zhuǎn)動1引言1.1課題研究的目的和意義步進電動機是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或線位移的微電動機，它最突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚校虼嗽诖蛴C等辦公自動化設備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應用。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展,步進電動機的需求量與日俱增,研制步進電機驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。本論文所選的步進電機是四相步進電機，采用的方法是利用單片機控制步進電機的驅(qū)動。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的.可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達到調(diào)速的目的。本次畢業(yè)設計就是通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進電機的速度的,并且通過數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級別.另外通過單片機實現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn)，步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100％）的特點,廣泛應用于各種開環(huán)控制。2步進電機與單片機簡介2。1步進電機介紹步進電機概述步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下,電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角.這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變得非常的簡單.正常情況下，步進電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關(guān)系,不受電壓波動和負載變化的影響.由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制.本次畢業(yè)設計采用的是步距角為1.8度的四相八拍永磁式步進電機。步進電機的基本參數(shù)：(一）步進電機的靜態(tài)指標術(shù)語1、相數(shù):產(chǎn)生不同對N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。2、拍數(shù):完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示,或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC—CD-DA-AB，四相八拍運行方式即

A-AB-B-BC—C-CD-D-DA-A.3、步距角：對應一個脈沖信號,電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)＊運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50＊8）=0.9度(俗稱半步）.4、定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）5、靜轉(zhuǎn)矩:電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積(幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比,與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。（二）步進電機動態(tài)指標及術(shù)語：1、步距角精度:步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同,四拍運行時應在5％之內(nèi)，八拍運行時應在15％以內(nèi)。2、失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù).稱之為失步3、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角,由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。4、最大空載起動頻率:電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下,在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。5、最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。6、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。電機一旦選定,電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然,電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流(而非靜態(tài)電流)，平均電流越大，電機輸出力矩越大,即電機的頻率特性越硬。

要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓,使采用小電感大電流的電機。7、電機的共振點：

步進電機均有固定的共振區(qū)域,二、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180—250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0。9度）,電機驅(qū)動電壓越高,電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。

8、電機正反轉(zhuǎn)控制：當電機繞組通電時序為A-AB—B-BC-C—CD-D—DA時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA—D-CD—C—BC—B-AB-A時為反轉(zhuǎn).步進電機的特征如下：1、一般步進電機的精度為步進角的3％—5％，且不積累。2、步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上,有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3、步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電機轉(zhuǎn)動時,電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高,反向電動勢越大.在它的作用下,電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減少，從而導致力矩下降。4、步進電機低速時可以正常轉(zhuǎn)動，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲.步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應用。步進電機的工作原理步進電機的工作就是步進轉(zhuǎn)動,其功用是將脈沖電信號變換為相應的角位移或是直線位移，就是給一個脈沖信號，電動機轉(zhuǎn)動一個角度或是前進一步。步進電機的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率(f）成正比，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。如下所示的步進電機為一四相步進電機,采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。圖1

四相步進電機步進示意圖開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當開關(guān)SC接通電源,SB、SA、SD斷開時,由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒,2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2所示：圖2步進電機工作時序波形圖2。1。3步進電機的分類與選擇現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機(HB)和單相式步進電機等。反應式步進電動機采用高導磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當小,一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1。5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組,利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，但動態(tài)性能相對較差。永磁式步進電機轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，它的出力大，動態(tài)性能好，但步距角一般比較大.一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度.混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1。8度而五相步進角一般為0.72度.這種步進電機的應用最為廣泛,它是PM和VR的復合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料,定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，步距角小，出力大，動態(tài)性能好,是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關(guān)的設備中多用此類電機.步進電機有步距角(涉及到相數(shù))、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定,步進電機的型號便確定下來了。1、步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率(當量）換算到電機軸上,每個當量電機應走多少角度(包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0。36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度

（三相電機）等。2、靜力矩的選擇步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩.靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種.單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時(一般由低速)時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載.一般情況下,靜力矩應為摩擦負載的2—3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定,電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸).3、電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流(參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）。4、力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P=

