基于单片机的步进电机调速系统毕业设计说明.docx
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基于单片机的步进电机调速系统毕业设计说明
PINGDINGSHANUNIVERSITY
毕业设计
基于单片机的
题目:
步进电机调速系统设计
院（系）:
电气信息工程学院
专业年级:
电气工程与其自动化11级
姓名:
董煜明
学号:
111220102
指导教师:
南亚明助教
2015年4月28日
原创性声明
本人重声明：
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除文中已经注明引用的容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。
对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
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论文作者签名：
日期：
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论文作者签名：
日期：
指导老师签名：
日期：
基于单片机的步进电机调速系统设计
摘要
步进电机是一种数字控制电机，本设计是使用单片机对步进电机调速设计，采用了AT89C51型单片机，并设计了相应的时钟电路，驱动电路等。
实现了步进电机的速度调整以与正转反转的设计目标。
利用单片机对步进电机进行调速设计，具有成本低，性价比高，系统相对简单等优点。
关键词：
步进电机，单片机，调速系统
Steppermotor speedcontrolsystemdesign basedon MCU step
ABSTRACT
Steppingmotorisakindofdigitalcontrolofthemotor,theelectricpulsesignalintoangulardisplacementorlineardisplacement,comparedwithothertypesofmotors,steppermotorwithoutaccumulatederrorandeasytoopenloopcontrol.Thesteppermotorspeedcontrolusingsinglechipcomputer,whichhastheadvantagesoflowcost,highperformancepriceratio,hastheadvantagesofrelativelysimplesystemetc..ThisdesignusestheAT89C51microcontrollertocontrolthesteppermotor,canadjustthespeedofthesteppermotorandthedesigngoalistoreverse.
Keywords:
steppermotor,microcontrollers,speedcontrolsystem
1绪论
1.1学术背景与研究意义
1.1.1步进电机的基本类型
步进电机在励磁方式上进行分类的话，大致可以分为三类，分别是定子上有绕组、的反应式步进电机，转子用永磁材料制成的永磁式步进电机，以与综合了反应式、永磁式优点的混合式步进电机。
在这三者当中，反应式的步进电机是最简单的，成本低廉是它突出的优势。
但是缺点也很明显，性能一般，可靠性较差。
永磁式步进电机的动态性能好，这是它最主要的优点。
但缺点是精度较差。
混合式步进电机由于综合了反应式和永磁式的优点，所以不但动态性能好而且运行起来也十分稳定，但由于电机结构相对复杂，所以混合式电机的成本较高，造价不菲。
以定子绕组分类，步进电机则能够分为：
二相，三相，四相和五相步进电机。
1.1.2步进电机现有控制办法
现在步进电机有多种控制方法，最为常用的大致有基于单片机控制步进电机、利用plc控制步进电机，以与利用VC++控制步进电机。
其中，利用单片机对步进电机进行调速，具有相对简单，操作方便，性能可靠并且成本低廉的优点，相比于传统的步进电机控制器具有更好的性能。
通过对基于单片机步进电机调速系统的研究，有助于把单片机技术、步进电机技术有机的结合在一起，对于学习实践有着重大的帮助。
1.1.3当前步进电机控制系统的缺点与未来发展趋势
步进电机已经有了近70年的发展，与之前对比，在技术已经获得飞跃式的前进，但依然存在很多不足之处，例如：
步进电机如果使用开环应用系统，会存在一定的失步、震荡、难以满载运行等问题。
而闭环控制方法则难以阻止电机实际运行中的非线性问题，难以实现精确控制。
目前来看，混合式步进电机是发展潜力最好的步进电机，混合式步进电机的发展方向大致有以下几点：
1、向小型化发展2、变圆形电机为方形电机3、综合设计步进电机使之成为一个整体4、向三相、五相电动机发展。
1.1.4国外研究概况
步进电机的历史可以追溯到1920年的英国，近年来，随着科学技术的不断进步，发达国家普遍采用了性能较好的混合式步进电机。
目前来讲，世界上最大的步进电机生产国当属日本。
我国与发达国家相比，在这方面还存在一定的差距。
我国的步进电机研究始于1958年，最开始只有少数高校对此进行研究，后来，随着技术的发展，以与数字控制机床技术的需要，对于步进电机的研究才逐渐为人们所重视。
目前，由于步进电机的理论已经趋于完善，因此其发展已经较为缓和。
