基于单片机的步进电机控制系统资料.docx

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基于单片机的步进电机控制系统资料

基于单片机的步进电机控制系统的设计

摘要

随着电气技术的迅猛发展，步进电动机凭借其易于实现开环控制，无需反馈信号、无误差积累等优点，逐渐受到人们青睐，被广泛应用到生产生活的各个领域。

步进电机作为一款有着独特优点的电机，通过对其输入脉冲信号频率与个数的控制能够实现对其运行状态的精确控制。

以前对步进电机的控制主要通过硬件电路来实现，但硬件电路复杂、成本高、利用率低等缺点阻碍了对步进电机的发展。

二十世纪中后期，随着微电子和计算机技术的发展，基于单片机的控制系统逐渐取代以前的硬件控制方式，成为控制步进电机的主要控制系统。

基于单片机的控制系统对系统的硬件要求没有以前那么高，这种系统的控制方式是通过软件来控制步进电机。

这样的控制方法更好地发挥步进电机的潜力，同时也提高了系统的操作性，极大改善了原有控制方式人机交互性不足的弊端，这样的控制系统的发展推动了步进电机的发展。

在现有的以单片机为核心控制器件的控制系统中，很多都是按单一的运行方式控制步进电机运行，无法实现对步进电动机的实时操作，这样的控制系统有一定的拘束性，理想的控制系统应该既能使步进电动机按照设定好的方式运行，也能实现人为的对步进电机的实时控制。

所以本次设计要尽可能的使步进电机控制系统实现硬件结构简单，功能齐全，操作方便简单、对各种环境的适应性强、人机交互性高等特点。

本文介绍了基于单片机的步进电机控制系统的软硬件设计。

本文主题内容首先介绍了步进电机的概念、特点、原理；其次说明了以单片机为核心控制器件的控制系统的各模块硬件电路设计及整体硬件电路设计；然后介绍了系统的软件设计过程，包括控制系统程序的设计思路、系统工作流程图及实现系统控制功能的主要子程序设计；最后介绍了对本系统所设计内容进行仿真验证可行性的过程。

关键字：

步进电动机单片机控制系统软硬件设计功能齐全

第一章绪论

1.1概述

在现代工业生产中，电动机是主要的执行设备，随着社会生产水平的不断提高，人们对电机的性能的要求也越来越高，普通电机逐渐无法满足实际生产的需求，这种情况一定程度上推动了步进电机的发展。

步进电机是一款通过改变输入的控制信号脉冲的频率实现步进电机的速度调节、能够实现开环控制，无需反馈信号的电动机，这样的电机可以替代普通电机被广泛应用到对精确度要求较高的社会生产中，基于这样的原因步进电机受到人们青睐，逐渐被应用到生产生活各个领域。

随着步进电机的广泛应用，对步进电机控制器的研究也逐渐深入。

最初的步进电机控制器的设计是根据控制要求将所需器件以单独分布的方式构成一个整体控制回路，这种设计方式不仅消耗了大量元器件，而且电路设计一旦完成后，想要改变控制方案就必须重新设计电路，这样的设计既浪费了大量器件也不利于控制系统的改进升级。

20世纪70年代开始，计算机技术得到了的飞跃式的发展，这样的发展趋势推动了步进电机及其相应的驱动和控制系统的发展，使步进电机控制系统逐渐向着集成化和程序化方向发展。

基于步进电机可以通过输入信号的频率与数量控制电机的转速和转动距离的特点，通过单片机对其进行控制可以将其“数字性”的特点作为优势，应用到对精确度要求较高的生产实践中，所以以单片机为核心控制器件的控制系统逐渐成为步进电机的主要控制系统。

近些年来人们对以单片机为核心控制器件的步进电动机控制系统进行了深入的研究，不断改进其控制性能，这样的控制系统在单片机的强大功能作用下，加上特定设计的大量外围电路，实现对步进电机的最佳控制。