Ω·M

Ω=2π·n/60

P=2πnM/60（1）

其P為功率單位為瓦,Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米P=2πfM/400（半步工作）(2）其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS）2.2步進電機驅(qū)動系統(tǒng)介紹2.2。1步進電機驅(qū)動系統(tǒng)簡介步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備——步進電機驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與電機本身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣.典型的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅(qū)動器和步進電機本體三部分組成。步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號,每發(fā)一個脈沖，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個步距角，即步進一步。步進電機轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低?？刂破鞯姆较蛐盘枦Q定步進電機的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。通常，步進電機驅(qū)動器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動電路、保護電路和電源組成。步進電機驅(qū)動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預先設定的電機通電方式產(chǎn)生步進電機各相勵磁繞組導通或截止信號?？刂齐娐份敵龅男盘柟β屎艿?，不能提供步進電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅(qū)動器的功率驅(qū)動部分。功率驅(qū)動電路向步進電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。保護電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅(qū)動器和電機的運行。2。2.2步進電機繞組的電氣特性步進電機各相繞組都是在鐵心上的銅線圈，電阻和電感是電機相繞組的兩個固有屬性，電機的性能和這兩個因素密切相關(guān).繞組通電時,電感使繞組電流上升速度受到限制，因此影響電機繞組電流的大小。繞組線圈的電阻是電機溫升和電能損耗的主要因素。圖3電感—電阻串聯(lián)電路及其電流波形步進電機的相繞組可以等效為一個電感一電阻串聯(lián)電路。圖3表明了一個電感一電阻電路的電氣特性。在t=0時刻，電壓V施加到該電路上時，電路中的電流變化規(guī)律為：I(t)=V（1—e—Rt/L)/R（3）通電瞬間繞組電流上升速率為:di（0）/dt=V/t（4)經(jīng)過一段時間，電流達到最大值：Imax=V/R(5）L/R定義為該電路的時間常數(shù)，是電路中的電流達到最大電流Imax的63%所需要的時間.在t=t：時刻，電路斷開與直流電壓源V的連接,并且短路，電路中的電流以初始速率一V/L開始下降，電流變化規(guī)律為:I(t）=Ve—R(t—t1）/L/R（6）不同頻率的矩形波電壓施加到該電路上，電流波形如圖4所示。低頻時電流能夠達到最大值(a）；當矩形波頻率上升達到某一臨界頻率,電流剛達到最大值就開始下降(（b)：矩形波頻率超過此臨界值后，繞組中的電流不能達到最大值（c)。因為步進電機轉(zhuǎn)矩的大小與繞組的電流成正比，所以電機低速運行時,電機能夠達到其額定轉(zhuǎn)矩，而在某一特定頻率以上運行時，繞組電流隨著頻率的提高逐漸下降，電機轉(zhuǎn)矩也相應逐漸減小,從而降低了高速運轉(zhuǎn)時帶負載能力。圖4不同頻率脈沖作用下電感—電阻電路的電流波形要改善電機高速運行時的性能，有兩種辦法：提高電流上升速度VA和減小時間常數(shù)L/R；可以通過加大繞組的電壓從而增加電流上升的速率得時間常數(shù)?；蛘咴陔娐分写?lián)電阻，使L/R減少。2.3單片機原理2.3。1單片機原理概述單片機（single-chipmicrocomputer）是把微型計算機主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計算機.圖5中表示單片機的典型結(jié)構(gòu)圖。由于單片機的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號傳送距離，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運行速度,同時它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機在工業(yè)過程及設備控制中得到了廣泛的應用.圖5典型單片機結(jié)構(gòu)圖單片機的應用系統(tǒng)單片機在進行實時控制和實時數(shù)據(jù)處理時,需要與外界交換信息。人們需要通過人機對話,了解系統(tǒng)的工作情況和進行控制。單片機芯片與其它CPU比較，功能雖然要強得多，但由于芯片結(jié)構(gòu)、引腳數(shù)目的限制，片內(nèi)ROM、RAM、I/O口等不能很多，在構(gòu)成實際的應用系統(tǒng)時需要加以擴展，以適應不同的工作情況。單片機應用系統(tǒng)的構(gòu)成基本上如圖6所示.圖6單片機的應用系統(tǒng)單片機應用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置的狀況,可以分為最小應用系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)、典型應用系統(tǒng)。本設計是設計一款最小應用系統(tǒng)，最小應用系統(tǒng)是指能維持單片機運行的最簡單配置的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單，常用來構(gòu)成簡單的控制系統(tǒng),如開關(guān)量的輸入/輸出控制、時序控制等。對于片內(nèi)有ROM/EPROM的芯片來說,最小應用系統(tǒng)即為配有晶體振蕩器、復位電路和電源的單個芯片;對與片內(nèi)沒有ROM/EPROM芯片來說,其最小應用系統(tǒng)除了應配置上述的晶振、復位電路和電源外，還應配備EPROM或EEPROM作為程序存儲器使用。2.3.3AT89C51簡介AT89C51的主要參數(shù)如表1表1AT89C51的主要參數(shù)型號存儲器定時器I/0串行口中斷速度（MH)其它特點E2PROMROMRAM89C514K1282321624低電壓AT89C51含E2PROM電可編閃速存儲器.有兩級或三級程序存儲器保密系統(tǒng)，防止E2PROM中的程序被非法復制。不用紫外線擦除，提高了編程效率。程序存儲器E2PROM容量可達20K字節(jié).AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM-FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標準的MCS—51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器,為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。其引腳如圖7所示。1、主要特性：

