1、 辽宁工业 大学学生毕业论文 论文题目： PIC 单片机的步进电机控制系统 设计 与实现 学 院： 电子工程 学院 年 级： 2007 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 程思宇 学 号： 20073515 指导教师： 郑方城 20011 年 5 月 18 日 I 摘要 步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件，具有快速启动和停止的特点。其驱动速度和指令脉冲能严格同步，能实现正反转和平滑速度调节，因而被广泛应用于数模转换，速度控制和位置控制系统。但是步进电机的驱动信号往往还是由专门的模拟芯片控制器或者信号发生器产生，缺乏灵活性和可靠性。 本设计采用 PIC 系列单片机
2、作为步进电机控制系统的核心，实现了软件与硬件相结合的控 制方法。用软件代替脉冲分配器，达到了对步进电机的最佳控制。采用单极性驱动电路对小功率步进电机进行驱动，电路简单，实用性好。用 LCD显示屏对步进电机的预设工作状态进行动态显示，直观、明了。实验结果表明整个控制系统成本低，精度高，运行平稳，可靠性好。 关键词 步进电机； PIC 单片机； LCD； 数模转换 II Abstract Stepper motor is a control-driven component which directly convert digital signal to angular displacement
3、or linear displacement, with a rapid start and stop characteristics The driving velocity of the stepper motor are strictly synchronous with instructions pulse, and can achieve positive and negative rotation and smooth speed adjustment, so it is widely used in digital-to-analog converter, speed contr
4、ol and position control system However, the driving signals of stepper motor are often generated by a special controller of analog chip or signal generator, it is lack of flexibility and reliability Especially in some occasions of higher intelligence, using analog chips and signal generator to contr
5、ol the stepper motor has some limitations Because of its single-chip high-precision pulse and relatively simple peripheral circuits, so stepper motor controllers based on single-chip are widely used in industrial applications The design uses a PIC MCU as the core of stepper motor control system, and
6、 a control method of combination of software and hardware is realized We choose software instead of the Pulse Distributor to achieve the best control of the stepper motor Unipolar drive circuit is used for driving low-power stepper motor, which is simple and really functional LCD is used for dynamic
7、 displaying intuitively and clearly the state of the stepper motor The experimental results show that the entire control system has the advantages of low cost, high accuracy, smooth operation and good reliability Keywords Stepper motor； PIC Microcontroller； LCD； D/A conversion； 目录 摘要 .I Abstract. II
