(四相步进电机)单片机课程设计.doc

1、0 编号 课程设计（论文） 相关资料 题目： 基于单片机的四相步进电机控制 学 院 专 业 学 号 学生姓名 指导教师 二一二年六月 二十五 日 1 目录 第 1 章 概述 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 设计内容的介绍 . 3 2.1 步进电机原理 . 3 2.2 步进电机的分类和选择 . 4 2.3 设计目 标 5. 第 3 章 设计思路 具体内容 . 6 3.1 设计思路 . 6 3.2 总体设计框图 及电路原理图 . 6 3.3 单片机及其最小系统 . 7 3.4 按键电路 . 7 3.5 步进电机状态显示电路 . 8 3.6 步进电机驱动电路 . 9 第四章 程序设计 . 9

2、4.1 程序设计思路 . 9 4.2 主程序设计 . 10 第五章 总结 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 9 附录 11 2 第 1 章 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

3、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

4、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。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机 床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。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，利用其没有积累误差 (精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 3 第 2 章 设计内容的介绍 2.1 步进电机原理 步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一

5、步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它 的转速与脉冲频率 (f)成正比，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。 如下所示的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 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

6、 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4 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。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 2-2所示： 图 2-2 步进电机工作时序波形图 2.2 步进电机的分类与选择 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（ VR）、永磁式步进电机（

7、PM）、混合式步进电 机（ HB）和单相式步进电机等。 反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩，但动态性能相对较差。 永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15度。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点

8、。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛，它是 PM 和 VR 的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。 步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 5 1、步距角的选择 电机的步距角 取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或

9、小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有 0.36 度 /0.72 度（五相电机）、0.9 度 /1.8 度（二、四相电机）、 1.5 度 /3 度 （三相电机）等。 2、静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速 起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的 2-3 倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。 3、电流的选择 静力矩一

10、样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。 4、力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 其 P 为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度 ， n 为每分钟转速， M为力矩单位为牛顿米 P=2 fM/400(半步工作） 其中 f 为每秒脉冲数（简称 PPS） 2.3 设计目标 （ 1） 一个正反转开关控制正转和反转 ； （ 2） 一个速度开关控制高速和低速（高速和低速只要有明显差别） ； （ 3） 一个半圈按钮 ,按

11、一下时转半圈 , 一个一圈按钮 , 按一下时转一圈 ； （ 4） 一个连续转动按钮 , 按一下时连续转动，再按一下时停止转动 ； （ 5）深入理解步进电机工作原理，设计系统方案 ； 6 （ 6） 用 protel 画出系统原理图，要求是一个完整的单片机控制系统，电源为220V 交流电 在单片机 实验室调试 。 第 3 章 设计思路与具体内容 3.1 设计思路 本系统主要由 供电电源模块、 单片机最小系统、 按键电路、 步进电机驱动电路以及步进电机等几部分组成。本系统采用 两个独立开关三 个独立按钮 ，分别进行高低速 、正反转 、半圈、一圈以及连动 的控制。驱动电路采用 ULN2003A 实现步

12、进电机的驱动。步进电机的供电采用独立 12V供电。 3.2 总体设计框图及电路原理图 总体设计框图如图 3.1 所示。 图 3.1 总体设计框图 7 3.3 单片机最小系统 及 按键部分 最小系统主要是为了单片机的正常工作。 51 单片机是一种低功耗 /低电压、高性能的 8 位单片机，它采用 CMOS 和高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MCS-51 兼容；片内的 Flash ROM 允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除 CPU 外，还包括 256 字节 RAM， 4K 字节的 ROM,4 个 8位并行 I/O 口， 5个中断源， 2个中断优先级，

13、2个 16 位可编程定时计数器。 89S51 单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，且支持在线编程，完全满足本系统设计需要。 单片机最小系 统包括单片机和复位电路，振荡电路。 3.4 按键电路 采用 2 个 开关 3个按键 来控制步进电机 ，即“高低速切换 ”、“ 正 反转 切换 ”、“ 半圈 ”、“ 一圈”和“连动切换” 。当 波动开关或 按下其中一个按键时，电源通过上拉电阻和按键到地形成通路，使相应输入管脚接地，即给单片机送入一个低电平，此低电平即为有效电平。按键电路 及单片机最小系统部分 如图 3.2 所示。 图 3.1 最小系统及 按键电路 8 3.5 步进电机驱动电路 步进

14、电机的驱动电路如图 3.3 所示，驱动芯片 采用 ULN2003A。 图 3.2 步进电机的驱动电路 第四章 程序设计 4.1 程序设计思路 根据单片机外围电路的设计，单片机的 P2.0、 P2.1、 P2.2、 P2.3、 P3.2 为按键输入 ,P1.0、 P1.1、 P1.2、 P1.3 与电机驱动 IC 相连。 单片机采用 扫描按键方式 （其中连动切换按键采用外部中断方式） ，程序根据键值 结果进行相应的操作。步进电机的正反转利用给步进电机送入与原来相反的脉冲即可，步进电机的加减速控制是主要控制步进电机送脉冲的时间。 4.2 程序设计 程序中首先进行两个切换开关的检测，确定电机转速及方

15、向，然后进行按键扫描，确定点动和电动方式或者连动， 其中连动切换用外部中断 0 控制。 9 图 4.1 程序流程图 第五章 总结 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关 单片机 应用方面的知识，在设计过程中尤其是自己动手编制程序时，遇到了很多困难，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我掌握的知识不再是纸上谈兵，而是学以致用。 同时，这次课程设计让我感受到了我对所学习的内容是多么的不熟练，在设计过程中总是需要翻书，还总是会出现问题，同时这些问题也提醒了我那些地方没 学好，加深了对这部分知识的印象。