·與MCS—51兼容

·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器

壽命：1000寫/擦循環(huán)

圖7單片機的引腳排列·全靜態(tài)工作：0Hz—24Hz

·三級程序存儲器鎖定

·128*8位內(nèi)部RAM

·32可編程I/O線

·兩個16位定時器/計數(shù)器

·5個中斷源

·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路2、管腳說明：

VCC:供電電壓。

GND:接地.

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入.P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時,P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時,將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收.

P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故.P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時,它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時,P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號.

P3口:P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流（ILL)這是由于上拉的緣故.

P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,如下所示：

P3口管腳備選功能

P3。0RXD(串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）

P3。2/INT0（外部中斷0）

P3。3/INT1（外部中斷1）

P3。4T0(記時器0外部輸入）

P3.5T1（記時器1外部輸入）

P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）

P3。7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）

P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號.

RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。

ALE/PROG：當訪問外部存儲器時,地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié).在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖.在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的.然而要注意的是:每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時,將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外,該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止,置位無效.

/PSEN：外部程序存儲器的選通信號.在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器(0000H—FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源（VPP)。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。

XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。3、I/O口引腳：a：P0口，雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時復用；b:P1口，8位準雙向I/O口；c:P2口,8位準雙向I/O口,與地址總線(高8位）復用；d：P3口,8位準雙向I/O口，雙功能復用口。4、振蕩器特性:

XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求,但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。5、芯片擦除：整個EPROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中,代碼陣列全被寫“1"且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。

