基于单片机的步进电机驱动控制系统设计.docx

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基于单片机的步进电机驱动控制系统设计

本科毕业设计论文

题目基于单片机的步进电机驱动控制系统设计

专业名称

学生姓名

指导教师

毕业时间

毕业任务书

设计

论文

一、题目

基于单片机的步进电机驱动控制系统设计

二、指导思想和目的要求

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件。

每出现一个脉冲，它就相应的运行一步。

步进电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，在数控机床、绘图仪、打印机及机器人领域得到广泛应用。

为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用，使用这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好。

本课题通过研究步进电机和单片机的原理，实现以单片机为核心的步进电机控制系统设计，达到对步进电机的转速和转角的控制。

三、主要技术指标

1.研究步进电机和单片机的原理，并基于单片机实现步进电机驱动控制系统的设计；

2.利用Proteus仿真平台仿真实现以单片机作为控制核心对步进电机进行驱动控制的电路设计和软件设计及仿真。

四、进度和要求

第01周----第02周：

查找相关资料，对英文资料进行翻译；

第03周----第04周：

熟悉步进电机、单片机及如何使用单片机对步进电机进行驱动控制的相关原理；

第05周----第06周：

熟悉Proteus8.0的应用；

第07周----第13周：

设计电路图并利用Proteus8.0进行仿真实现；

第14周----第16周：

撰写毕业设计论文，论文答辩。

五、主要参考书及参考资料

[1]蔡美琴.MCS—51系列单片机系统及其应用（第二版）.高等教育出版社，2004-6-1.

[2]张毅刚，基于Proteus的单片机课程的基础实验与课程的基础实验与课程设计，人民邮电出版社.2012-4-1

[3]张明林，C语言程序设计，西北工业大学出版社，2005.

[4]谭浩强，C++面向对象程序设计.清华大学出版社，2006

[5]雷凯，步进电机细分驱动技术的研究[D].苏州大学硕士论文.2003.

[6]黄勇.廖宇.高林，基于单片机的步进电机运动控制系统设计.湖北名族学院论文.2008.

[7]房玉民，杭柏林.基于单片机的步进电机开环控制系统[J].电机与控制应用.2006.

[8]张巍.浅谈单片机控制步进电机[J].安防科技.2006.

[9]刘宝延，程树康，步进电机及其驱动控制系统[M],1997.11.

[10]StePPingmotorhandbook6[M]

[11]DevelopmentofaNovelDriveTopologyforaFivePhaseStepperMotor,T.S.WeerakoonandL.Samaranayake,Dept.ofElectricalandElectronicEngineering,FacultyofEngineering,UniversityofPeradeniya,SriLanka.

[12]《StepperMotorSystemBasics》[M]AMSadvancedmicrosystemsinc.2000

[13]AlbertC.Leenhout.SmoothStepMotorMotionWithHaltDriver.AnnaulSymposiumonIMCSD.199524

（2）.

学生___________指导教师___________系主任___________

摘要

步进电机广泛应用于工业，军事和医疗自动化领域，如数控装置，牵伸机，机械手，印刷及包装设备。

采用单片机控制步进电机，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理想控制。

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实现步进电机转向及转速的控制。

采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，采用软件编程的办法实现脉冲的分配，完成对步进电机的控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。

本方案主要通过三大块来设计，包括驱动电路设计、状态显示部分设计和按钮部分设计。

并通过控制脉冲频率来控制电机转动的角度和速度，实现对步进电机的有效控制。

本课题采用单片机作为控制核心，实现对步进电机起停、正转、反转、加速、减速的功能，并在LED上显示。

本设计有以下优点：

单片机软件编程可以实现自动化和精确化控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，提高了接口电路的灵活性和通用性；单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，提高系统的交互性。

关键词：

步进电机，单片机，转动，驱动

ABSTRACT

Steppermotorsarewidelyappliedinindustries,themilitaryandinthemedicalautomationdomain,suchasnumericalcontrolinstallment,draftingmachine,manipulator,printingandpackingequipment.ThesteppermotorwithusingtheSingle-chipprocessortorealizethecombinationofsoftwareandhardware.UsingSoftwareinsteadofcirculardistributortoachievetheidealcontrolofthesteppermotor.Inordertocontrolthedrivelineofthesteppermotordirectlybyusingsinglechipmicrocomputerinterfacelineinsystem.Andusingthemethodofthecombinationofinterruptandinquiretocalltheinterruptserviceroutineandthesoftwareprogramtoachievedistributionofthepulsesthensucceedinthecontrolofthesteppermotorwhichincludingthemotorcoulddisplaythespeedofforwardandreverseandotherstatesintime.Theprogramthatthefollowingadvantagesfirstly,single-chipmicrocontrollersoftwareprogrammingthatrealizestheautomatedandprecisecontrolandavoidtheimpactofcontrolprecisianbecauseofoutofstepandoscillationsecondlyusingsoftwareinsteadofcirculardistributorwhichsetbythemicrocontrollerwiththesamekindofcircuittoachieveamultiphasesteppermotor’scontrolanddriveandevenmore;improvetheflexibilityandversatilityoftheinterfacecircuit;Thirdly,ThepowerfulfoundationofSCMhelpthecombinationofthedisplaycircuit,keyboardcircuit,resetcircuitandotherperipheralcircuitstoimprovetheinteractionofthesystem.Thistopicrealizesfoundationsincludingthesteppermotorstartandstop,forward,reverse,acceleration,neverdecelerateallthesecoulddisplayonLEDandthesemainlythroughthreeblockstodesign,statusdisplaypartdesignandbuttonspartdesign.Andtoachieveeffectivecontrolofthesteppermotorthatcontrolsthepulsefrequencytocontroltheangleandrotationspeedofthemotor.

