基于单片机的步进电机控制系统电子科学与技术.docx

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基于单片机的步进电机控制系统电子科学与技术

学号：

毕业设计

题目：

基于单片机的步进电机控制系统

作者

届别

2014

院部

物理与电子学院

专业

电子科学与技术

指导老师

职称

副教授

完成时间

2014.05

摘要

步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，它能按照提供的脉冲信号频率来控制电机对应极性相反定子产生电磁感应现象，根据电磁力控制电机转子的转动。

在不同的脉冲信号作用下，它有不同的转动速率与转动方向。

同时，它具有步距角精度高、控制简便等特点，这让它在自动控制系统中得到了日益广泛的应用。

本文介绍了一种在C语言程序下通过单片机来控制步进电机转动，软硬件相结合实现电机正反转、加减速、运动/停止控制的系统设计。

在本次设计中，整个系统以AT89C51单片机芯片、步进电机驱动芯片ULN2803、步进电机及相应的按键为核心实现该功能，并且电机的工作状态可以通过相应的数码管显示出来。

最后，通过Keil软件与Proteus软件进行了仿真测试，得到了完整的波形图，验证了设计的正确性。

关键字：

AT89C51单片机，步进电机，ULN2803，正反转控制，加减速控制

Abstract

Asadigitalcontrolsystemactuator,thesteppermotorwhichcanaccordingtoprovidethefrequencyofpulsesignaltocontrolthemotorreversepolarityofthestatorproduceelectromagneticinductionphenomenon,accordingtotheelectricmagneticforcetocontroltherotationofthemotorrotor.Undertheinfluenceofdifferentpulsesignal,ithasadifferentrotationspeedandrotationdirection.Atthesametime,ithashighprecision,easytocontrolandsoon.,makingitintheautomaticcontrolsystemisbecomingmoreandmorewidelyused.

Inthispaper,aClanguageprogram,throughsinglechipmicrocomputertocontrolsteppingmotorrotation,thecombinationofsoftwareandhardwareformotorandreversing,deceleration,motion/stopcontrolsystemdesignwasintroduced.Inthisdesign,thesystemUSESAT89C51single-chipmicrocomputer,steppingmotordrivenULN2803chipandstepmotorasthecoretoimplementthefunctionandthecorrespondingbuttons,andtheworkingstateofthemachineisthroughthecorrespondingdigitaltubedisplay.ThroughKeilsoftwareandProteussoftware,finally,thesimulationtest,obtainedthefullwaveformdiagram,verifythevalidityofthedesign.

Keywords:

AT89C51,steppermotor,ULN2803,positive&negativecontrolanddecelerationcontrol

目录

摘要I

AbstractII

第一章　引言1

1.1课题提出的背景和研究意义1

1.2问题的提出2

1.3课题的主要研究内容2

1.4本章小结3

第二章步进电机的工作原理及特性4

2.1步进电机的概述4

2.2步进电机的结构及工作原理4

2.2.1步进电机的结构4

2.2.2步进电机的工作原理4

2.2.3步进电机的调速6

2.3步进电机的基本特性6

2.4步进电机的选择8

2.5力矩与功率换算8

2.6　本章小结9

第三章步进电机的单片机控制10

3.1单片机原理10

3.1.1单片机原理概述10

3.1.2AT89C51单片机简介10

3.2步进电机控制系统原理11

3.2.1脉冲序列的生成11

3.2.2步进电机的方向控制13

3.2.3步进电机的速度控制13

3.3步进电机控制系统的组成14

3.4控制系统接口电路的设计15

3.4.1按键子程序设计15

3.4.2显示电路设计17

3.4.3电机驱动模块设计17

3.5电机硬件设计18

3.6本章小结19

第四章系统的仿真19

4.1仿真测试20

4.2本章小结22

第五章结束语22

致谢24

参考文献25

附录26

附录A系统程序（C语言）26

附录B步进电机转速与步距角的计算32

第一章　引言

1.1课题提出的背景和研究意义

步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，其外观如图1-1所示。

图1-1步进电机外观图

在结构上它是由定子和转子组成，通过持续可控的脉冲信号电流使电机的定子产生矢量磁场。

该矢量场会带动转子旋转一固定角度（称为“步距角”），这样就可以是步进电机按照固定的角度一步一步的转动，实现对旋转角度和转动速度、转动方向进行高精度控制。

步进电机最早是在1920年由英国人所开发，而我国步进电机的研究及制造起始于本世界50年代后期。

从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。

现在在我国很多地方广泛生产使用，例如：

江苏、浙江、北京、南京、四川等，像驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的。

在这些年中经过不断改良与应用，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能等系统中，例如：

机器人手臂运动、高级字轮的字符选择、计算机驱动器的磁头控制、打印机的字头控制等，都要用到步进电机。

虽然步进电机在我国得到了广泛的生产与应用，但是极度缺乏专业技术人员，大多数生产厂家还处于一种盲目的仿制阶段。

这就给用户在产品选型、使用、维修等技术指导中造成许多麻烦，严重的阻碍了国民经济的发展。

作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，凭借其简单、廉价，易于操作等突出特点，步进电机在国民经济生产生活中扮演重要的角色。

随着步进电动机的需求量与日俱增，我觉得作为一个本科电子专业的大学生，研究步进电机的控制系统对国民经济的发展具有十分重要的意义。

在现实生活的使用过程中，对于一个步进电机控制系统而言，总希望它能以最简单的操作达到控制它的目的。

而以前的步进电机的控制系统设计过程中，比较常见的控制系统设计方案是通过采用分立元件或者集成电路组成的控制回路时采用的专用步进电机控制器来实现，但这样的设计使得系统的可靠性与可移植性降低，提高了产业成本，不便于产业化生产。

本次毕业设计所选的步进电机是四

相步进电机，通过AT89C51单片机控制步进电机的驱动、显示电路、按键电路，降低了系统设计的难度与成本，同时又实现了生产生活过程中对步进电机工作方式的精确控制的要求，避免了失步、振荡等对电机控制精度的影响，系统控制框图如图1-2示。

图1-2系统控制框图

1.2问题的提出

鉴于步进电机在市场上的广泛应用，研究影响步进电机工作的因素具有十分重要的意义。

过去控制电机主要通过增加硬件电路设计，这样的设计在实现的功能简单、控制精度要求不高的控制系统时比较易于实现。

但现在电机越来越多的用于高精度、高分解性能的控制系统中，例如：

机器人手臂运动、高级字轮的字符选择、计算机驱动器的磁头控制、打印机的字头控制等；同时，随着步进电机的广泛应用，也迫切需要实现电机的产业化生产，这就促使我们去研究如何精确控制电机与提高电机的移植性问题。

基于程序控制的步进电机的控制系统可以很好的解决其控制精度、移植性的问题，同时也更加易于维修。

那么，本文的主要研究方向是如何通过C语言程序控制电机的工作。

1.3课题的主要研究内容

1、步进电机的工作原理

通过查阅有关对步进电机工作方式资料的介绍，对其单拍运行、双拍运行、单双拍运行等各种运行方式进行研究，深入了解它是如何在各种工作方式下精确的运行。

2、影响步进电机工作的因素

步进电机在精确的控制下才能精确的工作。

只有我们全面的、深入的了解了影响步进电机工作的因素，那么在设计和应用中才能避开不利因素。

本次毕业设计主要就是通过改变脉冲信号来调节步进电机的转动速度、转动方向，并且通过数码管显示其转速的级别。

3、步进电机的工作特点

本次设计关于对步进电机的控制是通过控制不同频率的脉冲信号电流来控制转子在定子的矢量磁场下一步一步的转动。

转子的角位移大小及转速分别与输入的电脉冲信号个数及频率成正比。

那么，确定个数的脉冲信号就会有确定的角位移量。

4、程序的调试及修改

本次设计程序采用C语言，用Keil软件进行编程和调试，并将调试成功的程序在Proteus环境下进行系统仿真测试。

1.4本章小结

本章先对目前国内外步进电机的在各个领域的广泛应用进行了一个简单的介绍；同时，根据其在应用中存在的问题提出自己的思路；最后提出验证这些思路时可能需要研究的问题。

第二章步进电机的工作原理及特性

2.1步进电机的概述

步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的开环控制元件，即当步进电机接收到一个脉冲脉冲信号，电机就会按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”）。

正是由于这一线性关系，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得我们用步进电机来控制它的速度、位置、方向变得非常简单。