此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作.但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器,禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。3系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)3.1系統(tǒng)整圖系統(tǒng)整圖如圖8所示，本系統(tǒng)采用外部中斷方式，p0口作為信號的輸入部分，p1口為發(fā)光二極管顯示部分，p2口作為電機的驅(qū)動部分。圖8系統(tǒng)整圖3。2電源部分利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的電壓，它們的應用要注意以下幾點：(1）輸入輸出壓差不能太大,太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低，而且容易擊穿損壞；（2）輸出電流不能太大，1。5A是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大,否則會導致高溫保護或熱擊穿；（3)輸入輸出壓差也不能太小,大小效率很差。其中12V電壓給步進電機供電,5V電壓則給單片機供電。分別如圖9、圖10所示。(1)、產(chǎn)生12V的電壓給步進電機供電圖912V電路部分（2）產(chǎn)生5V的電壓給單片機供電圖105V電路部分3。3按鍵部分本次設計選用的是單片機的P0口來控制信號的輸入，所以把按鍵開關(guān)和P0口連接起來，當按下開關(guān)S1時，相當于給P0。0口一個低電平；當按下開關(guān)S2時，相當于給P0。1口一個低電平；當按下開關(guān)S3時，相當于給P0。2口一個低電平；當按下開關(guān)S4時，相當于給P0.3口一個低電平;當按下開關(guān)S5時，相當于給P0。4口一個低電平.然后通過單片機實行相應的操作。如圖11圖11按鍵部分電路3.4驅(qū)動部分此電路是步進電機的驅(qū)動部分,我選用的是ULN2004芯片來驅(qū)動的，ULN2004系列是一款高耐壓，大電流達林頓管驅(qū)動器,包含7個NPN達林頓管。如圖12圖12驅(qū)動部分電路3。5狀態(tài)指示部分狀態(tài)指示用P1口控制發(fā)光二極管的顯示，如果相應端口是低電平，相應的發(fā)光二極管就會亮,用它來表示步進電機所處的狀態(tài)。如圖13圖13狀態(tài)指示部分電路3.6時鐘部分時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏，可以通過提高時鐘頻率來提高CPU的速度，本次設計采用的晶振為12MHz.如圖14圖14時鐘部分電路4系統(tǒng)軟件設計4。1系統(tǒng)主程序系統(tǒng)分為電機正轉(zhuǎn)、電機反轉(zhuǎn)、電機加速與電機減速的幾部分組成，其主程序框圖如圖15所示。開始開始初始化調(diào)按鍵子程序調(diào)按鍵子程序調(diào)用正反轉(zhuǎn)子程序調(diào)用加減速子程序停止圖15主程序框圖4.2查鍵部分查鍵程序用于判斷P0.0口與P0.1口的值，當p0。0口為0時，電機正轉(zhuǎn)，當p0.0口為1時,繼續(xù)判斷p0。1口的值，p0.1口為0時，電機反轉(zhuǎn)。如圖16所示.NNNYY調(diào)按鍵子程序P0.0是否為0P0.1是否為0前進后退圖16查鍵部分流程圖4。3前進部分系統(tǒng)初始化之后，前進子程序R0用于給P2口送不同的值，根據(jù)電機轉(zhuǎn)動的相序，使電機正向轉(zhuǎn)動，P2口的值分別為01H，03H，02H，06H，04H，0CH，08H,09H。流程圖如圖17所示。開始開始（R0）+1→R0延時子程序（R0）是否等于17H10H→（R0）NY圖17前進部分流程圖4。4后退部分電機反轉(zhuǎn)原理與正轉(zhuǎn)相似，此時P2口的值分別為09H，08H，0CH,04H，06H，02H，03H，01H。流程圖如圖18所示。開始開始（R0）—1→R0延時子程序（R0）是否等于10H17H→（R0）NY圖18后退部分流程圖4。5加速部分當電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的時候，按下加速鍵，調(diào)用加速子程序，使電機每轉(zhuǎn)動一步的延時時間變短，從而實現(xiàn)電機的加速。流程圖如圖19所示。YYN開始（R1）是否為25H（（R1）+1）→R1正反轉(zhuǎn)子程序圖19加速部分流程圖4。6減速部分電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的時候，按下減速鍵，通過改變電機每轉(zhuǎn)動一步的延時時間，使時間變長，從而實現(xiàn)電機減速.流程圖如圖20所示。YYN開始（R1）是否為20H（（R1）—1）→R1正反轉(zhuǎn)子程序圖20減速部分流程圖參考文獻:［1］張友德.單片微型機原理、應用與實驗[M］。上海：復旦大學出版社,2005。[2]李夙。異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制[M］。北京:機械工業(yè)出版社，1998.［3］王鴻鈺.步進電機控制入門［M］。上海：同濟大學出版社,1990.[4]袁任光，張偉武。電動機控制電路選用與258實例[M］。北京：機械工業(yè)出版社,2005。［5]王秀和.永磁電機［M］.北京:中國電力出版社,2007.[6]房玉明，杭柏林?；趩纹瑱C的步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)[J]。電機與控制應用，2006，33（4）：64—64.［7]孫笑輝,韓曾晉.減少感應電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動的方法[J］.電氣傳動，2001，（1)：8-11。[8]馮江華，陳高華，黃松濤.異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制［J］.電工技術(shù)學報，1999，（6):29-33。