KEYWORDS：

steppermotor,SCM,turning,Drive

第一章绪论

1.1前言

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件。

每出现一个脉冲，它就相应的运行一步。

步进电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点。

步进电机是工业过程控制与仪表中常用的控制元件，在数控机床、绘图仪、打印机及机器人领域得到广泛应用。

为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制手段，其中包括：

（1）、传统控制手段

传统控制手段即基于电子电路控制，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。

此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。

开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。

采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。

闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。

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，必须重新设计，因此灵活性不高。

（2）、PLC控制手段

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。

环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。

PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。

采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。

采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。

步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。

采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。

但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。

并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。

（3）、单片机控制手段

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。

本方案有以下优点：

a.单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；b.用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，提高了接口电路的灵活性和通用性；c.单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，提高系统的交互性。

其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用，使用这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好。

本课题就是采用单片机作为控制核心，实现对步进电机起停、正转、反转、加速、减速的功能，并在LED（lightemittingdiode）屏幕显示。

主要通过三大块来设计，包括驱动电路设计、状态显示部分设计和按钮部分设计。

并通过控制脉冲频率来控制电机转到的角度和速度，从而达到调速的目的。

1.2研究背景

一直以来，国内外对步进电机的研究一直很活跃。

这是因为步进电机的控制应用已经深深渗透到国民生活、生产的各个领域。

步进电机是一种常用的机电元件，它的定角转动控制主要是通过电脉冲信号来对相绕组电流进行控制才得以实现的，与其他类型的电机进行相比，步进电机具有许多优点，比如较易于实现开环精确控制，并且无积累误差等是它最具竞争力的，因此在各种各样的领域中都有步进电机广泛的应用。

如指针式电子钟表、工业机械手、电动窗帘、包装机械中的计量系统、光盘选取机、印刷机、数控切割机、喷泉喷头角度控制系统等。

为了达到现在人们对智能化和网络化的需求，步进电机的控制技术也在不断更新发展，功能强大的单片机也越来越多地应用到步进电机控制系统，实现了强强联合，势不可挡!

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件。

每出现一个脉冲，它就相应的运行一步。

步进电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点。

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。

为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，以前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。

伴随着单片机技术的不断更新发展，慢慢渗透到各种控制系统领域，可以非常肯定的是，基于单片机的步进电机控制系统发展前景将会一片光明，实现智能化是今后控制系统发展的必然趋势。

所以，当下对基于单片机的步进电机控制系统进行研究具有非常重要的意义。

本课题研究步进电机和单片机的原理，并设计实现利用单片机对步进电机进行驱动控制。

并利用Proteus仿真平台仿真实现以单片机作为控制核心对步进电机进行驱动控制使其实现“正转”、“反转”、“加速”、“减速”以及“停止”运动的电路设计和软件设计及仿真。

1.3国内外研究现状

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Stepping motor，Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有80年的历史。

正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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。

比如在数控系统中就得到了广泛应用。

目前世界各国都在大力发展数控技术，国外对步进电机的研究一直很活跃。

目前，国外对步进电机的控制和驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小驱动器的体积，明显提高了整机的性能。

比较典型的芯片有两类：

一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减速过程，同时完成计长走步、正反转等。

对于开环使用的步进电机，实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率而不失步或过冲。

例如日本的ppmcl0lb便是这种芯片。

采用这类专用集成电路可驱动3~5相电路，可选择励磁方式，转速精确，设定的转速范围宽，加减速的过渡时间及上升陡度可根据负载选定，此外还有单步运转和不同的停止方式。

我国数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电机控制系统，为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，我国改革开放初期研究步进电机细分驱动技术，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。

细分包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动。

另外还有基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前采用的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现pc机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法。

经过数年来的努力，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。

其中华中数控系统解决了“五轴联动”，为“神州”系列飞船顺利升空立下了汗马功劳。

虽然与发达国家相比，我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。

1.4主要研究内容

本文所选的步进电机是四相八拍步进电机，电压为DC5V~DC12V。

采用的方法是利用单片机来控制步进电机的驱动。

当对步进电机按一定顺序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。

每一个脉冲信号使得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。

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，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A……），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB……），四相八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A……）。

本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节电机速度的，并且通过共阴数码管显示其转速的级别，并且通过单片机实现它的正反转以及加减速的控制。

1.5本章小结

本章主要介绍了本设计的目的、意义、研究背景、国内外发展现状及主要内容。

通过以上，了解了将步进电机与单片机结合起来的优势，明确了本设计的研究方向。

第二章步进电机与单片机简介

2.1步进电机概述

2.1.1步进电机定义

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，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。

2.1.2步进电机工作原理

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的多相时序控制器。

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。

该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。

当定子的矢量磁场旋转一个角度。

转子也随着该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

改变绕组通电的顺序，电机就会反转。

所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

图2-1四相步进电机步进示意图

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

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。

2.1.3步进电机主要类型与选择

步进电机在构造上有三种主要类型：

反应式（VariableReluctance，VR）、永磁式（PermanentMagnet,PM）和混合式（HybridStepping,HS）。

反应式：

定子上有绕组、转子由软磁材料组成。

结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

永磁式：

永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。

其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。

混合式：

混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。

其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

按定子上绕组来分共有二相、三相和五相等系列。

最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。

该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。

由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。

同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

2.1.4步进电机静态指标

步进电机的静态指标有：

（1）、相数：

产生不同对极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，或指电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