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附录10
摘要
步进电机在控制系统中具有广泛的应用。
它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。
步进电机是一种用电脉冲进行控制,将电脉冲信号转换成相应角位移的电机,其机械位移和转速分别与输入电机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.本文介绍的步进电机驱动控制电路,采用AT80C51单片机对步进电机进行控制,通过ULN2003A对电机进行驱动的。
关键词：
步进电机、单片机、ULN2003A
1控制电机的综述
1.1控制电机的原理
1.1.1旋转变压器
旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。
两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两队磁极，主要用于高精度的检测系统。
除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统。
旋转变压器是一种电磁式传感器，又称同步分解器。
它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。
其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000HZ等。
转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。
旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。
旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，适用于所有使用旋转编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。
1.1.2自整角机
自整角机主要包括力矩式自整角机、控制式自整角机、数字式自整角机。
自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电机或由转角变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。
自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。
两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地保持相同的转角变化，或同步旋转。
电机的这种性能称为自整步特性。
在伺服系统中，产生信号一方所用的自整角机称为发送机，接收信号一方所用自整角机称为接收机。
自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。
1.1.3测速发电机
测速发电机主要包括直流测速发电机、交流测速发电机、特种测速发电机。
测速发电机的工作原理是将转速转变为电压信号，它运行可靠，但体积大，精度低，且由于测量值是模拟量，必须经过A/D转换后读入计算机。
脉冲发生器的工作原理是按发电机转速高低，每转发出相应数目的脉冲信号。
按要求选择或设计脉冲发生器，能够实现高性能检测。
1.1.4伺服电动机
伺服电动机分交、直流两类。
交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同。
在定子上有两个相空间位移90°
电角度的励磁绕组和控制绕组接一恒定交流电压，通过交流电压或相位的变化，从而达到控制电动机运行的目的。
伺服电动机的特点及应用范围
交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格等特点，应用于各种包装机、焊接机、贴片机。
1.1.5微特同步电机
微特同步电机包括永磁同步电动机、磁阻同步电动机、磁滞同步电动机、低速同步电动机。
微特同步电机的特点：
转速不随负载和电压而变化，只与频率相关；
运行稳定性好，具有较强的过载能力；
运行效率高，在低速时，同步电动机这一点尤为突出；
能以超前功率因数运行，有利于改善电网功率因数。
缺点是不亘连续启动。
微特同步电机的应用范围：
微特同步电机的额定功率从零点几瓦到数百瓦，由于同步电动机的转速在一定的输出功率范围内是不随负载变化的这种恒速特性使得微型同步电机在诸如电报传真机、磁带录音机和各种精密的计时或是记录装置中得到了广泛的应用。
1.1.6无刷直流电动机
无刷直流电动机按照工作特性可以分为两大类：
1．具有直流电机特性的无刷直流电机。
2．具有交流电机特性的无刷直流电机。
无刷直流电动机的工作原理及应用范围：
与普通结构的永磁直流电动机不同，在无刷直流电动机中，电枢绕组放置在定子上，永磁体则放置在转子上。
定子各相电枢绕组相对于转子永磁体的位置，由转子位置传感器通过电子方式或电磁方式感知，并利用其输出信号，通过电子开关线路，按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组相连接的电力电子开关器件，把电流导通到相应的电枢绕组。
随着转子的连续旋转，位置传感器不断地发送转子位置信号，使电枢绕组不断地依次通电，不断地改变通电状态，从而使得转子各磁极下电枢导体中流过电流的方向始终不变。
这就是无刷直流电动机电子转向的实质。
应用于绕线机、跑步机、医用离心机、医用离心机、喷气式干手机、纺织机械等。
1.1.7步进电动机
步进电动机的工作原理及应用范围：
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，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。
1.1.8直线电动机
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。
它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。
在初级绕组中通多相交流电，便产生一个平移交变磁场称为行波磁场。
在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。
主要应用在激光切割、SMT贴片机、切割机床、物流设备、立体仓库、油田抽油机、PCB钻孔机，太阳能晶片印刷和切割、半导体生产制造设备等。
各系列直线电动机的分类及其特点:
（1）无铁芯直线电动机特点：
无齿槽效应，容易实现更安定的运动，实现更高精度体积小重量轻，易实现高加速度运行。
（2）有铁芯直线电动机特点：
推力密度高，在同等尺寸下提供更高的推力，可提供最大上万牛顿推力磁性吸引力，动子定子间会产生较大的磁性吸引力。
1.1.9超声波电动机
压电体表面形成上正、下负的电场时，压电体在长度方向便会伸张；
反之，若在压电体上、下表面施加反向电场．则压电体在长度方向就会收缩。
当对压电体施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。
