基于单片机控制步进电机的旋转.docx
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基于单片机控制步进电机的旋转
中文题目：
基于单片机控制步进电机的旋转
英文题目：
Basedonsingle-chipmicrocomputercontrolsteppingmotor
rotation
论文题目
基于单片机控制步进电机的旋转
论文类型
A理论研究；B应用研究；C应用理论研究；D产品设计；（E）工程技术开发；F软件开发与应有；G其它
一、研究现状、目标、意义综述
我国步进电机的研究现状：
步进电机的研究和制造主要是从本世纪50年代后期开始，50年代后期到60年代后期主要是科研机构和一些高等院校来研究一些装置或是开发一些产品。
在文革期间，全国各地都大量生产和应用步进电机，而且都在各个行业里使用，其中半导体器件的驱动电路器件都是国产。
70年代到80年代，各种混合式步进电机和驱动器作为产品已广泛应用。
目前，能生产步进电机的厂家非常多，但大部分都属于仿制，具有专业技术人员，又能自行开发研制的生产厂家非常缺，虽然步进电机应用广泛，但并不能像交流电机，直流电机常规使用。
它必须由脉冲信号、功率驱动电路组成控制系统才能使用。
所以用好步进电机并不是件容易事，它涉及到机械、电子、电机、计算机等多个领域的专业知识。
现代社会里，科技的进步，使得电机的应用越来越广泛。
我们接触到的无论是交通工具，还是家电，大多都会与电机的运转有关。
步进电机是电机的一种，它可以通过开路控制，达到准确定位和调速的目的。
一些重要的领域普通电机是无法代替的。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，用于工业自动化生产的机具设备和电脑的外设。
比如，切割机和打印机都大量使用步进电机。
现在越来越多在控制精密要求的系统中开始采用步进电机，应用范围也越来越广。
一般小功率步进电机采用单片机和专用步进电机驱动来联合工作，单片机产生脉冲来控制开启、正反转和变速等。
专用步进电机驱动呈环形分配脉冲及功率驱动。
这种控制方式成本低，体积小，简单易于实现。
所以研制步进电机驱动器及控制系统具有十分重要的意义。
二、研究方法和进度安排
序号
研究方法
进度安排
1
准备资料，写开题报告
第一周到第二周
2
学习步进电机知识和单片机知识
第三周到第五周
3
控制方案确定
第六周到第七周
4
程序的调试
第八周
5
硬件电路的焊接，测试与修改
第九周到第十周
6
撰写论文
第十一周.
7
修改和定稿，完成论文和答辩提纲
第十二周
摘要
本文详细介绍了基于单片机控制步进电机旋转的设计，以51系列单片机AT80C51为控制核心，对步进电机的旋转进行控制。
在本文中，分别介绍了步进电机的原理，单片机原理，系统的硬件电路以及程序组成。
通过单片机、电机的驱动芯片ULN2003a以及相应的开关去实现控制电机的正转、反转、加速、减速、停止，并对该系统进行硬件调试。
本设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强，模块化设计，结构简单，人机交互换界面，操作简单的特点。
这个系统可应用于在大多数机电一体化步进电机的控制。
实践证明，与传统步进电机控制器相比，单片机控制的步进电机控制更加简单、操作方便、可靠，它具有更好的性能
关键词：
步进电机；驱动芯片ULN2003a；单片机；控制旋转
Abstract
Thisthesisbasesonthedesignoftheprinciplethatmicrocontrollercontrolsthesteppermotortorotate,regards51SeriesMCUAT80C51asthecyberneticscoreandfinallycontrolstherotationofsteppermotor.Itintroducestheprincipleofsteppermotorandmicrocontroller;thehardwarecircuitofthesystemandprogramcomposition.Itachievesthemotorofforward,inversion,acceleration,deceleration,stoppingmicrocontrollerthroughthechipofmotordriveULN2003aandcorrespondingswitchtoanddebugsthehardware.Thisdesignhasthefeaturesofhighreliability,stability,modulardesign,simplestructure,human-computerinteractioninterfaceandsimpleoperation.Thesystemcanbeusedinmostofthecontrolofmechatronicssteppermotor.
Practicehasprovedthat,microcontrollerismoresimple,convenientandreliable.Ithasbetterperformancethanconventionalsteppercontroller.