通过外围的按钮输入电路，实现外界按钮对步进电机的运行状态的调整，然后通过显示电路及时显示步进电动机的正转、反转和速度等状态。

也符合数字化的时代发展要求。

本文介绍了一种基于单片机的步进电机控制系统的软硬件设计，本设计能实现对步进电动机的转向、转速等运行状态的基本控制，同时能够实时显示电机运行状态。

1.2国内外发展状况

从1820年一直到19世纪末，电磁现象以及相关的各种法则的发现，确立了交流电动机的模型，并确立了电动机的工业运用。

[1]经过长达八十年多年的研究，各国科学家陆续发明了各种电机，包括直流发动机、交流发动机等，人类对电动机的认识越来越深入。

从20世纪开始人类对电动机的研究逐渐深入，到20世纪70年代，经过70年左右的发展，各种各样的电动机被广泛应用到社会生产中，人类对电机的研究也达到了一个新的高度，正是在20世纪70年代，步进电动机作为一款可以实现精确控制转速与转动距离的电机应用而生。

步进电机的结构与运行原理决定了它需要与驱动\控制环节组成伺服单元，以应用于相应的场合。

[2]步进电动机的最早应用是开环系统，现代工业大量使用的也是开环系统。

组成一个简单的步进电动机开环系统并不难，只需要环形分配器加上功率模块就可以了。

[3]环形分配器其实就是由多个标准数字集成电路按照逻辑真值表组合而成，不同类型的电机、不同的工作方式就需要有不同的环形分配器。

随着应用的不断深入，步进电动机驱动控制电路也逐步集成化，出现了许多专用于步进电动机开环驱动的芯片，这些设计简单、运行可靠的开环驱动芯片促进了步进电动机的广泛应用。

开环控制系统虽然得到广泛应用，但其自身也存在许多不足，其中振荡一直是电动机开环系统的主要问题，振荡严重影响了步进电机的稳定性，使其难以实现精度要求较高的控制，降低了电机的性能指标。

20世纪80年代以后，现代电力电子器件的广泛应用和微处理器水平的提高使人们逐渐意识到使用闭环控制系统来控制步进电动机可能会使电机得到更好的性能指标，这样的发展背景为步进电动机闭环控制系统的发展提供了物质基础。

现代智能控制理论日新月异的变化大大地推动了步进电动机闭环控制理论的研究。

[4]随着以MCS-51系列为代表的单片机的迅速普及，以软件为核心的通用环形分配器获得了广泛的应用。

[5]此类环形分配器不再需要根据控制方式的改变变更硬件设计电路，只需要根据不同的控制要求更换不同的软件，实现了对电机的灵活控制。

目前，实际生产中对步进电机的控制系统的设计大多的是根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过软件编程在一定范围内按照人为需求灵活地设定电机的转向、转速等状态，然后通过通信串口将步进电机控制器与微型计算机进行数据通信，最终实现通过微型计算机直接控制步进电机。

这种以单片机为核心控制器件的控制方法既简化了电路也降低了成本，还可以提高对电机的控制精度。

这也是这种控制方式逐渐成为主流控制方式的原因。

我国普通机床的微机改造中大多采用开环系统控制步进电动机，改革开放初期，为了适应某些领域对机床高精度定位及稳定运行的要求，我国加大了对步进电动机细分驱动技术的研究力度。

细分步进驱动是将全步进驱动时的步距角各相的电流以阶梯状n步逐渐增加，使吸引转子的力量慢慢改变，每次转子在该力的平衡点静止，全步距角作n个细分，可使转子运行效果光滑。

[6]目前国内主要采用的驱动方式有基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动和根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通信的方式实现PC机与步进电动机控制器的数据通信，最终实现由微型计算机直接控制步进电动机的方法。

国外对步进电动机的控制系统的研究相对国内起步更早，研究也更深入，大多数步进电机控制系统都是采用专用的控制芯片，通过将一些有固定功能的芯片集成在一起，实现对步进电动机的控制，这样的设计思路大大缩小驱动器的体积，提高了控制系统的性价比。

随着工业生产对控制精确度要求的不断提高，步进电机将会在更加广泛的领域中得以应用；随着自动控制技术、数字化、智能化技术的日益发展，步进电机控制系统也将朝着更加智能的趋势发展。

1.3课题目标设计

本次设计是研究基于单片机的步进电机控制系统，则单片机必然是本控制系统的核心器件，利用单片机的逻辑分析及存储等能力与外围按钮调节电路实现对步进电机的正、反转，加、减速、停机等基本控制同时通过显示屏对其运行参数进行实时显示。