当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振状态。
成为压电振子。
当振动频率在20khz以上时，就属于超声振动。
超声波电动机的特点:
1.一般传统电磁马达在高转速工作时具较高的效率，但在低转速时则较低，和传统电磁电机相比，超声波电机在低转速时能够表现出较高的转换效率。
2.不需要经过齿轮的转换，便可产生高扭力，所以可以直接驱动。
3.具有振动模式可选择，故可以有各种不同之形状，在设计上极具弹性。
4.不会产生电磁干扰。
5.安静、噪音低。
6.结构简单。
1.2控制电机的分类
通过<
<
控制电机>
>
这门课程的学习让我知道除了过去学过的直流电机，异步电机和同步电机之外还有很多广泛使用各种特殊结构和特殊用途的控制电机，并且通过学习了解了很多关于控制电机方面的知识。
根据在自动控制系统中的作用又可以把控制电机分为执行元件和测量元件两大类。
1.2.1执行元件
主要包括交直流伺服电动机，无刷直流电动机，步进电动机和直线电动机等。
这些控制电机的任务就是将输入的电信号转换为转子的角位移或角速度，或者动子的线位移或线速度，并带动控制对象运动，所以又称为功率元件。
1.2.2测速元件
主要包括旋转变压器，自整角机和交直流测速发电机等。
这些控制电机的任务就是测量自动控制系统中的角位移，转角差或转速，其输出一般为电压信号,
可以驱动执行电动机完成校正或测量任务，所以又称为信号元件。
1.3控制电机的特点
日常生活中遇到的电机一般是作为动力来使用的，它们的主要任务是能量转换，发电机是把机械能转换成电能，电动机是把电能转换成机械能。
而控制电机在自动控制系统中，只起一个元件的作用，其主要任务是完成控制信号的传递和转换，而完成能量转换则是次要的。
它们使用的场合及所耍完成的任务，要求它们具有运行可靠、动作迅速和准确度高的特点。
2控制电机的实际应用
各种控制电机都得到了广泛和深入的应用，尤其是步进电动机。
2.1步进电机的应用
随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用,步进电动机及驱动器的研制和发展进入了新阶段。
步进电机除了结构简单、使用维护方便、工作可靠,在精度高等特点。
还有下列优点:
①步距值不受各种干扰因素的影响。
转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率。
转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。
②误差不积累。
步进电动机每走一步所转过的角度与理论步距值之间总有一定的误差,走任意步数以后,也总有一定的误差。
但每转一圈的累积误差为零,所以步距的误差不积累。
③控制性能好。
起动、转向及其他任何运行方式的
改变,都在少数脉冲内完成。
在一定的频率范围内运行时,任何运行方式都不会丢一步的。
由于步进电动机有上述特点和优点而广泛应用在机械、冶金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领域。
2.2步进电机的控制原理
步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。
步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。
一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。
步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。
在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。
因此非常适合于单片机控制。
步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。
步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。
传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。
3步进电机的单片机控制
3.1设计目的
（1）设计并实现给定步进电机的控制；
（2）进一步掌握步进电机的控制方法；
（3）进一步掌握单片机硬件和软件的综合设计方法。
3.2设计方案论证
（1）控制方式的确定
步进电机控制是一个比较精确的控制，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的CP
单片机控制步进电机的流程图
脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。
系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。
一种是延时，一种是定时。
延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的CP脉冲或换向周期。
延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是CP脉冲的周期，该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行。
但占用CPU时间长，不能在运行时处理其他工作。
因此只适合较简单的控制过程。
定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出CP脉冲的周期。
（2）驱动方式的确定
步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过CPU直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动；
别一种是通过CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。
固本次设计应采用CPU间接驱动步进电机。
用编码器的测速发电机作为转速测量工具,因为选择了闭环控制，就必须有反馈元件，反馈元件一般有两种，一种是采用同轴的测速发电机，把步进电机的转速反馈回来，然后通过显示器显示出来并对步进电机进行调节；
别一种是通过光同轴的电编码器把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调节；
两者相比，后者的设计比较简单，价格便宜，安全可靠，污染少。
固一般采用后者，用光电骗码器作为反馈元件。
（3）驱动电路的选择
步进电机的驱动电路有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。
但因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的调节范围比较广，固应选用驱动芯片ULN2003A来驱动，并通过软件来实现
步进电机的调速。
3.3系统硬件电路设计
3.3.1单片机的选择
