基于单片机的步进电机调速系统毕业设计说明.docx

1、基于单片机的步进电机调速系统毕业设计说明PINGDINGSHAN UNIVERSITY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：本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。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

2、确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 日 期：关于毕业论文使用授权的声明本人在指导老师指导下所完成的论文与相关的资料（包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属学院。本人完全了解学院有关保存、使用毕业论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权学院可以将本毕业论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署位为学院。本人离校后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署位仍然为学院。论文

3、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Stepper motorspeed control system designbased onMCUstepABSTRACTStepping motor is a kind of digital control of the m

4、otor, the electric pulse signal into angular displacement or linear displacement, compared with other types of motors, stepper motor without accumulated error and easy to open loop control. The stepper motor speed control using single chip computer, which has the advantages of low cost, high perform

5、ance price ratio, has the advantages of relatively simple system etc. This design uses the AT89C51 microcontroller to control the stepper motor, can adjust the speed of the stepper motor and the design goal is to reverse.Keywords: stepper motor, microcontrollers, speed control system1 绪论1.1学术背景与研究意义

6、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

7、 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

8、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

9、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

10、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。

11、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

12、，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AB BC CA(3)六拍的通电顺序为A AB BBC C CA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TTT每相通电时间T2T3T走齿周期3T3T6T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

13、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A B C 的方式通电，步进电机就会进行正转，如果以C B A 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

14、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3.3 AT89C51型单片机本次设计选用的是89C5

15、1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024MHz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3-3 AT