本次设计的主要任务包括：

1、外接按键电路、液晶显示屏电路的设计。

通过外接按键电路实现对电机运行状态的调整，同时通过液晶显示屏显示电机运行的状态，便于监视电机运行状况。

2、驱动电路的设计：

通过驱动电路，实现将单片机输出的脉冲转换、放大成能够驱动步进电机的控制信号，使步进电机在不同脉冲信号下做出相应的动作。

综上可以看出本设计的主要任务就是以AT89C51单片机为核心，通过相应的硬件设计，设计出能够实现以上功能的硬件电路原理图，然后编写源程序，在硬件电路原理图验证无误的前提下，通过Proteus与Keil进行调试、仿真，验证设计的可行性，直到得到完备的能实现预期功能的系统软硬件设计方案。

整个系统采用模块化设计，通过结构简单的控制系统实现对步进电机的可靠控制，本设计对于进行产品革新、提高电机精确定位技术，改良步进电机控制系统有着重要的现实意义。

对于扩大步进电机在社会生产中的使用有重要意义。

第二章步进电动机概述

2.1步进电动机概念

与普通电动机的连续旋转不同，步进电动机运行时是一步一步精确进行的，驱动电路每对其输入一个控制信号步进电机就会转动一步，且每步转动的角度（步距角）都可以由电机型号确定。

步进电动机是将外界数字脉冲信号转变为角位移的一种感应电机，被广泛应用于精度较高的过程控制中。

步进电动机实现旋转的最根本原因是转子与定子间的错齿。

2.2步进电动机的主要特点

1、步进电动机不能直接由单片机驱动，中间必须加相应的驱动电路进行信号转换后才能使电机运转。

2、步进电动机的控制精度较高，一般为其步距角的3-5％，且无误差累积。

3、步进电机的力矩会随转速升高而下降。

4、步进电动机在低速时可以正常运转，但速度高于一定速度后就无法启动了。

5、步进电动机工作时产生热量多导致其温度较高，外表温度一般在摄氏80-90度，甚至可能更高。

2.3步进电动机的优缺点

2.3.1步进电动机的主要优点

步进电动机之所以能够得到广泛应用与其自身的优点是分不开的，其主要优点总结如下：

1、步进电机具有明显的数字特征，可以实现用数字信号进行开环控制。

2、步进电动机可以直接接收数字信号，无需进行数模转换，简化了使用流程。

3、步进电动机内部没有电刷，所以电机寿命仅取决于其轴承的寿命，一般步进电动机轴承寿命较长，可以保证电机长时间可靠运行。

4、步进电动机停转时具有自锁功能，不会继续转动。

该功能主要为了抵御负载的波动，保持位置不变。

5、步进电动机具有优秀的启停和正反转响应，改变运行状态时反应迅速且对电机的损害较小。

2.3.2步进电动机的主要缺点

凡事都具有双面性，既然有很多优点，必然也会有一些缺点，在实际应用中步进电动机会有以下缺点：

1、步进电动机在大负载和高转速情况下，会产生失步，同时输出的功率也不够大，无法满足负载的需要。

所以步进电动机很难运转到较高的转速。

2、步进电机对其控制过程要求较高，输入控制脉冲的频率等于步进电机的固有频率时，容易产生共振，引起电机失步。

2.4步进电动机原理

步进电机的种类很多，所有步进电动机中，反应式步进电动机凭借其结构简单、成本低等优点被广泛应用到精确度较高的控制系统中。

步进电动机的结构与普通电机基本相似，不同的是步进电动机的定子绕组被划分为若干相，并且每相的磁极上均匀分布着若干个极齿，转子上没有线圈，同样，转子外围也均匀分布着若干个小齿，步进电机能够运转的最根本原因就是定子与转子上小齿之间的错齿。

如图2.1是反应式步进电动机的结构图（三相）。

图2.1三相反应式步进电动机结构图

Fig.2.1Three-phasesteppingmotorreactionchart

目前，反应式步进电动机有如下三种常用的通电方式：

1、单三拍通电方式

2、双三拍通电方式

3、单、双六拍通电方式

反应式步进电机转动时遵循磁通总是沿磁阻最小的路径闭合原理，当转子与磁通方向有偏差时，对应的磁拉力形成转矩，根据定子磁极的极齿与转子上小齿的错齿的大小，带动转子转动固定角度。

下面将介绍其中的一