Keywords:
stepmotor;drivechipULN2003a;MCU;controltherotation
目录
1绪论1
1.1课题的背景1
1.2步进电机的发展概况1
1.3课题研究内容2
2步进电机的基本介绍3
2.1步进电机的原理3
2.2步进电机的主要参数3
2.2.1步进电机的静态指标术语3
2.2.2步进电机的动态指标术语4
2.3步进电机的特点5
2.4步进电机的分类5
2.5四相步进电机的工作原理6
2.6步进电机的选型8
2.6.1步距角的选择8
2.6.2静力矩的选择8
2.6.3电流的选择8
3步进电机的驱动技术分析及ULN2003a芯片说明10
3.1单电压功率驱动接口10
3.2双电压功率驱动接口11
3.3高低压功率驱动接口11
3.4斩波恒流功率驱动接口12
3.5升频升压功率驱动接口13
3.6集成功率驱动接口13
3.7ULN2003a芯片说明13
4步进电机的单片机控制17
4.1单片机的基本原理17
4.280C51单片机的基本介绍17
4.2.180C51单片机主要结构组成17
4.2.280C51单片机引脚说明18
4.3驱动系统总体结构20
4.4驱动系统的驱动原理21
4.4.1步进电机的控制信号21
4.4.2ULN2003a驱动芯片应用22
4.4.3单片机控制信号的输出和编程22
4.5电路结构及工作原理26
4.5.1按键开关部分28
4.5.2驱动芯片部分28
5驱动系统的调试29
6结论30
参考文献31
致谢32
1绪论
1.1课题的背景
步进电机是一种将脉冲信号转换成相应的线性位移（角位移）的电磁装置，是一种纯粹的数字控制电机。
由于步进电机的精确性和良好的性能，可以将数字脉冲控制的信号直接转换成一定数值的线性位移，并且自动的产生定位转矩，进而使转轴锁定。
当前打印机，机器人，数控机床等设备都是以步进电机为核心。
在各种控制系统及办公自动化设备等领域中，具有极其广泛的应用。
在现代社会，随着科技的进步，使得电机的应用越来越广泛。
我们接触的不管交通工具，还是家电，大多都离不开电机的运转。
步进电机是电机的一种，它可以通过开环控制，达到准确定位和调速的目的。
在一些重要的领域普通电机是无法代替的。
由于微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求与日俱增，大量用于工业自动化生产的机具设备以及电脑的外设。
比如，切割机和打印机都大量用到步进电机。
现在步进电机开始应用在控制精密要求的系统中，其应用范围也越来越普遍。
一般小功率步进电机都使用单片机来驱动工作，运用单片机产生的脉冲来控制开启、正反转和变速等。
这种控制方式具有成本低，体积小，操作简单，易于实现的优点。
所以对于研究步进电机的控制系统，具有十分远大的意义。
为此，本文设计了单片机控制步进电机的驱动程序，完成对步进电机转速以及转动方向的控制。
1.2步进电机的发展概况
步进电机的研究和制造主要是从本世纪50年代后期开始，在50年代后期到60年代后期主要是科研机构和一些高等院校来研究一些装置或是开发一些产品。
在文革期间，全国各地都大量生产和应用步进电机，而且都在各个行业里使用，其中半导体器件的驱动电路器件都是国产。
70年代到80年代，各种混合式步进电机和驱动器作为产品已广泛应用。
目前，能生产步进电机的厂家非常多，但大部分都属于仿制，具有专业技术人员，又能自行开发研制的生产厂家非常缺，虽然步进电机应用广泛，但并不能像交流电机，直流电机常规使用。
它必须由脉冲信号、功率驱动电路组成控制系统才能使用。
用好步进电机不是一件易事，它涉及到机械、电子、电机、计算机等多个领域的专业知识。
综合上述情况考虑，本文决定选用四相混合式步进电机，叙述其基本工作原理及设计简单的驱动程序。
1.3课题研究内容
本课题采用的研究方法是运用单片机用软件的方式配合有关芯片和电路元件，达到片机来控制步进电机，控制步进电机的速度，并实现它的正反转，使其能在一定的范围下运行，以达到对步进电机的最佳控制，使用步进电机简单的工作方式来实现个性化操作，以满足不同用户的要求。
在期间对有可能发生的问题进行论述，并且提出有效的解决方法。
2步进电机的基础介绍
步进电机是将脉冲信号转变成对应的线性位移（角位移）的电磁装置。
步进电机由于精确性良好的性能，组成的开环系统不仅简单而且廉价，可行性高，目前打印机，机器人，数控机床等设备都是以其为核心。
在各种控制系统和办公自动化设备等领域中有着极其广泛的应用。
2.1步进电机的原理
一般情况下电机的转子是永磁体，随着电流流过定子绕组，一矢量磁场就会出现在定子绕组上。
由于磁场的存在，会引起转子的旋转，而且转子的磁场方向与定子的一致。