［9］江一,朱凌，申仲濤.異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真研究[J].華北電力大學學報，2003,(1）:10-13。[10］韓利虎.淺談步進電機的基本原理[J］。內(nèi)蒙古石油化工,InnerMongoliaPetrochemicalIndustry,2007，(11）：109。［11］張巍.淺談單片機控制步進電機[J]。安防科技，2006,（3)：25.［12]喬璐.，景林，韓英桃.一種實用的步進電動機驅(qū)動器設計［J].微特電機，2005，(10）：29—31.[13］康晶。采用反饋控制的步進電機高低壓驅(qū)動電路[J]。電力電子技術(shù),2003,37(1):61-62,65.Microcontroller-basedsteppermotorcontrolsystemXianghaidong(MechanicalandElectronicEngineeringDepartmentofDezhouUniversity,DezhouShandong，253023Abstract：Abstract：Thesteppermotorduetotheuseofitsopen—loopsystemcomposedofsimple，inexpensive,andverypractical，soprintersandotherofficeautomationequipmentandvariouscontroldevices，andotherfieldshasaverywiderangeofapplications.Thisarticledescribesastepmotor—basedsystemdesign，assemblylanguagethemotorforward，reverse，speedup,slowdown,stoptheprogram,throughthemicrocontroller,motordriverchipULN2004andthecorrespondingkeytoachievetheabovefunction,andtheworkingstatusofthesteppermotortousethecorrespondinglight-emittingdiodedisplay。Thisarticledescribestheprinciplesofthesteppermotorandthemicrocontroller,thehardwarecircuit，programcomponents，whilesoftwareandhardwaredebugging,thedebuggingprocessisalsointroducedproblemsandsolutionstotheproblem。Thedesignhasaclearideaof??highreliability，stabilityandothercharacteristics,toachievetheabovethroughthedebuggingfunctions.KeyWords:steppingmotor；pulsewidthmodulation；drivemechanism；SCM；rotation致謝感謝我的室友們,有你們在行動和思想上的支持和鼓勵，才使得我這次畢業(yè)設計能順利完成。感謝此次指導我完成這篇論文的唐在他們身上我學到了許多東西，尤其是做不出來死不休的那種干勁，一種年輕人的執(zhí)著與堅定信念.讓我懂得了許多曾經(jīng)不知道的知識.在今后的人生道路上要不畏艱難，堅定執(zhí)著的去追尋我的夢想。在此誠心的謝謝大家!謝謝！德州學院畢業(yè)(論文)設計評德州學院畢業(yè)(論文)設計評語院（系）:機電工程系專業(yè):自動化學生姓名：學號：題目：基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計指導教師評語:評定成績：指導教師簽名：年月日德州學院畢業(yè)(論文)設計評德州學院畢業(yè)(論文)設計評語院（系）：機電工程系專業(yè):自動化學生姓名：學號：題目：基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計評閱人評語：評定成績：評閱人簽名:年月日德州學院畢業(yè)(論文)設計評德州學院畢業(yè)(論文)設計評語院（系）：機電工程系專業(yè)：自動化學生姓名:學號：題目：基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計答辯小組評語：評定成績：答辯小組組長簽名:年月日指導教師評定成績（30％）評閱人評定成績（30％）答辯小組評定成績(40％）答辯委員會主任簽字：年月日綜合評定成績基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計摘要:步進電動機由于用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚?，因此在打印機等辦公自動化設備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應用。本文介紹的是一種基于單片機的步進電機的系統(tǒng)設計，用匯編語言編寫出電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止程序，通過單片機、電機的驅(qū)動芯片ULN2004以及相應的按鍵實現(xiàn)以上功能，并且步進電機的工作狀態(tài)要用相應的發(fā)光二極管顯示出來。本文內(nèi)容介紹了步進電機以及單片機原理、該系統(tǒng)的硬件電路、程序組成，同時對軟、硬件進行了調(diào)試，同時介紹了調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題以及解決問題的方法。該設計具有思路明確、可靠性高、穩(wěn)定性強等特點，通過調(diào)試實現(xiàn)了上述功能。關(guān)鍵詞：步進電機；脈寬調(diào)制;驅(qū)動機構(gòu)；單片機；轉(zhuǎn)動DesignofTheControlSystemofStep-motorAbstract:Theopen—loopsystemwhichiscomposedbystep-motorissimple，cheapandverypractical，sothereareverywiderangeofapplicationsinprintersandotherofficeautomationequipmentandvariouscontroldevices，andmanyotherfields。