精品基于C51单片机的步进电机控制系统设计毕业论文设计.docx

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精品基于C51单片机的步进电机控制系统设计毕业论文设计

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摘要

本设计中首先介绍了步进电机的工作原理、控制特点和运行状态，然后给出了步进电机的单片机控制系统的总体设计方案。

在这个控制系统中，单片机选用AT89C51，其作为控制核心，担负着产生脉冲，发送、接受控制命令等任务；脉冲分配采用硬件方法，由8713接收到单片机的控制信号后产生相应的控制脉冲，避免了软件法在不停地产生脉冲时占用的时间；采用单电压驱动的方法驱动电机带动负载运行；利用键盘、显示专用芯片8279能够以较简单的硬件电路和较少的软件开销实现微型机与键盘和LED显示器接口。

本设计最后详细介绍了硬件部分和软件部分的实现方法。

关键词：

单片机；步进电机；速度控制;ZLG7290;显示器

Abstract

Thedesignintroducestheworkingprincipleofsteppermotor,controlfeaturesandoperations,andthengivesthesteppermotormicrocontrollercontrolsystemdesignprograms.Inthiscontrolsystem,theSCMselectingAT89C51,thecontrolcenteroftheshoulderproducespulses,sending,receivingcontrolcommandsandothertasks;pulsedistributionmethodusingconstanttimeoccupied;adoptasinglevoltage-drivenapproachdrivemotortodrivetheloadoperation;useofkeyboard,display8279canbededicatedtosimplemethodsindetail.

Keywords:

SCM;steppermotor;speedcontrol；ZLG7290;display；

第一章绪论

本章将简要介绍步进电机的发展过程、步进电机在日常生活中的广泛应用、步进电机作为数字控制电动机的主要特点以及本次研究的主要内容和论文安排。

1.1步进电机概述

步进电机最早是在1920年由英国人所开发。

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

以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、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。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。

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，在各个国民经济领域都有应用。

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。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有累积误差的特点，广泛应用于各种开环控制。

　　步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。

步进电机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面比传统的闭环控制直流伺服电动机有较好的性能。

1.2课题研究的主要内容

1.2.1研究内容

本设计以实现基于单片机的步进电机控制为主要目标，主要内容有：

1.了解步进电机的结构及工作原理；

2.了解步进电机的控制方法；

3．选择、设计控制系统所需的控制电路，设计控制系统；控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、ZLG7290芯片等组成，ZLG7290芯片能自动完成对显示的刷新，同时还可以对键盘自动扫描，识别闭合键的键号，使用非常方便。

