基于单片机的步进电机控制系统设计论文.doc

基于单片机的步进电机控制系统设计摘 要步进电动机由于用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以与各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用汇编语言和Ｃ语言编写出电机的正转、反转、调速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2001以与相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用LCD液晶显示器显示出来本文容介绍了步进电机以与单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以与解决问题的方法该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能关键词：步进电机；脉宽调制；驱动机构；单片机；转动 Design of The Control System of Step-motorThe open-loop system which is composed by step-motor is simple, cheap and very practical, so there are very wide range of applications in printers and other office automation equipment and various control devices, and many other fields. This article describes one design of step-motor system based on microcontroller.The program of the preparation of a motor , reverse, adjust speed, stop is written by compile language. The above functions are realized through the microcontroller, motor driver chip ULN2001 and correspond key , and the work state of stepper motor is diaplayed through the light-emitting diode. This article introduces the principle of stepper motor and single-chip microcomputer, the system hardware circuit, the program components, while software and hardware for the debugging, at the same time introduces the problems which are appeared in the debugging process and the solutions of the problems . The design has the advantages of clear , high reliability, strong stability, and the above-mentioned functions are realized through the debugging.Keywords: Stepping motor; Pulse-width modulated; driving mechanism; singlechip; rotation目 录1 引言11.1 课题研究的目的和意义11.2 国外研究概况12步进电机与单片机简介12.1步进电机介绍12.2步进电机驱动系统介绍62.3单片机原理83硬件电路的设计123.1 系统整图123.2 电源部分123.3最小系统133.4驱动部分143.5状态指示部分143.6按键部分143.7时钟部分153.8复位部分153.9keil-uvision简介与调试153.10 proteus仿真步进电机正转163.11proteus仿真步进电机反转173.12proteus仿真总图与proteus简介174软件设计234.1 系统开发软硬件环境234.2 系统程序框图244.3 系统程序256结论31参考文献33致34 / 1 引言1.1 课题研究的目的和意义步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制与制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以与各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器与其控制系统具有十分重要的意义1.2 国外研究概况步进电机是国外发明的中国在文化大革命中已经生产和应用，例如、都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制国过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器部。

在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机步进电机的细分控制，在改革开放初期，国就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多2课步进电机与单片机简介2.1 步进电机介绍2.1.1步进电机概述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（与步进角）您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；同时您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一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积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，所以特别适合于微机控制本次毕业设计采用的是步距角为1.8度的四相八拍永磁式步进电机步进电机的基本参数： （一）步进电机的静态指标术语1、相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数常用m表示2、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.3、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示θ=360度（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）4、定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以与机械误差造成的）5、静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压与驱动电源等无关虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热与机械噪音。

二）步进电机动态指标与术语：1、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差用百分比表示：误差/步距角*100%不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之，八拍运行时应在15%以2、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数称之为失步3、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的4、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压与额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率5、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压与额定电流下，电机不带负载的最高转速频率6、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机7、电机的共振点： 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

 8、电机正反转控制：当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转2.1.2步进电机的工作原理步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(f)成正比，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如下所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图图1 四相步进电机步进示意图开始时，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。