基于-51单片机的步进电机控制系统设计.doc

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1、|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 ，并且能将 相应的脉 冲 信 号 控 制 脉 冲 信 号 转 化 为或者 的 电动机。由于步进电机具有步距误差不积累、运行可角 位 移 线 位 移 数 字靠、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

2、步进电机控制系统， 。本设具 有 重 要 的 现 实 意 义计研究的是基于 51 单片机 。通过单片机的 I/O 端口输出对 步 进 电 机 的 控 制 系 统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|AbstractStepper motor co

3、ntrolled 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 com

4、puter 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

5、 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 i

6、mportant practical significance.The 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 co

7、ntrol 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 resu

8、lts are given corresponding image.Key words: microcontroller; stepper motor; motor drive; control system|目 录中文摘要 .IAbstract.II1 绪论 .11.1 步进电机及其发展过程 .11.2 步进电机在我国的应用及前景 .21.3 本设计的研究内容 .31.4 步进电机的性能指标及工作原理 .31.4.1 步进电机的特点 .31.4.2 步进电机的种类 .41.4.3 步进电机的主要性能指标 .51.4.4 步进电机的工作原理 .61.5 步进电机控制系统的原理 .82 总体方案

9、设计 .102.1 设计思路的选择 .102.2 单片机芯片的选择 .122.3 驱动电机芯片的选择 .122.4 显示电路的选择 .132.5 步进电机的选择 .133 控制系统的硬件电路设计 .153.1 键盘控制电路 .153.2 单片机最小系统电路 .163.3 数码管显示电路 .183.4 步进电机的驱动电路 .203.5 步进电机的其他电路 .214 控制系统的软件设计 .234.1 主程序流程图 .234.2 读按键子程序流程图 .244.3 按键处理子程序流程图 .254.4 电机控制中断程序流程图 .26|5 仿真与测试 .285.1 仿真软件介绍 .285.2 仿真的操作步

10、骤 .285.3 电路板的焊接 .295.4 电路板的测试 .306 结论与展望 .32致 谢 .34参考文献 .35附录：系统总体电路图 .36系统仿真原理图 .37PCB 打印图 .38原件清单 .39程 序 .40|1 绪论1.1 步进电机及其发展过程步进电机是一种受 ，并且能将 相应的脉 冲 信 号 控 制 脉 冲 信 号 转 化 为或者 的 电动机。由于电源每次输入电脉冲给该电机，该电机角 位 移 线 位 移 数 字就会前进一小步，转动的方式是步进式的，所以称为步进电动机。由于电源输入的是脉冲式的电压，因此，有时也被称为脉冲电动机。在步进电机驱动能力范围内，其输出的角位移或线位移与输

11、入的脉冲个数成正比，不因电源电压、负载变化和环境条件等的变化而变化。所以其输出的角速度或线速度也与输入的脉冲频率成正比，通过改变输入脉冲频率的高低就可以调节步进电机的转速，并能控制步进电机的快速启动，暂停，正反转和加减速等。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。虽然步进电机近些年来才被广泛使用，但其工作原理很早就被人们研究出来。其中，最早的可以追溯到法国人佛罗曼提出了将电磁铁的吸引力转化为力矩的方法。当时，激磁相的切换是采用机械式凸轮的接触点来完成

12、，这就是步进电机最初的原理模型。后来逐步发展还出现了旋转线圈式的应用方法。二十世纪三十年代以后，步进电机的应用才逐渐开始，称为 步进电机，被 用变 磁 阻 型 英 国 海 军作 。 定 位 控 制 和 远 程 遥 控 的 装 置随着晶体管元件的快速发展，与之相结合使用的步进电机也得到了快速的发展和广泛的使用。1950 年研制出二极管半导体，1964 年开发出 MOS 半导体，特别是经过 19501965 年间半导体材料的高速发展后，由于价格低廉、可靠性高的逻辑数字电路得到广泛的应用，使步进电机的使用量也急剧增加。多年来，随着电力电子技术、自动化控制技术以及计算机技术的快速发展，步进电机系统尤其

13、是其中的驱动电路部分的不断发展，使其在单片机控制，数控机床、绘图仪、打印机以及光学仪器中都得到了广泛的应用。现如今，继 电直 流动机和 电动机这两大类电机被广泛应用后，步进电机也已成为生活中最常用交 流的 。国内外围绕着步进电机系统的研究做了大量的工作以及相应的第 三 类 电 动 机|开发工作。图 1-1 步进电机1.2 步进电机在我国的应用及前景我国对于步进电机的研究及制造起始于 20 世纪 50 年代。当时，主要是一些高等院校和科研机构使用或开发与步进电机相关的产品。进入 70 年代，我国各地，例如北京、南京、江浙一带都有大量的生产和使用，其中的驱动电路的半导体器件，已实现完全国产化。进入