8、 绪论 . 1 第 一章 控制系统实现原理 . 2 一、步进电机的分类和主要性能指标 . 2 （一）步进电机的分类 . 2 （二）步进电机的主要性能指标 . 2 二、步进电动机的结构及工作原理 . 3 （一）反应式步进电动机的结构及工作原理 . 3 （二）混合式步进电动机的结构及工作原理 . 4 （三） KP39M2-025 型混合式步进电动机的工作方式 . 5 （四）步进电动机的加减速 . 6 三、 液晶显示模块 OCMJ48C . 7 （一）带有中文字库图形点阵液晶显示模块的应用 . 7 （二） OCMJ48C 液晶显示模块的功能 . 8 四 、 PIC 单片机 . 8 （一） PIC 系
9、列单片机的特点 . 8 （二） PIC16F877 单片机的结构 . 9 第二章 控制系统硬件设计 . 12 一、控制系统总体概述 . 12 二、控制系统的硬件电路 . 12 （一）控制系统总体电路 . 12 （二）单片机与步进电机接口驱动电路 . 14 （三）单片机与 LCD 显示屏接口电路（ 8 位并行模式） . 14 （四）单片机与键盘接口电路 . 15 三、步进电动机的选型 . 16 四、开发平台 MPLAB ICD 简介 . 16 第三章 控制系统软件设计 . 18 一、控制系统总流程图 . 18 二、系统监控模块 . 19 （一）系统监控模块流程图 . 19 （二）步进电机转 向设
10、置子程序范例 . 20 （三）步进电机转速设置 . 21 三、键盘识别处理模块 . 21 四 、 LCD 显示模块 . 22 五、控制信号产生模块 . 23 （一）步进脉冲产生模块 . 23 （二）系统中断模块 . 24 （三）步进电机加减速模块 . 25 结论 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 31 PIC 单片机的步 进电机控制系统设计与实现 1 绪论 步进电机是机电控制中一种常用的执行机构。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度，具有快速启动和停止的特点。其驱动速度和指令脉冲严格同步，具有较高的重复定位精度，并能实现正反转和平滑速度调节。它的运行速度
11、和步距不受电源电压波动和负载的影响，而且由于步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，在简易数控机床，数字绘图仪，点阵打印机，家用电器等大量角度、速度、位移控制系统 中，得到了极其广泛的应用 1。 但是步进电机的驱动信号往往还是有专门的模拟芯片控制器或者信号发生器产生，缺乏灵活性和可靠性。尤其在一些智能化要求较高的场合，用模拟芯片及信号发生器来控制步进电机有一定的局限 2。而利用单片机进行脉冲控制，控制精度高，外围电路相对也比较简单，因此在工业应用场合，基于单片机的步进电机控制器应用广泛。 PIC 系列 8 位单片机是美国 Microchip Technolo
12、gy 公司推出的精简指令集计算机（ RISC）结构的嵌入式控制器，其硬件系统设计简洁，指令系统设计简练。 PIC 系列单片机 具有体积小，功能强，功耗低、设计开发灵活方便和价格低廉等特点，可以应用在数字化仪器仪表，自动测试和控制，智能化家用电器等领域 3。 基于 PIC 单片机的上述特点， 本设计采用 PIC16F877 单片机作为控制系统核心 ，具体介绍了一个步进电机运动控制系统的结构组成，既包括硬件设计，也有具体的软件实现。 该控制系统可实现如下功能： 1通过键盘可以设定步进电机的转速及转数（以整转为单位）， 2通过键盘可以设定步进电机转向， 3键盘所设置的参数可以通过 LCD进行实时显示
13、。 PIC 单片机的步 进电机控制系统设计与实现 2 第一章 控制系统实现原理 一、 步进电机的分类 和主要性能指标 （ 一 ） 步进电机的分类 步进电机可分为 3 大类 1 反应式步进电动机 反应式步进电动机的转子是有软磁材料制成的，转子中没有绕组，定子上有多相励磁绕组。 它的结构简单，成本低，步距角可以做的很小， 一般为 1.5 度， 但 噪声和振动都很大 4。 2 永磁式步进电动机 永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性能好。转子的级数与定子的级数相同，所以步距角较大 ，一般为 7.5 度或 15 度 。需供给正负脉冲信号 4。 3 混合式
14、步进电动机 混合式步进电动机综合了反应式和永 磁式两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好 。它又分为两相 、三相 和五相：两相步距角一般为 1.8 度而五相步距角一般为 0.72度。这种步进电机应用最为广泛，也是本控制系统所选用的步进电动机 4。 （二） 步进电机的 主要性能指标 1 电机固有步距角 它表示控制系统每发出一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如本设计所选用的 KP39HM2-025 型电机给出的值为 0.9/1.8（表示半步工作时为 0.9，整步工作时为 1.8），即电机固有步距角。它不一定 是电机实际工作时的真正步距角，真 正步距角和驱动器有关
