基于单片机控制步进电机课程设计说明书 推荐.docx

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基于单片机控制步进电机课程设计说明书推荐

洛阳理工学院

课程设计说明书

课程名称单片机原理及接口技术

设计课题基于单片机控制步进电机

专业自动化

班级B120439

姓名鹿卫超

2013年6月21日

课程设计划任务书

电气工程与自动化系自动化专业

学生姓名鹿卫超班级B120439学号B12043927

课程名称：

单片机原理及接口技术

设计题目：

基于单片机控制步进电机

课程设计内容与要求：

本课题以单片机为核心，设计并制作出步进电机控制系统。

设计要求：

（1）通过控制按键，使步进电机实现顺时针和逆时针旋转。

（2）通过控制步进电机运转状态可以实现正反转，加速减速。

设计（论文）开始日期2013年6月10日指导教师张娟梅

设计（论文）截止日期2013年6月21日指导教师董红政

2013年6月21日

电气工程与自动化系自动化专业

学生姓名鹿卫超班级B120439学号B12043927

课程名称：

单片机原理及接口技术

设计题目：

基于单片机控制步进电机

课程设计篇幅：

图纸14张

说明书25页

指导教师评语：

摘要

步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件。

与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。

本文首先简单的介绍了步进电机的发展概况、特点及工作原理。

包括步进电机的控制方式和驱动方式作了系统说明，给出了系统设计的总体方案以及本系统的特点和功能。

然后以AT89C52单片机为主控制器，详细介绍了基于该单片机的步进电机的控制系统。

在此基础上对外围电路键盘电路、复位电路等各个模块的电路进行详细的设计。

接着阐述了步进电机软件控制的开发的流程和程序设计。

同时给出了步进电机的正反转、速度控制的程序清单。

本文采用软硬件结合的方法达到了对步进电机的最佳控制。

关键词：

步进电机单片机

Abstract

SteppermotorisakindofcontrolledbyelectricpulsesignalphasewindingcurrenttoachieveconstantAnglerotatingmechanicalandelectricalcomponents.Easyopen-loopprecisioncomparedwithothertypesofmotorcontrol,noaccumulatederror,etc,widelyusedinmanyfields.Thisarticlefirstsimplyintroducesthedevelopmentsituationandcharacteristicsofsteppermotorandworkingprinciple.Includingthesteppermotordrivesystem,controlmethodandthesystemshowsthattheoverallschemeofthesystemdesignisgivenandthefeaturesandfunctionsofthissystem.ThenisgivenprioritytowithAT89C52single-chipmicrocomputercontroller,isintroducedindetailbasedonthesinglechipmicrocomputersteppingmotorcontrolsystem.Onthebasisoftheperipheralcircuit,thekeyboardcircuit,resetcircuit,etc.Eachmodulecircuitdesignindetail.Thenelaboratedthesteppermotorcontrolsoftwaredevelopmentprocessesandprogramdesign.Atthesametimegivesthestepmotorandreversing,speedcontrolprogramlist.Inthispaper,byusingthecombinedmethodofsoftwareandhardwaretoachievetheoptimalcontrolofthesteppermotor.

Keyword：

steppermotormicrocontroller

概述

（1）引言

步进电动机又称脉冲电动机，其应用发展己有约80年的历史。

可以说步进电机是纯粹的数字控制电动机，步进电机驱动器通过控制脉冲，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。

步进电动机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、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。

（2）本文研究的目的和意义

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。

（3）本文研究内容

本论文所选的步进电机是四相步进电机，实现步进电机加速、减速，正转、反转，预置圈数，圈数同步，以及转速级别显示。

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（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。

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。

本次课程设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的。

另外通过单片机实现它的正反转，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（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。

第1章步进电机的工作原理及其特性

1.1步进电机的概念

步进电机是一种将电脉冲转为角位移或线位移的执行机构。

简单一点讲，当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（即步进角）。

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的；同时我们也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。

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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单、精度高。

从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。

本次课程设计采用的是步距角为1.8度的四相八拍永磁式步进电机。

1.2步进电机的特点

1. 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。

2. 步进电机外表不允许较高的温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，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。

4. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。

5. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。

同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

6. 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。

7. 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。

8. 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。

9. 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。

10. 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。

11. 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。

如打印机，绘图仪、数控机床切割。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

1.3步进电机的综述

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩，但动态性能相对较差。

永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。

用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。

一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相：

两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。

这种步进电机的应用最为广泛，它是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。

此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。

1.3.1步进电机的工作原理

本次设计是采用步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V—DC12V。

当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。

每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。

当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。

四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的工作方式（四相）

1.单四拍：

通电顺序为：

A→B→C→D；

2.双四拍：

通电顺序为：

AB→BC→CD→DA；

3.四相八拍：

通电顺序为：

A→AB→B→BC→C→CD→D→DA；

步进电机线圈如图1-1所示：

图1-1步进电机线圈图

1.3.2步进电机的常用术语

齿距角：

相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。

θz =2π/Z  （Z 是转子的齿数） 

步距角：

指每给一个电脉冲信号