14、改革开放时代后，随着国外各种步进电机的先进技术进入国内，我国对其进行了大量的研究，并开发出了多种混合式的步进电机以及相应的驱动元件，同时，也被大量的应用于各种领域中。发展至现今，我国在这方面的理论研究比较成熟，逐渐形成了比较完善的基础理论和设计方法，产品种类也逐渐多样化，性能和参数也逐渐达到甚至有些已经超过国外同类产品的水平。而国外的大功率驱动工业设备上，只有少数要求较高的设备中才会使用空心转杯电机、交流电机；目前，大多数场合不使用大扭矩的步进电机，而是采用直流电动机。其原因是从驱动电路的成本、效率、系统惯量与最大扭矩比等指标进行比较，采用直流电动机更为合适。除此之外，还有一些小功率的工业设备

15、中也得到了广泛的应用，例如，工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机以及大型望远镜等等。经过多年的发展，步进电机的应用越来越广泛，功能更加强大，种类也很繁多，相应的产品也日趋完善。步进电机以它显著的优点在工业生产和自动化控制|中占据着不可动摇的地位。相信在不久的未来，伴随着科学技术的快速发展，步进电机将会在更多的领域得到广泛的应用。1.3 本设计的研究内容本设计研究的是基于 51 单片机的步进电机控制系统。采用单片机 STC89C51作为控制核心，通过四个按键控制步进电机的运行状态，即控制启停、转向、加减速等，并利用四位的数码管显示步进电机的转向和速度等级。本设计的硬件

16、部分主要由 、 模块、 模块、 模块以及 模单 片 机 键 盘 控 制 电 机 驱 动 数 码 管 显 示 电 源块 。五 部 分 组 成本产品主要实现的功能：（1）5 个按键控制整个电路，对应功能分别是：启动/暂停、正/反转、加速、减速、复位；（2）数码管显示正/反转的指示和电机转动速度的等级；（3）5 个 LED 灯，一个为电源工作指示灯，其余四个则指示电机的转速等级。本设计的控制核心是利用软件控制单片机输出不同的脉冲信号，从而驱动步进电机进行相应的动作，显示不同的运行结果，同时，为了使步进电机的运行状态显示的更为直观，利用数码管显示电路实时的显示出来。1.4 步进电机的性能指标及工作原理

17、本设计是以 STC89C51 单片机作为控制单元，集成芯片 ULN2003 作为电机的驱动芯片，DC-5V 步进电机作为控制对象。本设计通过五个按键的控制，改变输入脉冲的频率和个数来调节步进电机的正反转、加速、减速、暂停和复位功能；LED 数码管的第一、二位显示速度等级，而第四位则显示步进电机的转动方向；5 个发光二极管，一个为电源指示灯，其余四个则指示电机的转速。1.4.1 步进电机的特点从应用的角度来说，对步进电机的基本要求如下:（1）步进电机能够在一系列脉冲信号的控制下,快速、平滑、稳定的实现启|动、暂停、正/反转，加/减速等运行方式；（2）为了提高精度，要求脉冲对应的位移量小，并要准确

18、、均匀。这就要求步进电机步距小、步距精度高，不能存在失步的现象。要求步进电机输出转矩大，可以直接带动负载工作（3）响应要快速。即要求步进电机不仅启动、暂停、反转的动作要快速，并能连续高速的运转工作以提高劳动的生产效率。（4） 。工 作大 ， 可 以 直 接 带 动 负 载要 求 步 进 电 机 输 出 转 矩1.4.2 步进电机的种类常用的步进电机有三种：（1）永磁式步进电机永磁式步进电机内部主要由定子和转子两部分组成，组成的形式也可以为两种，即转子采用永久磁铁，定子采用线圈；或者反之，也可以。其工作原理是通电的定子线圈产生的磁场和转子永久磁铁产生的磁场，通过吸引或排斥的相互作用，产生转动力矩

19、，使其进行转动工作。该电机的特点是励磁功率小、效率高、造价便宜，启动频率和运行频率较低，永磁需要量也大。缺点是由于永久磁铁之间的磁化间距不便于测量、控制，受到影响的因素较多，故为了保持良好的效果，步距角通常会设置的较大。（2)反应式步进电机反应式步进电机，通常也被称为可变磁阻型步进电机，其转子磁路是由软磁材料制成的铁芯，而定子则由励磁绕组线圈缠绕着铁芯构成的；其工作原理是磁性转子铁芯通过定子产生的脉冲磁场而形成的吸引或排斥的相互作用，产生转矩，使其进行转动工作。 保 持 力铁 ， 因 此 无 励 磁 时 没 有子 和 转 子 均 不 含 永 久 磁由 于 该 类 步 进 电 机 的 定。这类电