15、5。 2 步进电机的相数 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相，三相，四相，五相步进电机。电机的相数不同，其步距角也不同，一般 二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.725。 3 电机的保持转矩 保持转矩 指电机各相绕组通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的 最PIC 单片机的步 进电机控制系统设计与实现 3 大转矩 。 通常电动机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的变化而变化 5。 4 启动频率 启动频率又称突跳频率，是指步进电机能够不失步启动的最高频率，是步
16、进电动机的一项重要指标。负载启动频率与负载转矩即惯量的大小有关。负载量一定，负载转矩增加，或负载转矩一定，负载惯量增加，都会使启动频率下降 5。 5 运行频率 步进电机启动后，控制脉冲频率连续上升而维持不失步的最高频率，称为运行频率 。通常给出的也是空载情况下的运行频率 5。 二、 步进电动机 的结构及工作原理 （一） 反应式步进电动机的结构及工作原理 1 反应式步进电动机的结构 图 1-1 是一个三相反应式步进电机结构图。从图中可以看出，它分为转子和 定子两部分。定子由硅钢片叠成。定子上有 6 个磁极，每两个相对的磁极组成一对，共有三对。每对磁极都缠有同一绕组，也即形成一相 。每个磁极内表面
17、都分布着许多小齿，它们大小相同，间距相同。反应式步进电动机运动的动力来自于电磁力，在电磁力的作用下，转子被强行 推动到最大磁导率的位置即对齿的位置，并处于平衡状态。 当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置，即错齿位置 6。 1-定子 2-转子 3-定子绕组 图 1-1 三相反应式步进电动机结构 6 PIC 单片机的步 进电机控制系统设计与实现 4 2 反应式步进电动机的工作原理 如果给处于 错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电动机就是基于这一原理转动的。 下面以三相反应式步进电机为例，起典型结构如图 1-2
18、 所示。当 A 相控制绕组接通脉冲电流时，在电磁力作用下使 A 相的定、转子对齐，相邻的 B 相和 C 相小齿错开。若换成 B 相通电，则电磁力使 B 相定、转子小齿转过，而与 B 相相邻的 C 相和 A 相的定、转子小齿又错开，即步进电机 转过一个步距角。 图 1-2 三相反应式步进电机工作原理 1 若按 A B C A 循环顺序通电，则步进电机按一定方向转动。若改变通 电顺序为 A C B A，则电动机反向转动，这种控制方式成为三相单三拍。按 AB BCCA AB 或 A AB B BC C CA A 顺序通电则称为三相双三拍或三相单、双六拍。无论采用何种控制方式，在一个通电循环内步进单机
19、转角恒为一步距角，可以通过改变步进电机通电循环次序来改变转动方向，通过改变通电频率来改变其角频率 1。 （二） 混合式步进电动机的结构及工作原理 由于本设计是选用 KP39HM2-025 型混合式步进电动机作为控制对象，下面主要介绍混合式步进电机的结构和工作原理。 混合式步进电动机又称为感应子式步进 电动机，它的定子铁心与反应式步进电动机相同，即分为若干大极，每个大极上有小齿及控制绕组；定子控制绕组与永磁式步进电动机相同，也是两相集中绕组，每相绕组有两对极，按 AB （ -A） （ -B） A的顺序轮流通以正负脉冲；转子中间为环形轴向磁化的永磁体，磁体两端各套有一段开PIC 单片机的步 进电机
20、控制系统设计与实现 5 有齿槽的铁心，两段齿心错开半个齿距，且转子齿距与定子小齿的齿距相等。 由于定子同一个极的两端极性相同，转子两端极性相反，且错开半个齿距，所以当转子偏离平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。当定子各相绕组按顺序通以直流脉冲时，转子每次将转过一 个步距角。 这种电机可以像反应式步进电动机那样做成小步距角，并有较高的启动频率，同时它具有控制功率小的优点。当然，由于采用永磁体，转子铁心需分成两段，结构和工艺都比反应式要复杂一些 6。 （三） KP39M2-025 型混合式步进电动机的工作方式 经实验测定，该类型混合式步进电动机以 两相双 四拍工作方式进行工作 。 该步进电动机
21、的正转通电顺序为 AB A(-B) (-A)(-B) (-A)BA B ；反转通电顺序为AB (-A)B (-A)( -B) A(-B)A B 。 双 四拍工作时各相通电的电压和电流波形如图1-3，图 1-4 所示。 因为在双四拍工作方式中，转子转动一个齿距角的拍数也是“四拍”，所以它的步距角与单 四 拍是一样。但是双四拍工作时，产生的磁场形状与单四拍不一样，另外双四拍工作时的磁导率最大位置并不是出于对齿的位置。 双四拍方式还有一个优点就是不易产生失步。这是因为 当两相通电后，两相绕组中的电流幅值不同，产生电磁力的作用方向也不同，所以，其中一相产生的电磁力起到阻尼作用。绕组中的电流越大，阻尼作用就越大，这有利于步进电机在低频区工作 4。 图 1-3 正向旋转、双四拍工作方式时的相电压，电流波形