本次设计以CPU选用80C5l作为步进电机的控制芯片．80C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上．使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。
AT80C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FAlshProgrAmmABleAndErAsABleReAdOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT80C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案
3.3.2单片机的引脚功能
（1）VCC（40）：
电源+5V。
（2）VSS（20）：
接地，也就是GND。
（3）XTL1（19）和XTL2（18）：
振荡电路。
单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；
另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。
（4）PSEN（29）：
片外ROM选通信号，低电平有效。
（5）ALE/PROG（30）：
地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。
（6）RST/VPD（9）：
复位信号输入端/备用电源输入端。
（7）EA/VPP（31）：
内/外部ROM选择端。
（8）P0口（39-32）：
双向I/O口。
（9）P1口（1-8）：
准双向通用I/0口。
（10）P2口（21-28）：
准双向I/0口。
3.4主要特性
与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：
1000写/擦循环数据保留时间：
全静态工作：
0Hz-24Hz三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。
（1）振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，
XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
（2）芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT80C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
3.5步进电机驱动的选择
因为步进电机工作时的驱动电流比单片机端口所能提供的要大得多．单片机要控制电机的运动就不能直接将端口与电机各相相连，必须使用一定的接口电路和驱动电路。
接口电路一般为锁存器，也有使用可编程接口芯片，如8255.驱动器多选用大功率复合管ULN2003A。
3.6系统软件程序设
步进电机控制程序就是完成环形分配器的任务，从而控制步进电机转动，以达到控制转动角度和位移之目的。
首先要进行旋转方向的判断，然后转到相应
控制程序。
正反向控制程序分别按要求的控制顺序输出相应的控制模型，再加上脉宽延时程序即可。
脉冲序列的个数可以用寄存器CL进行计数。
控制模型可以以立即数的形式一一给出。
4总结
通过这次的控制电机的课程设计，我对步进电动机有了深入的了解，平时我们接触的电动机主要是直流电动机和交流电动机，很少见到步进电动机，所以对于步进电动机比较陌生。
通过老师指导，然后自己在课后翻阅书籍和上网，搜集到了不少有关步进电动机的知识。
通过钻研这些知识，我总算对步进电机有了认识，但是这离课程设计需要掌握的知识相差甚远，为了缩短这种差距，我只能不断的向老师和同学请教，然后仔细的揣摩。
在这次课程设计中，通过用单片机控制步进电机的正、反转，我也对单片机的知识也进行了复习和巩固。
那时候觉得学习单片机是那么的枯燥乏味，整天只是学习这个指令做什么，那个指令做什么，觉得学了一点用都没有。
但是今天我才发现，学习单片机是那么的有用处，它可以控制步进电机的旋转、加减速、停止，也可以控制十字路口的交通灯，还可以控制机械手工作。
俗话说的好，实践是检验真理的唯一标
准，学习再多的理论也只能纸上谈兵，只有把理论应用到实践中，才能检验出理论的真伪。
从这次的课程设计，我也发现自己在好多地方的不足，在以后的学习和工作中,我会努力去弥补这些不足，争取让自己不要被社会淘汰。
参考文献
[1]温希东，路勇.计算机控制技术.西安电子科技大学出版社,2005
[2]曹天汉.单片机原理与接口技术.电子工业出版社,2006
[3]曹承志.电机拖动与控制.机械工业出版社,2000
[4]徐益民.步进电机的单片机控制系统的设计.黑龙江科技学院.2005
[5]廖高华.高性能步进电机控制系统的研制.西安科技大学，2004
附录
原理图
本系统主要是由单片机AT80C51，接口芯片8255，步进电机驱动器ULN2003，步进电机，通过单片机编程，实现步进电机控制的脉冲分配，使电机实现正转，反转以及停止等功能。
因为步进电机工作时的驱动电流比单片机端口所能提供的要大得多．单片机要控制电机的运动就不能直接将端口与电机各相相连，必须使用一定的接口电路8255芯片和驱动电路ULN2003芯片。
开始通电后，步进电机开始转动，单片机接有按钮开关SW用来控制步进电机的不同转向，当断开按钮开关SW后，电机正转；
当按下按钮开关SW后，电机
反转。
源程序：
ORG0000H
PORTAEQU8000H;
A口地址
PORTBEQU8001H;
B口地址
PORTCEQU8002H;
C口地址
CADDREQU8003H;
控制字地址
SWBITP1.0;
定义控制按钮
SJMPSTART
ORG30H
START:
MOVSP,#40H
MOVA,#80H;
8255A方式0,输出
MOVDPTR,#CADDR
MOVX@DPTR,A;
初始化8255A
AGAIN:
MOVP1,#0FFH
JBSW,ZHENG_ZHUAN;
按钮断开，正转
FAN_ZHUAN:
;
按钮闭合，反转控制
MOVA,#0
MOVR4,#8
BBB:
PUSHACC
MOVDPTR,#BACK
MOVCA,@A+DPTR
CPLA
MOVDPTR,#PORTA
MOVX@DPTR,A
CALLDELAY
POPACC
INCA
JBSW,ZHENG_ZHUAN;
若按钮释放，正转
DJNZR4,BBB
SJMPAGAIN
ZHENG_ZHUAN:
;
正转控制
MOVR3,#8
AAA:
PUSHAC
MOVDPTR,#FORWARD
MOVCA,@A+DPTR
MOVX@DPTR,A
POPACC:
JNBSW,FAN_ZHUAN;
若按钮释放，反转
DJNZR3,AAA
DELAY:
MOVR6,#5;
延时
DD1:
MOVR5,#080H
DD2:
MOVR7,#200
DD3:
DJNZR7,DD3
DJNZR5,DD2
DJNZR6,DD1
RET
FORWARD:
DB01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H;
正转
BACK:
DB08H,0CH,04H,06H,02H,03H,01H,09H;
反转
END
升级会员 