Thisarticledescribesonedesignofstep—motorsystembasedonmicrocontroller.Theprogramofthepreparationofamotor，reverse,speedup,slowdown，stopiswrittenbycompilelanguage.Theabovefunctionsarerealizedthroughthemicrocontroller，motordriverchipULN2004andcorrespondkey,andtheworkstateofsteppermotorisdiaplayedthroughthelight-emittingdiode。Thisarticleintroducestheprincipleofsteppermotorandsingle—chipmicrocomputer，thesystemhardwarecircuit，theprogramcomponents，whilesoftwareandhardwareforthedebugging，atthesametimeintroducestheproblemswhichareappearedinthedebuggingprocessandthesolutionsoftheproblems。Thedesignhastheadvantagesofclear,highreliability,strongstability，etc。,andtheabove—mentionedfunctionsarerealizedthroughthedebugging。。KeyWords：Steppermotor;Pulse—widthmodulated;drivingmechanism；singlechip；rotation目錄HYPERLINK\l”_Toc231933227”序言1第1章緒論2HYPERLINK\l”_Toc231933229"1.1課題研究的目的和意義21.2國內(nèi)外研究概況2_Toc231933232"第2章步進電機與單片機簡介42。1。1步進電機概述4HYPERLINK\l”_Toc231933235"步進電機的工作原理6_Toc231933237"2。2步進電機驅(qū)動系統(tǒng)介紹92.2.2步進電機繞組的電氣特性10HYPERLINK\l”_Toc231933240"2。3單片機原理112。3.1單片機原理概述11HYPERLINK\l”_Toc231933242"單片機的應用系統(tǒng)122。3.3AT89C51簡介13_Toc231933250”3.1系統(tǒng)整圖17HYPERLINK\l”_Toc231933245”3.2電源部分18HYPERLINK\l”_Toc231933246"3.3按鍵部分18HYPERLINK\l”_Toc231933247”3.4驅(qū)動部分19HYPERLINK\l”_Toc231933248"3.5狀態(tài)指示部分20HYPERLINK\l”_Toc231933249"3。6時鐘部分20_Toc231933253”4。2系統(tǒng)主程序21_Toc231933255”4.4前進部分22HYPERLINK\l”_Toc231933256"4。5后退部分23HYPERLINK\l”_Toc231933257”4.6加速部分24HYPERLINK\l”_Toc231933258”4.7減速部分25第5章系統(tǒng)的調(diào)試與檢測26HYPERLINK\l”_Toc231933261”5。1程序編譯時的錯誤與解決方法26HYPERLINK\l”_Toc231933262”5。2LM7812輸出電壓錯誤與解決方法265.3步進電機轉(zhuǎn)動錯誤及解決方法26HYPERLINK\l”_Toc231933264"5.4結(jié)論與展望27致謝29附錄1:源程序清單30HYPERLINK\l”_Toc231933268"附錄2:英文資料及其中文翻譯35基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計序言步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。它是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或線位移的微電動機，它最突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等,并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚?，因此在打印機等辦公自動化設備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應用。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機的需求量與日俱增，研制步進電機驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。本次畢業(yè)設計選用的步進電機是四相步進電機，通過軟件和硬件的結(jié)合實現(xiàn)步進電機的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速功能,并且步進電機所處的狀態(tài)用相應的發(fā)光二極管顯示。主要通過三大塊來設計，包括驅(qū)動電路的設計、狀態(tài)顯示部分和按鍵部分是設計。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而精確地控制轉(zhuǎn)動角度;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的角度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。本次論文分為六章，序言簡要介紹了此次設計中有關(guān)步進電機及其驅(qū)動器的相關(guān)概念.