单片机控制步进电机开题报告doc.docx

单片机控制步进电机开题报告doc.docx

《单片机控制步进电机开题报告doc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机控制步进电机开题报告doc.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

单片机控制步进电机开题报告doc

单片机控制步进电机开题报告.doc

————————————————————————————————作者：

————————————————————————————————日期：

中北大学

毕业设计开题报告

学生姓名：

杨雨豪

学号:

08050643X36

学院、系:

信息商务学院　

专业:

电子信息工程

设计题目:

基于单片机控制步进电机系统设计

指导教师：

薛英娟

2012年2月23日

毕业设计开题报告

1．结合毕业设计课题情况,根据所查阅的文献资料,撰写2000字左右的文献综述：

文献综述

一、本课题研究背景、目的及意义

控制系统对步进电机的控制通过步进电机驱动器来完成.因此他已经被广泛的用于自动控制系统中作为执行元件。

原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件,实现起来成本高,费时多,而且一旦成型后，电路就很难改动，因此不得不完全重新设计控制器.

（1）

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范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制及制动等，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及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及其控制系统具有十分重要的意义。

二、本课题国内外研究现状和发展趋势

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，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，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。

（2）国内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，写在控制器内部。

总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。

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,国内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。

步进电机的发展概况及现状

步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。

1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。

往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。

步进电机有多种不同的结构形式。

经过近七十年的发展，逐渐形成以混合式与磁阻式为主的产品格局.混合式步进电机最初是作为一种低速永磁同步电机设计的,是工业应用最为广泛的步进电机品种.步进电机在工业自动化装备，办公自动化设备中有这广泛的应用,近年来，控制技术、计算机技术及微电子技术的迅速发展有力地推动了步进电机控制技术的进步，提高了步进电机的高性能伺服控制的设计方法与具体实现技术，反映了步进电机伺服控制技术的最新发展。

（3）

单片机的发展概况现状

单片微计算机自20世纪70年代问世以来已对人类社会产生了巨大的影响.尤其是美国INTEL公司生产的MCS-51单片机基本内核为核心的各种扩展型，增强型的新型单片机不断推出,所以在今后若干年内，MCS—51系列以及世界其他各大公司生产的与其兼容的各种增强型，扩展型的单片机。

仍是我国单片机应用领域的主流机型。

目前在工业控制、智能仪器仪表、办公室自动化、家用电器等诸多领域，到处都可见单片机的踪影，单片机技术开发应用水平已成为一个国家工业化发展水平的标志之一。

（4）

本课论文的内容

现在步进电机已被广泛使用，但步进电机不能像直流电机，交流电机在常规下使用，它必须有双环型脉冲信号，功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此设计步进电机具有现实意义和实用价值。

本论文主要研究步进电机的启停，以及基于单片机的步进电机速度、方向、和加减速的控制、位置控制等方案.利用单片机能实现工业自动化、提高生产效率、安全、以及降低劳动强度。

本文所选的步进电机是思想步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。

步进电机是一种种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，他就驱动步进电机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电机转动的速度和加速度，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来调节步进电机的速度，并且通过数码管显示其转速的级别。

另外通过但偶安吉实现他的正反转，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100%）的特点,广泛应用与各种控制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及步进角.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。

步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备—-步进电机驱动器.步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外,也在很大程度上取决于驱动器的优劣。

典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。

步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号每发一个脉冲步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角即步进一步.步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。

控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。

通常步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。

步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号.控制电路输出的信号功率很低不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大,这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。

功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。

保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。

（5）

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。

该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致.当定子的矢量磁场旋转一个角度.转子也随着该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

改变绕组通电的顺序，电机就会反转。

所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

（6）

步进电机的种类

永磁式PM）.磁式步进一般为两相转矩和体积较小步进角一般为7.5度或15度多用于空调风摆上。

反应式VR）,国内一般叫BF常见的有三相反应式步距角为1.5度也有五相反应式.噪音大无定为转距已大量淘汰。

混合式HB），常见的有两相混合式、五相混合式、三相混合式、四相混合式、两相跟四相可以通用驱动器、五相跟三相必须使用各自的驱动器、两相、四相混合式步距角多是1.8度具有小体积、大力距、低噪音、五相混合式步进电机一般为0.72度，电机步距角小、分辨率高,但是驱动电路复杂、接线麻烦，如5相十线制。

三相混合式步进电机步距角为1.2度但是使用中要按1.8度计算三相混合式步进电机拥有比两相混合式五相混合式更多的磁极有利于电机夹角的对称因此可以比两相五相精度更高误差更小、运行更平稳。

（7）

电机的保持转距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了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。

步进电机的精度步进电机的精度为步进角的3—5%且不累积。

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。

步距角就是发送一个脉冲电机对应转动的角度。

定位转距定位转矩是指步进电机不通电的情况下定子锁住转子的力矩。

运行频率步进电机能不失步运行的最高频率。

细分驱动器步进电机细分驱动器的主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动提高电机的运转精度。

减少噪音。

如对于步距角为1.8°整步两相混合式步进电机如果细分驱动器的细分数为8那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.072°电机的精度能否达到或接近0.225°还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其他因素细分数越大精度越难控制.（8）

参考文献

［1］袁任光，张伟武.电动机控制电路选用与258实例[M].北京：

机械工业出版社，2005.

