1、 毕 业 设 计 题目： 步进电机控制系统的设计及其应用 学 生： 学 号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2015 年 6 月 18 日I 步进电机控制系统的设计及其应用 摘 要 本设计通过分析步进电机结构、工作原理，查阅步进电机控制系统的相关科技文献，遵循实用、简单、可靠和低成本的原则，设计了一种既可用于精度要求不高，又需要控制要求 比较高 的控制系统。 本次 设计 采用单 片机为控制核心，利用其强大的功能，把键盘和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便、交互性强的控制系统。而且整个系统所包含的技术几乎包括了现本科学校控制专业所要求的知识，有利于实践教学取得最大效果。 键盘电路和显示电
2、路采用了动态扫描技术，节约了单片机资源。 系统软件采用结构化设计，具有易维护性，根据用户新的要求，对软件系统进行少量的修改，使系统功能得到一定程度的提高。 关键词： 单片机，步进电机，中断 II Design and Application of The Stepping Motor Control System ABSTRACT This design through the analysis of step into the motor structure, working principle, refer to the step motor control system of scien
3、tific and technical literature, following practical, simple, reliable and low cost principle, design a can be used not only to the accuracy requirement is not high, but control the occasions that need to complete. For this design, there are the following conclusions: Using the single chip microcompu
4、ter as the core, the use of its powerful features, the keyboard and display circuit of the organic combination, a convenient operation, interactive and strong control system. And the technology of the whole system includes almost the knowledge that the undergraduate school control professional requi
5、red, and it is helpful for the practice teaching to achieve the maximum effect. The keyboard circuit and the display circuit use the dynamic scanning technology, saving the MCU resources. The software is structured and has the easy maintenance. According to the new request of the user, the software
6、system can be modified to improve the function of the system. Key words: single chip microcomputer, stepping motor, interrupt. III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT .II 1 绪论 . 1 1.1 设计背景 1 1.2 步进电机及其发展 2 1.3 研究的内容 3 2 总体方案论证与设计 . 4 2.1 步进电机原理及控制技术 4 2.1.1 步进电机驱动方法 6 2.1.2 步进电机的特点 6 2.1.3 AT89C51 简介 7 2.1.4 ULN20
7、03 芯片概述与特点 9 2.2 方案论证 10 2.3 总体硬件组成框图 10 3 系统硬件设计 . 11 3.1 控制电路 11 3.2 最小系统 12 3.3 驱动电路 13 3.4 显示电路图 13 3.5 总体电路图 13 4 系统的软件设 计 . 14 4.1 主程序设计 14 4.2 定时中断设计 15 4.3 外部中断设计 16 5 系统调试与测试结果分析 . 18 IV 5.1 软件调试记录 18 5.2 硬件调试记录 18 6 总结与展望 . 22 致 谢 . 23 参 考 文 献 . 24 附录 . 26 附录 . 30 步进电机控制系统的设计及其应用 1 1 绪论 1.
8、1 设计背景 单片机是现代电子技术、计算机技术的新兴领域，以单片机为代表的嵌入式系统的出现标志着现代电子系统时代的到来。采用嵌入式系统集成器件，将电子系统的设计从单纯的硬件设计变为智能化的硬、软件设计，从而使现代电子系统软硬结合，具有智能化、系统功能，具有柔韧性及激励 -运行 -响应等特点。目前，单片机 的价格己很低廉，这使得单片机的应用更为广泛，因此就有可能比较普遍地应用微机来控制各类电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。 比较简单的电机微机控制，例如在适当的时刻让小型电动
9、机起动、制动或反转之类，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电动机的动作。至于复杂的控制，则要用微机控制电机 的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。例如传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电动机的调速性能很好，但带有机械换向器。有机械磨损及换向火花等问题，交流电动机，不论是异步电动机还是同步电动机，结构都比直流电动机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而又经济地调节。交流电机采
10、用正弦脉宽调制方式进行变频调速是比较理想的，但若要用普通的模拟电路或数电路完成这一任务，电路相当复杂，用微机控制就简单多了。若要进一 步提高调速精度及动态性能，可采用矢量控制方案，它的调速性能将与直流电动机相当。但矢量控制比较复杂，用传统的模拟电路或数电路很难做到，而应用微机控制则能方便地实现。 单片机品种繁多，就应用情况看，应用最广者当属 Intel 公司的 MCS-51 系列 8 位机。在 Philips 等公司推出新一代 80C51 系列单片机后，各种型号的 80C51 层出不穷。51 单片机是对所有兼容 Intel 8031 指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的 8
11、031 单片机，后来随着 Flash rom技术的发展， 8031 单片机取得了长足的 进展，成为 应用 最广泛的 8 位单片机之一，其代表型号是 ATMEL 公司的 AT89 系列，它广泛应用于工业测控系统中。很多公司都有 51 系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。 51 单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是 52 系列的单片机一般不具备自编程的能力。 近年，由于 CHMOS 技术的进步，大大地促进了单片机的 CMOS 化。 CMOS 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以 80C51 取代
12、 8051 为陕西科技大学毕业设计说明书 2 标准 MCU 芯片的原因。因为单片机芯片 多数是采用 CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。 CMOS 电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的 TTL 电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了 HMOS（高密度、高速度 MOS）和 CHMOS 工艺。 CHMOS 和 HMOS 工艺的结合。目前生产的 CHMOS 电路已达到 LSTTL 的速度，传输延迟时间小于 2ns，它的综合优势已在于 TTL 电路。因而，在单片机领域 CMOS 正在逐渐取代 TTL 电路 1。 单片机是通过内部总线把计算
