基于51单片机的步进电机调速设计_完整论文——已查重.docx
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基于51单片机的步进电机调速设计—完整论文一一已查重
摘要
步进电机又称脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。
其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，且其输出转角、转速与输入脉冲个数、频率有着严格的同步关系。
步进电机由于其本身的特点，在具体的应用中有利于装置或设备的小型化和降低成本。
因而，广泛地应用在众多的领域中并得以不断的发展。
本设计采用8位单片机AT89S52对步进电机进行控制，通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过驱动芯片驱动步进电机；同时，用4个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速。
关键词步进电机单片机驱动速度控制
I
ABSTRACT
Knownasapulsemotor,Steppermotorisanimplementationcomponentinthedigitalcontrolsystem.Itsfunctionisconvertedintoapulsesignalcorrespondingtotheangulardisplacementorlineardisplacement,andtheoutputangle,speedandthenumberoftheinputpulses,thefrequencyhasastrictsynchronizationrelationship.BecauseofSteppermotor'sowncharacteristics,thespecificapplicationinfavorofapparatusorequipmentturnintominiaturizationandmakeitscostintoreduction.Therefore,itwaswidelyusedinmanyareasanddevelopedcontinuously.Thisdesignuses8-bit
MCUAT89S52tocontrolsteppermotor,withtheoutputoftimingthesquarewavethroughI/Oportassteppermotorcontrolsignals,andthesignaldriversteppermotorthroughthedriverchip;sametime,tocontrolthestateofthemotorwithfourkeysanddisplaythemotorspeedonLEDindicator.
KEYWORDSStepperMotorsMCUDriveSpeedGoverning
II
目录
中文摘
要 I英文
摘要 II1
绪论 1
1.1步进电机及其发展
1
1.2步进电机在我国的发展应用及前景 1
1.3本文研究内容
32步进电机的结构、工作原理及特性 4
2.1步进电机的概念
4
2.2步进电机的结构及工作原理
4
2.2.1步进电机的结构 4
2.2.2工作原理 4
2.3步进电机的特点
6
2.4步进电机的常用术语
7
2.5步进电机的振荡和失步
8
2.5.1振荡 8
2.5.2失步 9
2.6阻尼方法
93总体硬件设计
11
3.1控制系统框图
11
3.2单片机最小系统
11
3.2.1时钟电路 12
3.2.2复位电路 13
3.3显示电路
14
3.4按键控制电路
15
3.5步进电机驱动电路
164步进电机的单片机控制原理
18
4.1单片机控制系统流程图
18
4.2脉冲序列 18
4.2.1脉冲序列的生成 18
4.2.2脉冲序列的分配 19
4.3步进电机的运行控制
20
4.3.1步进电机的速度控制 20
4.3.2步进电机的方向控制 21
4.3.3步进电机的位置控制 22
4.3.4步进电机的加减速控制 22
5程序设
计 28
5.1主程序设计
28
5.2定时中断设计
30
5.3外部中断设计
316结论
32致
谢 33
参考文献
34附
录 36
1绪论
1.1步进电机及其发展
步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字执行元件，随着计算机应用技术、电子技术和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入，步进电机的需求量越来越大。
随着工业技术的不断发展，以及同类产品的不断出现，步进电机面临着前所未有的挑战。
但近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动步进电机的发展，为步进电机的应用开辟了广阔的前景，近几年来，步进电机需求量一直呈现出较快的增长速度，其中扫描仪、打印机、传真、DVD-ROM/CD-ROM驱动器、空调及多功能自动化办公设备等应用对步进电机的需求增长最强。
此外由于USB2.0的日益流行促进了高分辨率扫描仪的销售，步进电机向着小型、薄型和更小的步进角度发展。
在当今社会的各个领域，步进电机无处不在，应用领域涉及机器人、工业电子自动化设备、医疗器件、广告器材、舞台灯光设备、印刷设备、计算机外部应用设备等等。
因此，设计出高精确度、实时监控、语音提示的步进电机具有重要的现实意义和实用价值。
本设计是基于AT89S52单片机的步进电机控制系统,能够有效地对步进电机转速、方向的控制。
1.2步进电机在我国的发展应用及前景
步进电机的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氯弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。
1950年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。
到20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生⑴。
步进电机往后经过不断改良，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。
1
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。
我国步进电机的研究及制造起始于本世界50年代后期，从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。
我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。
中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。
70年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。
70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。
至80年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用⑵。
目前，生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。
仅仅处于一种盲目的仿制阶段。
这就给用户在产品选型和使用中造成许多麻烦。
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，交流电机那样在常规工作环境下使用。
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。
因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
图1.1步进电机的外观图
2
1.3本文研究内容
本设计主要是研究基于单片机的步进电机控制，采用单片机AT89S52控制步进电机在四相四拍工作方式下的启停控制，正反转控制和加减速控制，以实现基于单片机的步进电机的调速电路控制。
主要内容如下：
⑴通过键盘设定步进电机的转速及方向；
（2）LED显示步进电机的转速和方向。
步进电机有着方方面面重要应用，如何对其进行有效控制，使其能够
发挥最大的优势是各个行业技术开发人员所共同关注的，本文旨在设计一套较完整的通用控制系统，对步进电机的转速、方向实行智能化控制，并能通过LED显示其转速。
3
2步进电机的结构、工作原理及特性
2.1步进电机的概念
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
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（即步进角）。
我们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；同时我们也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。
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。
2.2步进电机的结构及工作原理
2.2.1步进电机的结构
步进电机分为转子和定子两部分：
（1）定子：
由硅钢片叠成的，定子上有8大磁极，每2个相对的磁极（N,S）组成一对，共有4对。
定子齿有励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开0、1/12π、1/6π、1/4π[3]，即A与齿1相对齐，B与齿2
（2）向右错开1/12π，C与齿3向右错开1/6π，D与齿4向右错开1/4π，A'
（3）与齿5相对齐。
（4）转子：
由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿，与定子上的小齿相同，并且小齿的大小相同，间距相同。
2.2.2工作原理
该设计采用四相步进电机，采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相4
绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。
当某一相绕组通电时,对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。
下面做详细介绍。
该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2.1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图2.1四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。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度［4］。
单四
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