20、机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。这种电机具有效率低、启动和运行频率较高、转子的阻尼差、噪声大等缺点。优点是制造材料费用低、结构简单、步距角小。（3）混合式步进电机由于该电机的转子导磁体上嵌有永久磁铁，可以说是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式。故称为混合型步进电机。混合式步进电机分为两相、三相和五|相等。由于其内部结构组成的特点，使其同时具备了永磁式和反应式的各自的优点，具有输出转矩大，响应速度快，效率高，振动噪声小等优点。1.4.3 步进电机的主要性能指标（1）步距角 控制系统输入一个电脉冲信号时，转子所旋转过的机械角度称为步距角。即：当定子绕组完成一次通电周期时，转子绕组由于

21、受到磁场变化的作用，产生磁矩，旋转相应的机械角度。步距角的大小会影响到步进电机的运行频率和启动。组 成 结号 的 个 数 相 对 应 ， 可 以积 累 ， 只 与 输 入 脉 冲 信步 距 角 的 误 差 不 会 长 期 组 成 闭 环 系以 在 要 求 更 高 的 精 度 时的 开 环 控 制 系 统 ， 也 可构 简 单 且 具 有 一 定 精 度一般情况下，步距角越小，加工精度就越高。统 。（2）最大静转矩 矩 值 称上 额 定 电 流 时 的 最 大 转相 数 下 ， 一 相 绕 组 在 通步 进 电 机 在 规 定 的 通 电为最大静转矩。它表示了步进电机所能承受负载的能力。一般情况

22、下，流入步进电机绕组的电流越大，最大静转矩也就越大，也就可以带动更大的负载转矩，此时的运行的快速性及稳定性就越好。（3）静态步距角误差静态步距角误差，由名称可知，是指步距角的理论值域实际值之间的误差，由于误差较小，通常在分的级别，一般不会超过 10 分的精度范围。该误差值主要是有电磁转矩的不均匀等其他因素造成的，这种误差在实际生活中不可避免，通常只有进一步提高机械齿轮的制造精度，使误差值尽可能的减小。步距角误差直接影响工作的加工精度以及步进电机的动态特性。通常在空载情况下进行测定，静态步距角误差越小，表示步进电机的精度越高。（4）启动频率和启动频率特性启动频率是指步进电机在不带任何负载的情况下

23、，由静止状态直接进行启动，并且能够稳定的、不失步的进入正常运行状态，所需要的脉冲频率的最大值。它也是衡量步进电机响应速度快慢的一个重要的参数。高于步进电机 ，频 率若 定 子 绕 组 的 通 电 变 化 空 载 时 的 启 动 频 率。启动频率与负载惯量有关，一般来说随着载 下 直 接 启 动则 步 进 电 机 就 不 能 在 空负载惯量的增长而下降。|产品介绍上往往会给出空载时的启动频率。然而实际使用中，大多数步进电机都是在带有负载的情况下启动，因此，所以产品介绍通常会以表格或曲线的形式给出启动的矩频特性，即启动频率特性，以便确定负载启动频率。（5）运行频率和运行矩频特性运行频率是指步进电机

24、在启动后，稳定运行的过程中，连续上升脉冲信号的频率时， 。运行频率是衡量步进率运 行 而 不 失 步 的 最 高 频步 进 电 机 仍 能 继 续 稳 定电机定子绕组通电变化频率快慢的一个重要参数。 的频 率运 行 频 率 的 值 要 比 启 动。运行频率随负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。运行值 大 的 多矩频特性通常会在产品介绍中以表格或曲线的形式给出。 当步运 行 矩 频 特 性 是 指进电机 。 带系率 与 负 载 转 矩 之 间 的 关带 负 载 运 行 时 的 运 行 频 它 是 衡 量 步 进 电 机负载运行时， 。参 数 指 标载 能 力 大 小 的 一 个 重 要

25、步 进 电 机 所 能 承 受 带 负1.4.4 步进电机的工作原理步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号。因为步进电机的运动不产生旋转量的误差积累。四相电机运行时，可以是四相中每次只有一相绕组通电来工作，也可以是两相同时通电，或者是单相和两相交替通电。前一种驱动方式称为四相单四拍，后两者分别为四相双四拍和四相八拍。这里所谓的“四相”是指步进电机具有四相定子绕组；“单”是指每次只有一相绕组通电；“四拍”是指四次换接为一个循环，第五次换接重复第一次的情况。（1）四相单四拍。电机的通电顺序为 A-B-C-D-A-B.，如表 1-1 所示;（2）四相双四拍。电机的通电顺序为 AB-BC-CD-DA-AB-BC.，如表 1-2 所示;（3）四相八拍。电机的通电顺序为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB.，如表 1-3 所示;表 1-1 四相单四拍控制位步序A 相 B 相 C 相 D 相工作状态1 1 0 0 0 A2 0 1 0 0 B