当定子的矢量磁场转动时，转子也随着该磁场同角度的转动。
输入一个电脉冲，电机转动一个角度，前进一步。
输出的角位移和输入的脉冲数、转速与脉冲频率成正比例关系。
而且改变绕组通电的顺序，电机就会反向转动。
综述可知，控制步进电机的转动可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序的方法来实现。
2.2步进电机的主要参数
2.2.1步进电机的静态指标术语
1.相数：
是指电机内部的线圈组数，常用m表示。
当前经常使用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
2.拍数：
步进电机绕组的每一次通断电称作一拍，经历一次完整的磁场周期性变化需要的脉冲数或者导电状态，常用n表示，也就是电机转过一个齿距角需要的脉冲数，以三相电机为例，有三相三拍运行方式即AB-BC-CA，三相六拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CA。
3.步距角：
输入一个脉冲信号，电机转子转过的相应角位移，常用θ表示。
θ=360度/（转子齿数J*运行拍数），用常用的二、四相，转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时的步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（也称整步），八拍运行时的步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（也称半步）。
4.定位转矩：
电机断电时，电机转子所固有的锁定力矩，一般是由磁场齿形的谐波和机械误差等原因造成的。
5.保持转矩：
在步进电机通电时，但转子没有转动的情况下，转子的力矩被定子锁定。
通常在低速时，步进电机的力矩接近保持转矩。
随着速度的增大，而步进电机的输出力矩不断衰减，输出功率也在相应的变化，所以保持转矩是衡量步进电机重要的参数。
比如，当我们谈到6N.m的步进电机,在没有具体特殊说明的情况，就是指保持转矩是6N.m的步进电机。
6.静转矩：
当电机处于额定静态电作用的状态下，电机不旋转时，电机转轴的锁定力矩。
是衡量电机体积（Volume）的标准，不受驱动电压及驱动电源的控制。
静转矩和电磁激磁安匝数成正比关系，受定齿转子间的气隙的影响，但提高静力矩不可以一味的采用减小气隙，增加激磁安匝的方法，这样会带来电机的发热及机械噪音的弊端。
2.2.2步进电机的动态指标术语
1.步距角精度
步进电机转过每个步距角的所需实际值和理论值的偏差。
用百分比表示：
偏差/步距角*100%。
与拍数有关，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
2.失步
电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。
称之为失步。
3.失调角
转子齿轴线与定子齿轴线的偏移角度，电机只要运转，就一定有失调角的存在，失调角产生的误差一般无法消除。
4.最大空载起动频率
在某种驱动形式下，在负载为零的情况下，电机能够直接起动的最大频率。
5.最大空载的运行频率
在某种驱动形下，在负载为零的情况下，电机的最高转速频率。
2.3步进电机的特点
步进电机通过脉冲信号控制转动，而脉冲也就是数字信号，这是计算机专攻的领域。
自上世纪80年代开始，研究开发出了专用的IC驱动电路，随着科学的发展，研究成果的成熟，在21世纪的今天，步进电机成为日常生活常见的OA装置中位置控制必不可少的组成部分，步进电机具有如下特性：
优点
1．不需要反馈，控制简单易行。
2．步进电机的精度为步进角的3%-5%，并且不会累积。
3．通过单片机进行速度控制（启动、停止和反转）和驱动电路的设计，操作简单方便。
4．在停止时也能够保持转距。
5．成本低廉，不需要昂贵的保养费用。
6．通过脉冲进行精确定位。
7．不同的脉冲周期就有不同的运转速度，速度的可任意调节。
缺点
8．不能高速度运转而且容易发生堵转的问题，这就是和电机本身特性有关，因为步进电机通性是最高转速为600-1200RPM并且速度越快力气越小，所以当负载较重、本身力矩又不大时电机就不能高速度运转，还有一种情况就是即使能转但经常堵转，因此选电机时应该选择比理论计算出的电机的力矩大1-2倍的电机
9.容易有失步的现象，它的主要原因是电机的力气太小，还有一种可能就是驱动器没有把信号完全发射给电机，一般情况是后者，都是驱动器的问题，这个通过给电机配驱动器时，恰当地选择一个质量好的驱动器就可以解决了。