第1章是緒論，主要探討了步進電機的研究背景和本論文的主要研究內(nèi)容；第2章步進電機與單片機的原理；第3章系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)；第4章系統(tǒng)的軟件設計;第5章系統(tǒng)的調(diào)試與檢測；最后是參考文獻、附錄和致謝。通過七章內(nèi)容的描述，詳細介紹了本次畢業(yè)設計的內(nèi)容、方法、以及設計中遇到的問題和解決問題的途徑。第1章緒論1.1課題研究的目的和意義步進電動機是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或線位移的微電動機,它最突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速,快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚校虼嗽诖蛴C等辦公自動化設備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應用.隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機的需求量與日俱增，研制步進電機驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。1。2國內(nèi)外研究概況步進電機是國外發(fā)明的。中國在文化大革命中已經(jīng)生產(chǎn)和應用,例如江蘇、浙江、北京、南京、四川都生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用,驅(qū)動電路所有半導體器件都是完全國產(chǎn)化的，當時是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運算電路，還有電容耦合輸入的計數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。國外在大功率的工業(yè)設備驅(qū)動上,目前基本不使用大扭矩步進電動機，因為從驅(qū)動電路的成本，效率，噪音，加速度，絕對速度，系統(tǒng)慣量與最大扭矩比來比較，比較不劃算，還是用直流電動機，加電動機編碼器整體技術(shù)和經(jīng)濟指標高。一些少數(shù)高級的應用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機，交流電機。國外在小功率的場合,還使用步進電機，例如一些工業(yè)器材,工業(yè)生產(chǎn)裝備，打印機，復印件，速印機,銀行自動柜員機.國外用許多現(xiàn)代的手段將步進電機排擠出驅(qū)動應用，除了前面提到的旋轉(zhuǎn)編碼器，打印機還使用光電編碼帶或感應編碼帶配合直流電動機，實現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制.國內(nèi)過去是用大力矩步進電動機實現(xiàn)機床數(shù)控，有實力的公司現(xiàn)在也采用交流電動機驅(qū)動數(shù)控機床，在驅(qū)動設備的主要差距，是國外對交流電動機的控制理論與工程分析和應用能力強,先進的控制理論作為軟件，寫在控制器內(nèi)部?？偟膩碚f,步進電機是一種簡易的開環(huán)控制，對運用者的要求低,不適合在大功率的場合使用。在衛(wèi)星、雷達等應用場合，中國在文化大革命后期，就生產(chǎn)了力矩電機，就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機，在高品質(zhì)的控制場合，有時還不能使用步進電機。步進電機的細分控制，在改革開放初期，國內(nèi)就已經(jīng)基本掌握,這與交流電動機的矢量控制相比，難度要低得多。1。3論文的主要研究內(nèi)容本論文所選的步進電機是四相步進電機,采用的方法是利用單片機控制步進電機的驅(qū)動。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu).當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的.可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。本次畢業(yè)設計就是通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進電機的速度的，并且通過數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級別.另外通過單片機實現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn)，步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。第2章步進電機與單片機簡介2.1步進電機介紹2。1.1步進電機概述步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件.在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角.這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點.使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單.正常情況下，步進電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關(guān)系，不受電壓波動和負載變化的影響.由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。本次畢業(yè)設計采用的是步距角為1.8度的四相八拍永磁式步進電機.步進電機的基本參數(shù)：（一）步進電機的靜態(tài)指標術(shù)語1、相數(shù)：產(chǎn)生不同對N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。2、拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB—BC—CD-DA-AB，四相八拍運行方式即