［2]李夙.异步电动机直接转矩控制[M］。

北京：

机械工业出版社，1998。

[3]王鸿钰.步进电机控制入门[M］.上海：

同济大学出版社,1990.

［4]张友德。

单片微型机原理、应用与实验[M]。

上海:

复旦大学出版社2005.

[5］王秀和。

永磁电机[M].北京：

中国电力出版社，2007.

［6]孙笑辉,韩曾晋。

减少感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法[J].电气传

动，2001

（1）：

8—11.

[7］冯江华，陈高华，黄松涛.异步电动机的直接转矩控制［J]。

电工技术学报,1999

（6）：

29—33.

［8］江一朱凌,申仲涛.异步电动机直接转矩控制仿真研究［J］.华北电力大学学

报,2003

（1）:

10—13.

［9]韩利虎。

浅谈步进电机的基本原理[J］。

内蒙古石油化工,InnerMongolia

PetrochemicalIndustry，2007（11）:

109。

［10］张巍。

浅谈单片机控制步进电机［J]。

安防科技,2006（3）：

25.

[11］房玉明，杭柏林.基于单片机的步进电机开环控制系统［J]。

电机与控制应用2006

33464-64。

［12］乔璐。

景林，韩英桃.一种实用的步进电动机驱动器设计[J].微特电机，2005

（10）：

29-31.

［13]康晶。

采用反馈控制的步进电机高低压驱动电路［J]。

电力电子技

术，2003,37

（1）：

61—62，65.

[14]IsaoTakahashi,ToshihikoNoguchi。

Anewresponeseandhigh—efficiencycontrol

strategyofanmotor［J]。

IEEETransonIndAppl,1986，22（5）：

820—827.

［15］DepenbrockM。

Directself-control（DSC）ofinverterfedmachine[J]。

IEEETransonP

E,1998，3（4）：

420-429。

毕业设计开题报告

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）:

一、

本课题要研究的内容

1.步进电机的工作原理

2.说明单片机对步进电机实现控制的方法

3.控制系统的硬件设计

4.要求能控制步进电机的转速。

向等（9）

本课题的研究手段和途径（给出方案,详细叙述）（10）

二、

80C51

单片机

状态显示电路

电源及时钟电路

键盘控制电路

复位电路

ULN2803

启动电路

步进电机

设计原理图分析

（1）步进电机（11）

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：

它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。

步进电机分三种：

永磁式（PM）,反应式（VR）和混合式（HB），步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点,使其在工业控制领域获得了广泛应用。

步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。

步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。

①四相步进电机的工作原理

该设计采用了20BY—0型步进电机，该电机为四相步进电机，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,就能使步进电机转动.当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时,如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因.

②步进电机的静态指标及术语

相数：

产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。

拍数：

完成一个磁场周期性变化所需脉冲用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。

leizi8882010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（转子齿角运行拍数）,以常规二、四相，转子齿角为50齿角电机为例。

四相运行时步距角为θ=360度/（50＊4）=1.8度，八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度。

定位转矩：

电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）.

静转矩：

电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。

但过分采用减小气隙,增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

③四相步进电机的脉冲分配规律

目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。

本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。

四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式.各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图1a、b、c所示。

本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律,四相双四拍的脉冲分配规律,在每一种工作方式中，脉冲的频率越高,其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象,所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内.

（2）89C51单片机（11）

tmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压‘高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS—51兼容；片内的FlashROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要.

方案论证

从该系统的设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要2根口线，再加上一根方向线盒一根启动信号线共需要4根输入线。

系统的输出线与步进电机的绕组数有关。

这里选四相步进电机，该电机共有四相绕组,工作电压为+5V,可以个单片机共用一个电源。

步进电机的四相绕组用P1口的P1。

0～P1。

3控制，由于P1口驱动能力不够,因而用一片2803增加驱动能力。

用P0口控制第一数码管用于显示正反转，用P2口控制第二个数码管用于显示转速等级。

数码管采用共阳的。

（12）

（13）

毕业设计开题报告

指导教师意见：

指导教师：

年月日

所在系审查意见：

教学主任：

年月日