13、机的各主要部件接为一体，其内部总线包 括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址， CPU通过它们将地址输出到存储器或 I/O 接口；数据总线的作用是在 CPU 与存储器或 I/O 接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括 CPU 发出的控制信号线和外部送入 CPU 的应答信号线等。 考虑到经济和可靠性的要求，本设计中采用 AT89C51 单片机，它宏晶科技设计生产的单时钟 /机器周期（ 1T）的单片机。是高速 /低功耗 /超强抗干扰的新一代 8051 单片机。指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 8-12 倍。 1.2 步进电 机及其发展 步
14、进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为 Stepmotor 或 Stepping motor， Pulse motor， Stepper servo， Stepper 等等。目前，随着电子技术拉制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。这是机电一体化元件组件的必然趋势。就传统的步进电机来说，可以简单地定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位里而静止的电动机。从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也 可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电机。步进电机的机理是基于基本的电磁
15、铁作用，其原始模型起源于 1830 年至 1860 年间。 1870 年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氮弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。不久又在缺乏交流电源的船泊和飞机等独立系统中广泛应用 2。 步进电机是一种感应点击，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。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，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 3。
16、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。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，在各个国民经经济领域都有应用。 步进电机控制系统的设计及其应用 3 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，而半导体技术 的发展则推进了步进电机在众多领域的应用。在近 30 年间，步进电机迅速地发展并成熟起来，从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机，以及同步电机并列，从而成为电机的一种基本类型。传统的步进电机一般可分
17、为永磁式步进电机 (PM Step Motor)，反应式步进电机 (VR Step Motor)和混合式步进电机 (Hybrid Step Motor )三种。永磁式步进电机类似于永磁转子的同步电机，转子上安装有永磁体，但定子一般为集中式绕组。反应式步进电机靠变磁阻原理运行，没有永磁体。混合式步进电机最初是作为一 种低速驱动用的交流同步电机而设计的，后来发现如果各相绕组通以直流脉冲，这种电机也能步进运动。它的转子嵌有轴向充磁磁钢，主要依靠定转子磁场相互作用产生转矩，由于它特殊的结构，它的步距角远小于永磁式步进电机，也可看成是一种极对数很多的永磁式转子同步电机 4。 我国步进电机的研究及制造始于
18、本世纪 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。这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。 70 年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进 步外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高水平。 70 年代中期至 80 年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。自 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。自本世纪中叶，步进电机的应用渗进到数控制的各个领域，尤其在（数控）机械中广泛利用其开环拉制的特点。近十几年来，步进电
19、机在 FA机器 (Factory Automation)和计算机外部设备等领域作为控制用电动机和驱动用电动机而广泛使用。 1.3 研究的内容 本论文研究的是反应式步进电机驱 动控制系统，采用 的方法是 利用 单片机 控制 步进电机的驱动。 步进电机是 一种将电磁脉冲转化 为 角位移 的 执行机构 。当步进 驱动器接受到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向 转动 一个固定的角度，它的旋转式以固定的角度一步一步运行的。可以 通过 控制脉冲 个数 来控制角位移的 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 。 并且以 MCS-5
20、1 系列单片机 89 为核心控制器，采用分频和频率选择控制电机速度，采用细分驱动控制方式，选用 8713 脉冲分配器，它可以驱动三相、四相反应式步进电 动机 13。本设计内容主要是基于单片机的反应式步进电动机驱动控制系统软件设计，包括控制部分硬件设计、驱动部分硬件设计、电源供电部分的设计和系统软件部分设计。 陕西科技大学毕业设计说明书 4 2 总体方案论证与设计 2.1 步进电机原理及控制技术 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： 图 2-1 步进电机运行过程中频
21、率变化曲线 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 6。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
22、原 理如下： （ a） 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 A B C A，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 AB BC CA AB，三相六拍的通电顺序为 A AB B BC C CA A。 （ b） 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 A AB B BC C CA A。如果按反序通电换相，即 A AC C CB B BA A，则电 机就反转。其他方式情况类似。步进电机换向时，一定要在电机降速停步进电机控制系
23、统的设计及其应用 5 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。 （ c） 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。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。 （ d） 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
24、，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。步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图 2所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、 保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。 （ e） 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
25、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
26、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 26。 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： （ f） 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