4．绘制系统原理图、方框图和线路图等。

1.2.2论文安排

1.原理部分：

第一章和第二章主要介绍了步进电机的特点，结构和工作原理以及步进电机的控制特点和运行状态。

2.硬件电路部分：

第三章详细介绍了系统的控制核心AT89C51单片机，驱动电路，显示电路和ZLG7290芯片。

第二章步进电机控制系统设计方案

2.1步进电机的系统

2.1,1步进电动机的定义

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。

2.1,2步进电动机的结构分类

一般说来步进电动机可分为三大类：

反应式步进电动机、永磁式步进电动机和混合式步进电动机。

反应式步进电动机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。

它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。

永磁式步进电动机的转子使用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。

它的输出转矩大，动态性能好。

转子的极数和定子的极数相同，所以步距角一般很大。

需要供给正负脉冲信号。

反应式步进电动机的性价比比较高，应用得非常广泛，下面就以反应式步进电动机为例来说明步进电动机的结构和工作原理。

图2-1三相反应式步进电动机结构图

如图2-1是一个三相反应式步进电动机结构图。

从图中可以看出，它分成转子和定子两部分。

定子上有六个磁极（大极），每两个相对的磁极（N、S极）组成一对，共有三对

2,1.3步进电动机的工作方式

对于三相步进电动机，其工作方式如下：

1、单三拍工作方式

正转：

ABCA

反转：

ACBA

其中“单”指的是每次对一相通电；“三拍”指的是磁场旋转一周需要换相3次，这时转子转动一个齿距角。

如果对多相步进电动机来说，每次只对一相通电，要使磁场旋转一周就需要多拍。

2、双三拍工作方式

正转：

ABBCCAAB

反转：

BAACCBBA

双三拍工作方式是：

每次对两相通电，即所谓“双”；磁场旋转一周需要换相3次，即所谓“三拍”，转子转动一个齿距角。

3、三相六拍工作方式

正转：

AABBBCCCA

反转：

AACCCBBBA

六拍工作方式是单三拍与双三拍交替使用的一种方法，磁场旋转一周，通电需要换相6次，即所谓“六拍”，转子才转动一个齿距角。

这是与单三拍和双三拍最大的区别。

同样，对于四相电动机其工作方式有单四拍、双四拍和八拍。

其通

电时序和波形如图2-2（a）、（b）、（c）所示。

图2-2（a）单四拍（b）双四拍（c）八拍

2.2步进电机的失步现象

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）。

2.2.1步进电动机的振荡、失步及解决方法

步进电动机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运行，因此要尽力去避免。

下面对振荡和失步的原因进行分析，并给出解决方法。

1、振荡

步进电动机的振荡现象主要发生于：

步进电动机工作在低频区，步进电动机工作在共振区，步进电动机突然停车时。

当步进电动机工作在共振区时，步进电动机的脉冲频率接近步进电动机的振荡频率或振荡频率的分频或倍频，这会使振荡加剧，严重时造成失步。

步进电动机的振荡频率可由下式求出：

式中：

J—转动惯量；

Z—转子齿数；

—最大转矩。

振荡失步的过程如下：

在第1个脉冲到来后，转子经历了一次振荡。

当转子回摆到最大振幅时，恰好第2个脉冲到来，转子受到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆。

接着第3个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点。

这样，转子经过3个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了3步。

2、失步

步进电动机失步的原因有2种：

①转子的转速慢于旋转磁场的速度，或者说慢于换相速度。

例如，步进电动机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。

因此，步进电动机有一个启动频率，超过启动频率启动时，肯定会产生失步。

注意，启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、减小负载转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率。

②转子的平均速冻大于旋转磁场的速度。

这主要发生在制动和突然换向时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。

3、怎样解决失步

使步进电机本身产生的电磁转矩增大。

使步进电机克服转矩减小或者更换大一点的电机。

4、阻尼方法

消除振荡市通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼和电子阻尼两大类。

其中机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器。

2.3步进电机控制系统的组成

基于单片机实现步进电动机的正反转、启动、停止和加减速。

单片机是本次设计的控制核心，本次设计选用AT89C51。

单片机通过脉冲分配和驱动电路带动步进电动机运转。

系统原理框图如2-3所示。

图2-3系统原理框图

AT89C51不仅功能强大，而且性能十分灵活性高。

价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域，因此本系统中采用AT89C51单片机作为控制核心。

单片机的控制信号作用于脉冲分配器，本设计中采用8713脉冲分配器可以很好的减轻单片机的工作量。

驱动电路得到脉冲信号就可以按照控制要求带动步进电机工作。

采用LED数码管进行显示是由于其具有结构简单、体积小、功耗低、配置灵活、显示清晰、可靠性高的优点。

2.4系统的控制过程

步进电动机的驱动电路根据控制信号工作。

在步进电动机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。

其基本控制作用如下：

1、控制换相顺序。

步进电动机的通电换相顺序严格按照步进电动机的工作方式进行。

通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。

例如，三相步进电动机的单三拍工作方式，其各相通电的顺序为ABC，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通电和断电。

2、控制步进电动机的转向。

如果按给定的工作方式正序通电换相，步进电动机就正转；如果按反序通电换相，则电动机就反转。

例如，四相步进电动机工作在单四拍方式，通电换相的正序是ABCD，电动机就正转；如果按反序ADCB，电动机就反转。

对于步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过单片机直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为单片机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；别一种是通过单片机来间接驱动，就是把从单片机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。

固本次设计应采用单片机间接驱动步进电机。

如图2-4所示。

图2-4步进电机驱动电路

第三章步进电机控制系统硬件部分

3.1硬件电路图

本设计中AT89C51是控制核心，利用键盘、显示专用芯片zl