1、 总课程设计报告 题 目： 步进电机的控制 专 业： 电子信息工程 年 级： 2010 级 学 号： 1010612043 学生姓名： 张天桂 联系电话： 18778438543 指导老师： 黄杰 完成日期： 2013 年 12 月 20 日贺州学院课程设计报告 1 步进电机的控制 摘 要 利用 8051 单片机 STC89C51，集成芯片 ULN2003 以及电阻晶振等集成 元件和分立元件 ，制 作 简易智能化的步进电机控制系统 ，实现 基于 8051 单片机的四相步进电机的开环控制系统 。 经测试，系统达到 四相步进电机的正反转，急停 ，测速以及显示速度等级 等功能 的要求，具有 精度高、
2、体积小、控制方便灵活 的优点。 关键词 ： 8051 单片机 ； ULN2003； 四相步进电机 贺州学院课程设计报告 1 ABSTRACT Using 8051 microcontroller STC89C51, integrated chip ULN2003 resistance as well as integrated components such as crystals and discrete component, to make simple intelligent stepper motor control system, the implementation is base
3、d on 8051 single chip microcomputer of four phase stepper motor open-loop control system. After testing, the system achieve four phase stepper motor and reversing, stop, speed measuring and display speed level functions such as requirement, with high accuracy, the advantages of small volume, conveni
4、ent control and flexible. Key Words: 8051 single chip microcomputer; ULN2003; Four phase stepper motor. . 贺州学院课程设计报告 1 目 录 摘 要 .I ABSTRACT. II 1 设计要求及方案选择 . 4 1.1 设计要求 . 4 1.2 方案选择 . 4 2 理论分析与设计 . 4 2.1 步进电机原理及控制 . 4 2.2 设计原理分析 . 6 2.3 方案论证 . 8 3 电路设计 . 9 3.1 硬件电路的设计 . 9 3.2 软件的设计 . 13 4 系统测试 . 17 4
5、.1 调试所用的基本仪器清单 . 17 4.2 调试结果与分析 . 17 5 总结 . 17 参考文献 . 18 附录 . 18 PCB 图 . 19 实物图 . 19 贺州学院课程设计报告 1 1 设计要求及方案选择 1.1 设计要求 （ 1） 查阅资料，了解步进电机的工作原理； （ 2） 通过单片机给步数控制电机的转动； （ 3） 通过按钮可控制启停及正反转 ； （ 4） 测量步进电机的转速； （ 5） 所用到的电路板必须有作者的名字和学号。 1.2 方案选择 1.2.1 步进电机 控制方案 方案一 ： 基于电子电路的控制 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
6、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 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。系统组成如图 1-1所示。 贺州学院课程设计报告 2 图 1-1 基于电子电路控制系统 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
7、，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，必须需重新设计，因此灵活性不高。 方案二 ： 基于 PLC 的控制 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
8、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
9、，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。 方案三 ： 基于单片机的控制 脉 冲 控 制 器 环 形 分 配 器 功 动 率 电 放 路 大 驱 步 进 电 机 贺州学院课程设计报告 3 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，
10、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： (1)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； (2)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，大大提高了
11、接口电路的灵活性和通用性； (3)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，大大提高系统的交互性 5。 基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。 1.2.2 基于单片机的部机电机控制的方案 单片机的选择 方案一：采用零阳单片机。特点： 体积小，集成度搞可靠性好易于扩展，采用 COMS 制造工艺，功耗低，工作电压范围大，但是它的价格昂贵，不利于提高作品的性价比。 方案二： 采用 51 系列的单片机。 51 系列的单片机应用很广泛，系统结构简单，价格低廉，易于使用的优点。 由于此次对单片机的要求不高，所以采用 51 单片机。 驱动电路的选择 方案一：使用达林顿驱动
12、芯片 ULN2003， 2003 为极电极开路驱动芯片，能驱动 4 相步进电机，价格低廉。 方案二：使用驱动芯片 L298， L298 为 H 桥驱动芯片，可以为负载提供双向的电流。简单方便，但是相应的成本增加了。 综合 本设计的需求，在满足本设计的要求下，选用方案一较为经济。 显示电路选择 方案一：采用 LCD 液晶显示， LCD 液晶显示具有方便，美观，显示信息量大的特点，缺点是成本高。 方案二：采用 LED 数码管显示，数码贡献是在硬件连接方面显得较为复杂，在不同的场合下配合使用的芯片不同。 贺州学院课程设计报告 4 相对于 LCD 液晶显示来说， LED 在成本方面较为优势。 2 理论
13、分析与设计 2.1 步进电机原理及控制 由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备 -步进电机控制 驱动器，典型步进电机控制系统如图 2-1 所示：控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。功率
14、放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的，步进电机 的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍 3 种，其基本原理如下： （ 1） 换相顺序的控制 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式下，其各相通电顺序为 ABCA ，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A、 B、C 相的通断。三相双三拍的通电顺序为 ABBCCAAB ，三相六拍的通电顺序为AABBBCCCAA 。 （ 2） 步进电机的换向控制 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍，即
15、AABB BCCCAA 。如果按反序通电换相，即AACCCBBBAA ，则电机就反转。其他方式情况类似。 （ 3） 步进电机的速度控制 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。贺州学院课程设计报告 5 两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。 （ 4） 步进电机的起停控制 步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为 了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的
16、锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。 （ 5） 步进电机的加减速控制 在步进电机控制系统中，通过实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于惯性跟不上电信号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。所有步进电机在启动时，必须有加速过程，在停止时波形有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的
17、最高步进频率称为“启动频率”，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，有了这些数据，才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程有突然施加的脉冲启动频率 f0。步进电机的最高启动频率（突跳频率）一般为 0.1KHz到 34KHz，而最高运行频率则可以达到 N*102KHz，以超过最高启动频率 的频率直接启动，会产生堵转和失步的现象。 f/Hz fa fb 0 t/s 图 2-1 步进电机运行过程中频率变化曲线 贺州学院课程设计报告 6 在一般的应用中，经过大量实践和反复验证，频率如按直线上升或
18、下降，控制效果就可以满足常规的应用要求。用 PLC 实现步进电机的加 P 减速控制，实践上就是控制发脉冲的频率。加速时，使脉冲频率增高，减速则相反。如果使用定时器来控制电机的速度，加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。速度从 v1v2 变化，如果是线性增加，则按给定的斜率加 P 减速；如果是突变，则按阶梯加速处理。在此过程中要处理好两个问题： 速度转换 时间 应尽量 短。为了缩短速度转换的时间，可以采用建立数据表的方法。结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率，就可以建立一个连续的数据表，并通过转换程序将其转换为定时初始表。通过在不同的阶段调用相应的定时初值，就可控制电机的运行。定时初值的计算是
19、在定时中断外实现的，并不占用中断时间，保证电机的高速运行。 保证控制速度的精确性。要从一个速度准确达到另一个速度，就要建立一个校验机制，以防超过或未达到所需速度。 （ 6） 步进电机的换向控制 步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内在换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换 向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速换向加速 3 个过程。 2.2 设计原理分析 2.2.1 元器件介绍 （ 1） 步进电机 3 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因 此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机分三种：永磁式（ PM），反应式（ VR）和混合式 (HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行
