基于单片机的步进电机控制.docx

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基于单片机的步进电机控制

河北联合大学轻工学院

QINGGONGCOLLEGE，HEBEIUNITEDUNIVERSITY

毕业设计说明书

设计题目：

基于单片机的步进电机控制

学生姓名：

***

学号：

*****

专业班级：

**

学部：

信息科学与技术部

指导教师：

***副教授

2013年6月3日

摘要

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

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频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就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。

步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。

步进电动机由于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。

本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用汇编语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2004以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来。

同时，本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试。

该设计单片机控制步进电机具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。

关键词：

步进电机；脉宽调制；单片机

Abstract

Steppermotoristheelectricalpulsesignalintoanopen-loopcontrolcomponentsofangulardisplacementorlinedisplacement.Inthenon-overloadcase,themotorspeed,stoplocationonlydependsonthepulsesignalfrequencyandpulsenumber,regardlessofloadchanges,namelytoaddanelectricalpulsesignal,themotorturnsastepangle.Theexistenceofthislinearrelationship,speedcontrolandsteppermotoronlyperiodicfrequencytoachievethesteppermotor,becausethecharacteristicsofsteppermotortoapulseoneacherrorandnoaccumulatederror.Thevelocity,positioninthecontrolfieldwithsteppermotortocontrolbecomesverysimple.Steppermotorspeedcontrolingeneralistochangetheinputpulseofsteppingmotorrotationwithafixedangle,sothatyoucanbycontrollingthesteppermotorisapulsetothenextapulsetimeintervaltochangethepulsefrequency,thelengthofdelaytocontrolspecificstepangletochangethemotorspeed,inordertoachievespeedcontrolsteppermotor.Steppermotorduetotheuseofthecompositionoftheopen-loopsystemissimple,cheap,andverypractical,soitisusedwidelyinmanyfieldsofprinterandotherofficeautomationequipmentandvariouscontroldevice.

ThispaperintroducesasystemdesignofsteppingmotorbasedonSCM,usingassemblylanguagetowritethemotorforward,reverse,acceleration,deceleration,stopprogram,throughthemicrocontroller,motordrivechipULN2004andcorrespondingkeysofachievingtheabovefunctions,andtheworkstateofsteppermotorwiththecorrespondingLEDdisplay.Atthesametime,thispaperintroducesthecontentsofsteppingmotorandsingle-chipmicrocomputerprinciple,thehardwarecircuitofthesystem,programcomposition,whilethesoft,hardwaredebugging.ThedesignofMCUcontrolsteppermotorhastheadvantagesofclear,highreliability,strongstability,thefunctionsareachievedthroughdebugging.

Keywordssteppermotor；PWM；MCU

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1课题研究的目的和意义1

1.2国内外研究概况1

1.2.1国内外控制方案2

1.2.2步进电机驱动技术基本类型3

1.3论文的主要研究内容4

第2章步进电机与单片机简介5

2.1步进电机介绍5

2.1.1步进电机概述5

2.2步进电机驱动介绍10

2.2.1步进电机驱动简介10

2.3单片机原理12

第3章系统整体硬件结构18

3.1系统整图18

3.2电源部分19

3.3单片机的时钟电路19

3.4单片机的复位电路20

3.5外部中断保护电路21

3.6按键部分21

3.7驱动部分22

3.8状态指示部分22

第4章系统软件设计24

4.1系统开发软硬件环境24

4.2系统主程序24

4.3查键部分24

4.4前进部分25

4.5后退部分26

4.6加速部分26

4.7减速部分27

结论28

参考文献29

谢辞30

附录31

源程序清单31

第1章绪论

1.1课题研究的目的和意义

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，研制步进电机的控制具有十分重要的意义。

1.2国内外研究概况

步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。

1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。

往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。

在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

随着现代科技的高速发展，步进电机在人们生产和生活中发挥越来越打的作用。

我国数控系统在初期就是以单板机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，只需一万元左右就可以装备一台经济型数控机床，很适合我国中小型企业使用。

采用步进电机作为伺服执行元件，不仅可以应用于经济型数控伺服系统，而且也可以辅以先进的检测和反馈元件，组成高精度全闭环数控系列，从而达到很高的加工精度。

比如在数控系统中就得到广泛的应用。

目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。

除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。

优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，

数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。

因而，对于步进电机控制的研究也就显得重要了。

为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。

原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。

基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。

因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。

1.2.1国内外控制方案

在步进电机的发展过程中，出现了多种控制方案，例如：

1．基于电子电路控制

步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。

由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。

步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。

此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。

这个系统由三部分组成：

脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。

该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案,必须需重新设计,因此灵活性不高。

2．基于单片机控制

采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。

用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。

系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。

由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。

环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。

3．基于PLC的控制

PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。

PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。

步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。

控制系统采用PLC来产生控制脉冲。

通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。

方案选择：

一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。

而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，加上驱动芯片可以实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，节约了单片机的端口，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，本论文就是采用这个思路进行设计。

1.2.2步进电机驱动技术基本类型

步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。

到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。

步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。

1.单电压串电阻驱动——该电路是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。

它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，该驱动方式结构简单、成本低。

缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗,尤其是在高频工作时更加严重,因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。

2.高低压驱动——该电路是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。

但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。

3.斩波电路——高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率,而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流,即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频特性得以提高。

但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。

4.细分驱动——也是我们重点要介绍的驱动方法。

为了改善恒流驱动方式的低频特性，使其成为一个有脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。

调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。

细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除,而是只改变相应绕组中电流的一部分,电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。

细分驱动时,绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。

比如电流分成个台阶，转子则需要次才转过一个步距角,即细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩其次，减弱或消除了步进电机的低频振动,降低了步进电机在共振区工作的几率。

可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。

5.恒流斩波驱动——该电路是为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术,使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加,故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻,整个系统的功耗下降，效率较高。

因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。

1.3论文的主要研究内容

本论文所选的步进电机是四相步进电机，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。

本次毕业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的特点，广泛应用于各种开环控制。

第2章步进电机与单片机简介

2.1步进电机介绍

2.1.1步进电机概述

图2.1步进电动机内部结构

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

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。

正常情况下，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。

本次毕业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。

步进电机的基本参数：

1步进电机的静态指标术语

（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AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-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*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）。

（4）定位转矩：

电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）

（5）静转矩：

电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

2步进电机动态指标及术语：

（1）步距角精度：

步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。

用百分比表示：

误差/步距角*100%。

不同运行拍数其值不同，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：

转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

（4）最大空载起动频率：

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。

（5）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，电机不带负载的最高转速频率。

（6）运行矩频特性：

电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。

 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。

（7）电机的共振点：

步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

（8）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步进电机的特征如下：

（1）一般步进电机的精度为步进角的3%-5%，且不积累。

（2）步进电机外表允许的最高温度。

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，因此电机外表允许的最高温度应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）的增大而相电流减少，从而导致力矩下降。

（4）步进电机低速时可以正常转动，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）。

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。

伴随着不同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。

2.1.2步进电机的工作原理

步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。

步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率（f）成正比，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。

如下所示的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2-2是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

图2-2 四相步进电机步进示意图

开始时，开关SB接通电源，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。

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2-3所示：

图2-3步进电机工作时序波形图

2.1.3步进电机的分类与选择

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