按励磁方式分为三大类，如表2-1所示。

表2-1步进电机种类

种类

区别

反应式（VR）

电机的定子与转子由铁芯构成，步距小，结构简单，但性能较差

永磁式（PM）

转子采用永久磁铁、定子采用软磁钢制造，效率高、性价比高，但由于电机受到转子磁铁的磁化间隔距离限制，比较难于制造，且力矩较大，故步距角较大（一般为7.5°或15°）

混合式（ＨB）

综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小、响应频率高，励磁功率小、效率高，但由于其结构复杂，故成本相对比较高

2.2步进电机的结构及工作原理

2.2.1步进电机的结构

步进电机主要由两部分构成：

定子和转子，其如表2-2所示。

本文以四相步进电机为例进一步分析电机的结构。

表2-2步进电机结构

术语

说明

定子

由硅钢片叠成的，定子上有8大磁极，每2个相对的磁极（Ｎ，S）组成一对，共有4对。

相邻定子间间隔分别为0、1/4π、1/2π、3/4π

转子

由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小锯齿，且与定子上的小齿相同，并且小齿的大小也相同，间距相同

2.2.2步进电机的工作原理

步进电机的工作就是步进转动，当我们用一个脉冲电流流过定子绕组时，定

子绕组产生一电磁场，该电磁场分为北极和南极，如图2-1示。

该电磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度（称为“步距角”）。

那么，我们就可以通过持续的脉冲电流精确控

制步进电机的转动。

步进电机的角位移量与脉冲数成正比，即它的转速与脉冲频率（f）成正比。

在空载情况下，步进电机有一个启动频率f0，即步进电机在空载情

况下能正常启动的脉冲频率。

若脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，会发生失步或堵转现象；而在有负载的情况下，正常启动的脉冲频率应该更低。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

图2-1　激励线圈产生电磁场

以下是一四相步进电机，其工作方式为四相八拍。

对步进电机的各相绕组按合适的时序通脉冲电流，就能使电机步进转动，图2-2是该四相反应式步进电机的工作原理示意图。

图2-2 四相步进电机步进示意图

开始时，开关SB接通电源信号，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号的锯齿对齐，同时，转子的1、4号的锯齿就和C、D相绕组磁极产生错位锯齿，2、5号的锯齿就和D、A相绕组磁极产生错位锯齿。

当开关SB、SC接通信号，SA、SD断开时，由于B、C相绕组的磁力线与0、3号齿之间磁力线之间的作用，使转子转动，0、3号齿和B、C相绕组的中间线磁极对齐。

依次类推，八拍工作方式的电源通电时序与波形如图2-3所示。

图2-3步进电机工作时序波形

2.2.3步进电机的调速

步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲信号的频率来实现步进电机的速度控制。

即通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间的脉冲频率，延时的长短来控制步进电机的转速，从而实现对步进电机的速度控制。

