步进电机控制系统的设计Word文档下载推荐.docx

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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，它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角位移量，从而达到准确定位的目的；

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）。

我们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目的；

同时我们可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；

连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。

由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。

如图1所示。

图1步进电机

1．步进电机的工作原理

步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成向位移的电机。

其机械位移和

转速分别与输入绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比，每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电机运转的速度。

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（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

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。

本步进电机为一四相步进电机，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，就能使步进电机步进转动。

图2是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

图2四相步进电机步进示意图

　　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。

　　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3a、b、c所示：

图3步进电机工作时序波形图　

2．步进电机的控制技术

（1）换相顺序的控制：

通电换相这一过程称为脉冲分配。

本设计已四相步进电机为例，四相步进电机在单四拍的工作方式下，其各相通电顺序为A-B-C-D-A，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。

四相双四拍的通电顺序为AB-BC-CD-DA.四相八拍的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

（2）步进电机的换向（方向）控制：

当给定步进电机正序换相通电，步进电机正转。

如果步进电机的励磁方式为四相八拍，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

若按反序通电换相，即A-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A，即电机就实现反转。

其他方式情况类似。

（3）步进电机的速度控制：

如果给步进电机发一个控制脉冲，它会转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。

两个脉冲的间隔越短，步进电机就转的越快。

调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。

（4）步进电机的启停控制：

步进电机由于其电气特性，运转使会有步进感。

为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步进电机的步进角，跳过步进电机运行的平稳性。

在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。

3．步进电机的基本参数：

1）相数：

产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。

常用m表示。

2）拍数：

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用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A-B-C-D-A。

3）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（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。

四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

计算转速以基本步距角1.8°

的步进电机为例（现在市场上常规的二、四相混合式步进电机基本步距角都是1.8°

），四相八拍运行方式下，每接收一个脉冲信号，转过0.9°

，如果每秒钟接收400个脉冲，那么转速为每秒400X0.9°

=360°

，相当与每秒钟转一圈，每分钟60转。

4．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。

3）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）。

二、硬件设计

本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。

如图4总体设计方框图所示：

图4总体设计方框图

其中，最小系统只是为了使单片机正常工作。

控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。

显示电路主要为了显示电机的工作状态和转速。

驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而实现驱动电机转动。

整体硬件电路如下图5所示。

图5步进电机的整体硬件电路

1.控制电路

根据系统的控制要求，控制输入部分设置了，换向控制，加速及减速控制按钮，分别为S2、S3、S4，控制电路如图6所示。

通过S2状态变化实现电机的换向功能。

当S2状态变化时，内部程序检测P3.1的状态来调用相应换向程序，实现系统的电机的正反转控制。

根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制输入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。

对于单片机而言，主要的方法有：

软件延时和定时中断，本设计的转速控制主要由定时器的中断实现的。

本电路控制电机加速度通过S3、S4的断开和闭合，从而控制外部中断。

根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。

图6按键控制

2.最小系统

对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:

单片机、晶振电路、复位电路，如图7所示。

图7单片机51最小系统

（1）复位电路

由电容串联电阻构成,由图并结合"

电容电压不能突变"

的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。

（2）晶振电路

在单片机引脚XTAL1和XTAL2外部接晶振电路器或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。

由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

内部振荡方式的外部电路如图7示。

其电容值一般在5～30pf，典型的晶振取11.0592MHZ、12MHZ。

3．驱动介绍

如图8所示，为步进电机驱动电路。

通过步进电机的P1.0～P1.3口输出到ULN2003的1B～4B口，经信号放大后从1C～4C口分别输出到电机的A、B、C、D相。

图8步进电机驱动电路

4．显示电路

动态显示驱动：

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"

a,b,c,d,e,f,g,dp"

的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

如下图9所示。

图9数码管显示电路

三、软件设计

系统分为电机正转、电机反转、电机加速与电机减速的几部分组成，其主程序流程图，如图10所示。

图10主程序流程图

1．按键程序设计

按键程序用于判断P3.1口、P3.2口、P3.3口的值，当p3.1口为0时，电机正转，当p3.1口为1时，电机反转。

如图11所示。

图11按键部分流程图

2．加、减程序设计

（1）加速部分

当电机正转或反转的时候，按下加速键，调用加速子程序，使电机每转动一步的延时时间变短，从而实现电机的加速。

加速流程图如图12所示。

图12加速部分流程图

（2）减速部分

电机正转或反转的时候，按下减速键，通过改变电机每转动一步的延时时间，使时间变长，从而实现电机减速。

减速流程图如图13所示。

图13减速部分流程图

四、总结

这次毕业论文设计根据设计要求，复习了所学的单片机、步进电机和单片机C语言的内容，通过查询相关的资料，初步掌握了步进电机控制的基本原理和步进电机转动的控制方法，步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日增加，在各个国民经济领域仍将起到重要作用。

根据课程设计的要求和自己通过参考有关资料，熟悉了各硬件的工作原理，写好了程序流程图，相信在程序流程图的基础上，查阅汇编资料会很容易写出相应的程序，达到能够实现所要求的功能的目的。

《步进电机控制系统设计》毕业设计重点是理论与实际的相结合。

在这次设计过程中，我感到自己综合应用能力有待进一步加强。

让我更加重视实践动手操作能力，全面提高综合素质。