1.1.4研究意义与研究目的
步进电机的应用广泛，尤其在数字控制中地位尤为重要。
用步进电机组成的开环系统相对简单，组装价格也颇为廉价，因此性价比高，随着科学技术的发展，对步进电机的需求必将与日俱增，因此研究基于单片机的步进电机调速设计具有很重大的现实意义。
同时进行本项毕业设计，也有助于把大学中学习过的《电机学》、《单片机原理与应用》中的相关知识有机的结合在一起，通过实践加深对知识的理解，熟悉单片机的原理，了解步进电机的相关结构，
1.1.5研究容
本设计主要研究基于单片机的步进电机调速设计，设计采用了AT89C51型单片机，并以此为基础，研究相应的驱动电路，时钟电路，最终实现控制步进电机自由的加速减速，以与正转反转。
1.2论文容安排
本论文具体安排如下：
第一章为绪论，初步交代本论文的学术背景与研究意义研究目的。
以与目前国外的研究概况，未来研究的发展方向。
第二章为步进电机概述，对步进电机进行简要的分析，介绍步进电机的特点与工作原理工作方式，并对步进电机的基本参数进行说明。
第三章为硬件部分设计，其次对主要元器件进行了选择和介绍,并对时钟电路、显示屏、驱动电路进行了研究。
第四章为软件部分设计，介绍了主程序、显示程序、键盘程序等部分。
并对仿真验证的结果进行测试。
第五章为结束语，对本设计进行了最后的总结，
2步进电机概述
2.1步进电机的特点
步进电机是一种直流电动机，步进电机相对普通电机来说，步进电机是可以实现开环控制的，而且不需要反馈信号。
步进电机的缺点是不适合使用在长时间同方向运转的情况，容易烧坏产品，通常使用时都是短距离频繁动作较佳。
步进电机具有以下这些特点：
（1）使用数字信号进行开环控制，系统简单而又价格低廉
（2）性价比高，可靠性好；
（3）响应性优良，对于正转反转减速的反应都很好：
（4）停止时，可有自锁功能：
（5）不能使用普通交流电源直接驱动
2.2步进电机的工作原理
步进电机能将电脉冲信号转换成相位移或角位移，当步进电机接收到一个电脉冲信号的时候，它就会转动一个固定的角度（称之为“步距角”）步进电机的转动的特点之一就是按照固定角度一步步运行的，因此可以通过控制电脉冲的信号量，来使步进电机转过固定的角度。
而控制脉冲的频率，则能够使步进电机加速或减速，从而对步进电机进行调速。
2.3步进电机的工作方式
（1）单三拍的通电顺序为ABC
（2）双三拍的通电顺序为ABBCCA
（3）六拍的通电顺序为AABBBCCCA
这三种方式存在一定的差别，具体如下表所示：
表2-1步进电机工作方式的比较
工作方式
单三拍
双三拍
六拍
步进周期
T
T
T
每相通电时间
T
2T
3T
走齿周期
3T
3T
6T
相电流
小
较大
最大
高频性能
差
较好
较好
转矩
小
中
大
电磁阻尼
小
较大
较大
振荡
容易
较容易
不容易
功耗
小
大
中
由上表可以得出结论，六拍的工作方式最好，双三拍的较为一般，单三拍的最差。
2.4三相步进电机
本设计中，采用了三相步进电机进行研究，其结构图如下所示：
A相通电B相通电C相通电
图2-2三相式步进电机
三相式步进电机的定子绕组被分为三相，如果以ABC的方式通电，步进电机就会进行正转，如果以CBA的方式通电，则会进行反转。
2.5步进电机技术参数
步进电机的基本参数可以分为以下几项：
（1）步距角：
指控制系统发出一个脉冲信号后，步进电机转动的角度，
（2）步距角精度：
指步进电机实际运行时的步距角与理论值的误差，可以表示为误差/步距角*100%。
（3）失步：
电机实际运转时的步数，与理论值不同，称之为失步。
（4）最大空载起动频率：
指步进电机在不加负载的情况下，就能直接启动的最大的频率。
（5）最大空载的运行频率：
指电机不带负载的情况下，最高的转速频率。
3硬件电路设计
3.1系统结构图
控制系统的硬件电路主要由AT89C51单片机，按键控制电路，显示屏，时钟电路，步进电机驱动电路，步进电机，这几部分组成。
具体结构如图3-1所示。
图3-1系统结构图
3.2电路原理图
根据系统结构图，本人设计了基于单片机控制步进电机的电路原理图，用以控制步进电机的正转反转和加速减速四种调速方案。
具体原理如图3-2所示。
图3-2系统电路原理图
3.3AT89C51型单片机
本次设计选用的是89C51作为步进电机的控制芯片．AT89C51是一种低功耗，高性能，适用于实时处理，实时控制的单片机。
其主要特点有：
（2）能与MCS-51兼容，且具有MCS-51型单片机的功能
（3）集成了4KB的FLASHROM，可满足大部分系统的要求
（4）具有256个字节的RAM和3个16位定时器，能够满足设计中时钟电路的需要
（5）正常工作围为0～24MHz
综合以上优点，本设计选取了AT89C51型单片机。
单片机的引脚功能设置如下：
1.VCC（40）：
电源+5V。
2.VSS（20）：
接地，也就是GND。
3.XTAL1（19）和XTAL2（18）：
振荡电路。
4.PSEN（29）：
片外ROM选通信号。
5.PROG/ALE（30）：
EPROM编程脉冲输入端/地址锁存信号输出端。
6.RST（9）：
复位信号输入端。
7.EA/VPP（31）：
/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.
引脚图如下图所示：
图3-3AT
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