A-AB-B-BC—C-CD-D—DA-A。3、步距角：對應一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示.θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運行拍數(shù))，以常規(guī)二、四相,轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50＊4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/(50*8）=0.9度（俗稱半步）。4、定位轉(zhuǎn)矩:電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）5、靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。（二)步進電機動態(tài)指標及術(shù)語：1、步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%.不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5%之內(nèi)，八拍運行時應在15%以內(nèi)。2、失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù),不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步3、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度,電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。4、最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。5、最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式,電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率.6、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù).電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然,電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大,電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。

要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。7、電機的共振點：

步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180—250pps之間（步距角1。8度)或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大,負載越輕，電機體積越小,則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大,不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。

8、電機正反轉(zhuǎn)控制：當電機繞組通電時序為A—AB—B—BC—C-CD-D—DA時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-D—CD-C-BC—B—AB—A時為反轉(zhuǎn)。步進電機的特征如下:1、一般步進電機的精度為步進角的3%-5%,且不積累。2、步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁,從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上,有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3、步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高,反向電動勢越大。在它的作用下,電機隨頻率（或速度)的增大而相電流減少，從而導致力矩下降.4、步進電機低速時可以正常轉(zhuǎn)動，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值,電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn).在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動,脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應用。2。1.2步進電機的工作原理步進電機的工作就是步進轉(zhuǎn)動，其功用是將脈沖電信號變換為相應的角位移或是直線位移,就是給一個脈沖信號，電動機轉(zhuǎn)動一個角度或是前進一步.步進電機的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率(f）成正比，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響,即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。如下所示的步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖.圖2—1

四相步進電機步進示意圖開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開,B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時,轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當開關(guān)SC接通電源,SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2—2所示：圖2-2步進電機工作時序波形圖2。1。3步進電機的分類與選擇現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR)、永磁式步進電機(PM）、混合式步進電機（HB)和單相式步進電機等。反應式步進電動機采用高導磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當小，一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,但動態(tài)性能相對較差。永磁式步進電機轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，它的出力大,動態(tài)性能好，但步距角一般比較大。一般為兩相,轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1。8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛，它是PM和VR的復合產(chǎn)品,其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu).此類電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，步距角小,出力大,動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關(guān)的設備中多用此類電機。步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定,步進電機的型號便確定下來了。1、步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率(當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度(包括減速）.電機的步距角應等于或小于此角度.目前市場上步進電機的步距角一般有0。36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1。8度（二、四相電機)、1。5度/3度

（三相電機）等。2、靜力矩的選擇步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2—3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定,電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。3、電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖,判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）。4、力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下:P=

Ω·M

Ω=2π·n/60

P=2πnM/60

其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速,M為力矩單位為牛頓·米P=2πfM/400（半步工作）其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS）2。2步進電機驅(qū)動系統(tǒng)介紹2.2。1步進電機驅(qū)動系統(tǒng)簡介步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備—-步進電機驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能,除與電機本身的性能有關(guān)外,也在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣.典型的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅(qū)動器和步進電機本體三部分組成。步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個步距角，即步進一步。步進電機轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低?？刂破鞯姆较蛐盘枦Q定步進電機的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn).通常，步進電機驅(qū)動器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動電路、保護電路和電源組成.步進電機驅(qū)動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預先設定的電機通電方式產(chǎn)生步進電機各相勵磁繞組導通或截止信號.控制電路輸出的信號功率很低,不能提供步進電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅(qū)動器的功率驅(qū)動部分。功率驅(qū)動電路向步進電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。保護電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅(qū)動器和電機的運行。步進電機繞組的電氣特性步進電機各相繞組都是在鐵心上的銅線圈，電阻和電感是電機相繞組的兩個固有屬性,電機的性能和這兩個因素密切相關(guān).繞組通電時，電感使繞