《步进电机控制》word版

1、燕山大学课 程 设 计 报 告 题目： 步进电机控制 院（系）：电气工程学院 班 级：检测二班姓 名：孔祥欣 指导教师：孟宗 职 称：教授 课程设计（论文）任务书院（系）： 电气工程学院 基层教学单位： 学 号学生姓名孔祥欣专业（班级）检测二班设计题目步进电机控制设计技术参数完成基于单片机的步进电机控制系统，能够有效地对步进电机转速，方向的控制。设计要求通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过驱动芯片驱动步进电机，同时，用键盘来对电机的状态进行控制。工作量设计的内容满足课程设计的目的与要求，设计题目的难度和工作量适合学生的知识和能力状况，工作量饱满。工作计划查阅资料进行设计准备，设计硬件电路，编制程序，验证设计，转写任务书。参考资料1：单片微型计算机接口技术及应用 张淑清 国防工业出版社2：单片机原理及应用技术 张淑清 国防工业出版社3：单片机应用技术汇编指导教师签字 孟宗基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。 2013年7月6日目录一摘要-4二引言-4三系统概述-5 四硬件系统设计-8 五系统软件设计-10 六心得体

2、会-21 七参考文献-21一摘要本次课程设计的题目是完成基于单片机的步进电机控制系统，能够很好的控制电机的转速和方向。所以要求我们对单片机的控制系统的汇编有一定程度的掌握，熟悉汇编语言的指令，并且能够熟练运用延时程序，对键盘程序的设计等，能够理论实际相结合，锻炼动手操作能力。 二引言 上个世纪就出现了步进电机，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。上世纪 80 年代，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分

3、立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量的元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定得重新设计电路。计算机通过软件来控制步进电机，更好的挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。 传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差精度为100的特点，适合应用于各种开环控制。今日，步进电机已广泛的运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性等灵活控制性高的机械系统中了。 本课题研究的是基于单片机的步进电机的控制，在机电行业中，步进电机的应用十分广泛，如计算机的一些外围装置：打印机，绘图机，以及CNC控制及机器人控制等。它是一种用脉冲控制的电机，用单片机很容易实现对步进电机的控制。所以研究如何更好的用单片机控制步进电机是一个很有意义，也很有必要的课题，这次课设的目的就是让我们对所学知识加以应用，并更加深刻的了解单片机是如何控制步进电机的。三 系统概述1. 步进电机控制工作原理 若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

4、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，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示： a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍 图2.步进电机工作时序波形图步进电机实际上是一个数字角度

5、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3 种 。2. 步进电机的启停控制 步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。3. 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。若步进电机的励磁方式为单四拍，即 A -B C - D。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。其他方式情况类似。步 序 控 制 位 工 作 状 态 控 制 模 型 P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3 D相P1.2C相 P1.1B相 P1.0A相 100000001A01H200000010B02H30000010

6、0C04H400001000D08H 4.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。2 个脉冲的间隔越短 ,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率 ,就可以对步进电机进行调速。5.步进电机的换向控制步进电机换向时 ,一定要在电机减速停止或降到突跳频率范围之内再换向 ,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1 个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求要有一定的脉冲宽度(一般不小于5s)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了减速换向加速3 个过程。6.系统设计思路此次我们所设计的是一个步进电机控制系统，主要由单片机80C51，4相步进电机，7段数码管，及一些其他相关元件设计而成。可以通过开关来控制系统的启/停工作，当系统运转时，用键盘来控制方向，同样由键盘来选择工作模式，最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。详细的设计步骤将在下面说明。 四硬件系统设计1.总体设计设计一个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。 根据要求系统设计的框图如下：80C51时钟电路键盘控制控制端口UNL2003驱动电机步进电机2. 系统硬件设计 （1）步进电机的驱动电路 其中1B、2B、3B、4B分别与P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相接（2）键盘电路： 键盘电路开关未按下是，各位被拉成高电平，某一开关按下后，该位变成低电平，通过按键判别程序可判别哪一键按下（3）时钟晶振电路： 时钟晶振电路图（4） 系统总图如下：按系统硬件总图连线，将程序输入电脑并与试验箱相连，通过伟福2000就可以进行试验了，经过几次尝试和调整，基本可以实现实验要求。 五系统软件设计 按硬件图连接好电路以后，开始写程序，并运行程序，1键为启动，2键为停止，3键为减速，四键为加速，5键为正转，6键为反转，单片机输出信息通过P1口的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3给驱动器件NLN2003A,然后驱动电机进行个状态间的转换。具体的程序流程图如下所示： 主程序流程图

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