10.电机产热太大，这是因为电流过大或者就是驱动给电机的电流不稳定等原因造成的，避免这个问题的方法是减小输出的电流但电流减小但电机的力气就会变小或更换驱动器。
11．能源利用率低。
2.4步进电机分类
通常情况下步进电机可分为：
反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）三种。
下面详细介绍各种步进电机的特点。
反应式步进电机的转子和定子是由高导磁材料制成的，在定子上分布着多相励磁绕组，通过磁导的变化产生转矩，能够产生大转矩的输出，其结构简单，生产成本低，步距角较小，一般为1.5度，但噪声和振动都很大，动态性能差。
永磁式步进电机的转矩和体积都较小，用多磁极的圆筒形永磁铁制成转子，齿状定子分布在其外侧。
转动的产生是通过转子和定子之间的相互吸引和排斥力，它的出力大，动态性能好；但步距角比较大，一般是7.5度。
混合式步进电机（永磁感应子式步进电动机）是永磁式和反应式的综合版和升级版。
集俩种步进电机的优点于一身，运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小，电机效率高，电流小，发热低，步距角小，出力大，动态性能好，是步进电机中的姣姣者，是计算机相关的设备常用的电机。
综上所述，本论文选用的是四相混合式（感应子式）步进电机。
2.5四相步进电机的工作原理
图2-1步进电机内部结构图：
它的定子是四个依次排列的电磁铁，转子是一个能够围绕轴心转动的永磁体（也可能是可以被磁铁吸引的其他磁性物体，例如铁块）。
它一共伸出5根线头，分别是A，B，C，D，Vcc
VCC和A，VCC和B，VCC和C以及VCC和D分别是一个电磁铁线圈的两个抽头。
如图2-2，开始时，开关SB接通电源，开关SA、SC、SD均处于断开状态，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，开关SB、SA、SD均处于断开状态时，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。
图2-2四相步进电机工作原理示意图
四相步进电机的工作方式按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种。
单四拍与双四拍相比，步距角相等，但单四拍的转动力矩小。
而八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，所以，八拍工作方式具有较高的转动力矩，较高的控制精度的优势。
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2-3a、b、c所示：
a.单四拍b.双四拍c八拍
图2-3步进电机工作时序波形图
对步进电机四个绕组依次进行如下方式的循环通电控制：
单四拍运行：
正转A-B-C-D； 反转D-C-B-A
双四拍运行：
正转AB-BC-CD-DA；反转DC-CB-BA-AD
八拍运行：
正转A-AB-B-BC-C-CD-D-DA
2.6步进电机的选型
步进电机的三大要素有步距角、静转矩、电流。
通过确定三大要素，便选择出适合的步进电机。
2.6.1步距角的选择
电机的步距角由负载精度的要求所决定，在加减速过程中，实现负载的最小分辨率，每个电机应转动的最大角度。
电机的步距角应不超过此角度。
在今市场上，不同相数的步进电机对应着不同的步距角。
2.6.2静力矩的选择
说到力矩，有动态力矩和静态力矩之分，步进电机的动态力矩没办法用科学研究的方法直接去确定，所以可以通过研究确定电机的静态力矩。
那么，静态力矩又和电机工作的负载直接相关，而负载又分为二种，惯性负载和摩擦负载。
惯性负载和摩擦负载不能单独存在。
当直接（低速）起动时，要考虑二种负载的相互作用结果，当加速起动时，主要考虑惯性负载的作用，当恒速运行事，仅考虑摩擦负载的作用。
通常情况下，静力矩的大小应为摩擦负载的2-3倍，选定了所需的静力矩，电机的机座及几何尺寸也就基本确定下来了。
2.6.3电流的选择
当静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，综上所述，选择恰当合适的电机一般情况下应遵循以下的步骤：
负载→步距角→净转矩→电流→电机型号。
考虑到实验室材料和驱动功率大小等实际条件，以及连线的方便与否。
最终选择型号为28YBJ-48的四相五线减速步进电机。
表2-1该步进电机的主要参数
序号
主要参数
1
额定电压：
5VDC
2
直流电阻：
60欧加减7%（25摄氏度）
3
减速比：
1/64
4
步距角：
5.625度/64
5
驱动方式：
四项八拍