本文具体的延迟时间的方法是通过软件来实现，即通过程序控制脉冲信号的时间间隔来控制时间的延续。

基于单片机对步进电机进行不同速度的控制,实际上就是改变输出脉冲的时间间隔,采用软件方法就是依靠延时程序来改变脉冲输出的频率,其中延时的长短是动态的。

2.3步进电机的基本特性

步进电机作为执行元件，必须清楚的知道它的参数指标，才能够精确控制步进电机。

下面表2-3是电机的静态参数，表2-4是电机的动态参数，静态参数一般是由生产厂家决定，而动态参数是可以一由使用者具体设置，这也是本文研究的主要内容。

1、步进电机的静态指标术语如表2-3示。

表2-3步进电机静态指标术语

术语

说明

相数

产生不同对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

步距角

对应一个脉冲频率信号，转子转过的角位移θ。

θ=3600/（转子齿数*运行拍数）

定位转矩

电机在不通电流的状态下，电机转子自身的锁定力矩

静转矩

电机在额定的静态电作用下，其不作旋转运动时，转轴的锁定力矩

2、步进电机动态指标及术语如表2-4示。

表2-4步进电机动态指标术语

术语

说明

步距角精度

电机在脉冲信号下每转过一个步距角的实际值与理论值的差值

失步

电机运转时实际运转的步数与理论上的步数不相等。

称之为失步

失调角

电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

称之为失步

最大空载起动频率

转子的锯齿轴线偏移定子齿轴线的角度，则电机运转存在失调角

最大空载的运行频率

电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率

运行矩频特性

电机在一定的测试条件下测得的运行输出力矩与频率关系的曲线关系称为运行矩频特性，这是电机选择的最基本的依据。

电机一旦被选定，则静力矩确定；而动态力矩则不一定，电机的动态力矩与电机运行时的平均电流（而非静态电流）相关。

流通的平均电流越大，则电机的输出力矩越大，即电机的频率特性越好。

要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使使用小电感、大电流的电机

电机正反转控制

当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转

3、步进电机的主要特点如下：

①一般电机的精度为步进角的3%-5%，并且不积累。

②步进电机外表所允许的最高温度：

当步进电机温度过高时首先会使电机中的磁性材料退磁，从而导致电机力矩下降，甚至失步，因此电机外表所允许的最高温度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摄氏80-90度完全正常。

③步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

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压差；频率越高，反向电压差越大。

在它的作用下，步进电机随频率（或速度）的增大而相电流减少，从而导致力矩下降。

④步进电机在低速时能够正常转动，但若其高于一定转动速度就无法启动，并伴有啸叫声。

电机有一个技术参数指标：

电机的空载启动频率，即其在空载情况下能够正常启动的脉冲频率信号，如果脉冲信号频率高于该值，则电机不能够正常启动，并可能发生丢步或堵转；且在有负载时，电机的启动频率应更低。

如果使电机达到高速转动，则脉冲频率应该有加速过程，即启动脉冲信号频率较低，然后按一定的加速度升到用户所希望的高频（电机的转速从低速慢慢升到高速）。

2.4步进电机的选择

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定，电机的型号便确定下来了,其要点如表2-5所示。

表2-5步进电机的选择

术语

说明

步距角

电机的步距角取决于其负载精度的要求，将电机的负载最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小于此角度。

目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等

静力矩

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。

静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。

单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）

电流

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）

2.5力矩与功率换算

步进电机一般在较大范围内可以调速、功率等使用，所以一般只用力矩来衡量电机性能，力矩与功率的换算公式如下：

　　其P为功率，单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米

　（半步工作）

其中f为每秒脉冲的个数（简称PPS）

2.6　本章小结

本章先介绍了步进电机的种类及其工作原理，再根据其工作原理重点介绍了四相八拍的工作方式及调速的方法；再介绍了步进电机的特性及如何选择一款合适的步进电机。

第三章步进电机的单片机控制

3.1单片机原理

3.1.1单片机原理概述

单片机是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型化的计算机。

微型化的计算机由CPU、存储器、I/O接口电路等组成，并且相互间通过三组总线（BUS）来连接。

图3-1中表示单片机的典型结构图。

由于单片机的高度集成化，缩短了系统内部之间的信号传送距离，优化了系统结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。

3.1.2AT89C51单片机简介

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微型处理器，俗称单片机。

AT89C系列单片机是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机在只读存储器上可以反复擦除多次。

该器件采用ATMEL高密度非易失性的存储器制造技术制造，并与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚完全兼容。

由于其将多功能的8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片之中，ATMEL的AT89C51是一种高效的微型控制器。

51系列单片机为许多嵌入式系统提供了一种比较灵活且性价比高的设计方案，这也促进了嵌入式控制系统在市场上的广泛应用与推广。

AT89C51单片机芯片外形及引脚的排列如图3-2所示，各引脚功能如表3-1所示。

而P3口用作I/O接口时，其功能与P1口相似，但在很多情况下P3口使用的是第二功能，P3口的第二功能如表3-2所示。

图3-2AT89C51外形及引脚排列

3.2步进电机控制系统原理

3.2.1脉冲序列的生成

　　51系列单片机在处理信息时使用的是ASCⅡ码，即使用一连串的数字0和1表示信息内容。

那么，将1表示高电平，0表示低电平，我们就实现对脉冲信号的精确控制，如图3-3所示为脉冲信号示意图。

图3-3脉冲信号

电脉冲信号幅值：

由数字元件的电平决定。

CMOS：

0～10V

　TTL：

0～5V

通过程序控制单片机产生一系列ASCⅡ码，即一系列0和1的不同组合，根据这一系列不同的0和1组合产生我们需要的脉冲信号。

本课题采用的51单片机输出脉冲幅值为5V。

引脚

功能说明

VCC

供电电压

GND

接地

P0口

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻

P1口

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收

P2口

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号

P3口

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故

RST

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间

ALE/PROG

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH