毕业设计(基于单片机的步进电机驱动).doc

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基于单片机系统的步进电机驱动

摘要

本文介绍了基于80C51单片机的步进电机控制系统的设计。

分别概括的介绍了单片机和步进电机以及步进电机的各种驱动方案；对一款四相步进电机以及80C51单片机的功能参数和一种驱动方式的优点特点，以及其选择原因进行了必要的说明；对基于80C51单片机的步进电机控制系统的原理进行了介绍；根据80C51单片机和步进电机的原理以及特点和参数选择了其他元件，并且建立了相应的电路图；进行了必要的电路分析说明，并将这个电路图制作成型，使其工作，实现正反转，加速减速等功能。

关键词：

80C51单片机；步进电机；驱动；控制

SINGLECHIPMICROCOMPUTER-BASEDDRIVINGofSTEPPINGMOTOR

ABSTRACT

Thispaperintroducesbasedonthe80C51monolithicsteppingmotorcontrolsystemdesign.Inthispaper,thecharactersofmicrocomputerofrespectivelyandsteppingmotorandallkindsofsteppingmotordriverproject;Forafourphasesteppingmotorandthe80C51monolithicfunctionparametersandadrivingway,aswellasthecharacteristicsoftheadvantagesofthenecessarychoicereasonthat;Basedon80C51steppingmotorcontrolsystemareintroduced,theprincipleofAccordingtothe80C51singlechipmicrocomputerandthestepmotorprincipleandcharacteristicparameterchoiceandothercomponents,andestablishesthecircuitdiagram;AtlastIhavemakenthenecessarycricuitanalysisandcompletedtheproductionofmoldingwithmakingthecircuittowork,reverse,accelerateanddecelerate.

Keywords:

80C51single-chipmicrocomputer;Steppingmotor;Drive;Control

目录

第1章前言 1

1.1课题的背景 1

1.2发展概况 1

1.3课题主要内容 1

第2章步进电机的基本原理、分类和选择 2

2.1步进电机的基本参数 2

2.2步进电机的特点 2

2.3步进电机分类 3

2.4四相混合式步进电机的工作原理及工作方式 3

2.5步进电机具体型号的选择 4

第3章步进电机驱动系统及驱动接口选择 6

3.1单电压功率驱动接口 6

3.2双电压功率驱动接口 6

3.3高低压功率驱动接口 7

3.4斩波恒流功率驱动接口 8

3.5集成功率驱动接口及驱动芯片的选择 8

第4章驱动系统硬件组成及具体驱动方案分析 10

4.1关于80C51单片机的介绍 10

4.2驱动系统总体结构 13

4.3驱动系统的驱动原理 13

4.3.1步进电机的控制信号 13

4.3.2控制信号功率的放大 14

4.3.3单片机控制信号的输出和编程 15

4.4驱动系统总电路电路及说明 18

第5章驱动系统硬件的焊接与调试 22

5.1电路的焊接 22

5.2电路的检查与调试 22

第6章结论 25

致谢 26

参考文献 27

第1章前言

1.1课题的背景

步进电机是现代数字控制技术中最早出现的执行部件，其特点是可以将数字脉冲控制信号直接转换为一定数值的机械角位移，并且能够自动产生定位转矩使转轴锁定。

如果在机械结构中再配以滚珠丝杠，那步进电机的高精度转角就可以转换为高精度直线位移，这在以精度为要求的现代机械控制中是极其重要的一点。

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，在各个经济领域都有应用。

步进电机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）、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。

为此，本文设计了一段步进电机驱动程序，可以实现对步进电机转动速度，转动方向。

1.2发展概况

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

目前，生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。

仅仅处于一种盲目的仿制阶段。

这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。

鉴于上述情况，本文决定以四相混合式步进电机为例叙述其基本工作原理及设计简单的驱动程序。

望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。

1.3课题主要内容

本课题将分析步进电机的工作原理，并简单介绍其各种驱动方式。

最后使用单片机以软件方式配合有关芯片和电路元件驱动步进电机，通过C语言编程方法，对步进电机的转速、转动方向等进行控制使其在一定范围下运行，方便灵活地控制步进电机的运行状态，以简单的对步进电机的工作方式进行个性化制作，以满足不同用户的要求。

中间对可能发生的问题进行论述，并提出解决方法。

最后对所完成的电路图进行分析。

第2章步进电机的基本原理、分类和选择

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进电机接收到一个脉冲信号，它就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，利用其没有积累误差-精度为100%的特点，广泛应用于各种开环控制。

2.1步进电机的基本参数

电机固有步距角：

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°整步工作时为1.8°）这个步距角可以称之为“电机固有步距角”它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

步进电机的相数：

是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。

电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。

在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。

如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

保持转矩：

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。

比如，当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

2.2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最高温度。

3．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130℃以上，有的甚至高达200℃以上，所以步进电机外表温度在80℃-90℃完全正常。

4．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

5．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。

6．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。

在有负载的情况下，启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

综合各种步进电机的特点以及实际情况，本课题选用某混合式四相步进电机。

2.3步进电机分类

目前常用的有三种步进电动机：

1．反应式步进电动机（VR）。

反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。

2．永磁式步进电动机（PM）。

永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。

3．混合式步进电动机（HB）。

混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。

它有时也称作永磁感应子式步进电动机。

综合步进电机的以上参数特点以及各种步进电机的优缺点，本课题将选用四相混合式（感应子式）步进电机

2.4四相混合式步进电机的工作原理及工作方式

如图2-1。

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。

图2-1四相步进电机步工作进示意图

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2-2a、b、c所示：

a.单四拍b.双四拍c八拍

图2-2步进电机工作时序波形图

2.5步进电机具体型号的选择

考虑到实验室材料和驱动功率大小等实际条件，以及连线的方便与否。