6
牵入转矩：
大于350gf.cm（工作频率：
100PPS）
7
打滑扭力：
800-1300gf.cm
8
温升：
小于55K（5VDC工作频率：
100PPS）
9
噪音：
小于35DB（空载，100PPS,水平距马达10CM）
10
绝对耐压：
600VAC/1秒
11
引线拉力强度：
1Kgf/条
图2-428YBJ-48型步进电机
3步进电机的驱动技术分析及ULN2003a芯片说明
谈到步进电机的驱动，就必须借助专用的步进电机驱动器，而不是直接连接到直流电源或交流电源上，如图3-1所示，由脉冲发生控制单元、保护单元、功率驱动单元组成了步进电机驱动器。
运用单片机控制可以实现对图中点划线所包围的二个单元。
驱动单元与步进电机的直接耦合，即步进电机单片机控制的功率接口，介绍如下。
图3-1步进电机驱动控制器
3.1单电压功率驱动接口
单电压驱动是指唯一一个方向的电机绕组的电压供电，使其工作，这是最简单的电路。
步进电机的驱动指电机的驱动装置，在脉冲电源工作时，脉冲功率可以通过如下的电路图来提供，根据所述开关控制脉冲T的规律是“开”和“关”，从而使直流电源用脉冲的方法，为绕组L提供电压的这一运作过程。
电路如图3-2所示。
在串有电阻Rs的电机绕组回路中，随着减小电机回路的时间常数，当在高频时，电机将会产生较大的电磁转矩，同时可以减弱低频共振现象，但是会有不必要的损耗产生。
在通常情况下，简单的单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。
Rs对步进电动机单步响应的改善如图3-2（b）。
图3-2单电压功率驱动接口及单步响应曲线
3.2双电压功率驱动接口
图3-3双电压功率驱动接口
双电压驱动就是借助于增大电压的方法，从而使绕组中的电流也随着增大，波形变陡，它有两种工作方式：
双电压法和高低压法。
双电压驱动的功率接口如图3-3所示。
双电压驱动的原理是在低频段工作时，用较低的电压UL驱动，而在高频段工作时，用较高的电压UH驱动。
所以功率接口方式需要两个控制信号，Uh是高压的有效控制信号电源转换电路，U是脉冲调宽驱动的控制信号。
图中，电源转换电路由二极管DL和功率管TH构成的。
当Uh为高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。
反之Uh为低电平，TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。
这种驱动方式的优点是电机在低频段仍然可以通过单电压驱动，在高频段时具有很好的高频特性，但是在静止锁定时，电机功耗减小。
仍然没有从根本上解决单电压驱动的弱点，由于限流电阻R的存在，还是会有不必要损耗和发热的产生。
3.3高低压功率驱动接口
图3-4高低压功率驱动接口
高低压功率驱动接口如图3-4所示。
高低压驱动的原理是，不考虑电机工作频率的因素，持续运用高电压UH供电，达到增大至导通相绕组的电流前沿之后，再使用低电压UL来维持该绕组的电流。
通过这样的做法，在一定程度上改善了驱动器的高频特性，不再串联电阻Rs，达到消除不必要的损耗的目的。
在高低压驱动功率接口中。
有两个保持同步输入的控制信号Uh和Ul，并且在前沿的同一时刻跳变，如图3-4所示。
图中，在设定高压管VTH的导通时间tl时，既不能太大也不能太小，一定要恰当，当导通时间设定的太大时，电机的电流过载；当导通时间设定的太小时，动态性能没有达到明显的改善。
一般可取1~3ms。
（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。
因此高低压驱动法是当前常用的一种驱动方法，但在使用时还应当要注意低频共振现象存在，也就是由于这种驱动在低频时，电流会有太大的跳变，电机在低频时的噪声太大。
3.4斩波恒流功率驱动接口
恒流驱动的设计思路是，电机在低频、高频、锁定各个工作状态时，通过控制导通相绕组的电流保持恒定不变。
从而达到使电机具有恒转矩的输出特性。
该驱动是在当前比较常用、效果很好的一种功率接口。
图3-5是斩波恒流功率接口原理图。
图中R做电流采样用的小阻值电阻，即称为采样电阻。
当在电流较小时，VT1和VT2同时受控于走步脉冲，当电流大于电路恒流给定的数值，VT2被封锁，电源U被去除。
由于电机绕组具有的电感很大，在此时由二极管VD持续提供电流，绕组的电流得以维持，在电感中的磁场作用下，电机产生出力。
在这时电流就将会按照指数曲线负增长，而且电流采样值也会随着变小。
当电流小于恒流给定的数值时，VT
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