1、 本科毕业设计论文 题 目 基于 Proteus 的步进电机闭环控制仿真 所在系 电气与信息工程 学生姓名 王 栋 专 业 电子信息工程 班 级 电信 902 学 号 09010053 指导教师 金印斌 2013 年 6 月 西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文） 摘要 I 摘 要 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移 (或线位移 )的电磁装置，因为步进电机不需要 A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件 ，由于其精确性以及其良好的性能在实际当中得到了广泛的应用。本文介绍了以 51 系列单片机 AT89S51 为控制核心所设计的步进电
2、机控制系统，从系统的硬件仿真电路以及软件的设计方面实现了对步进电机的控制。并且由传感器 FC-SPX302 采集转速数据进而进行 关于速度的闭环控制，经过仿真验证电路证明，该仿真控制系统的随动性能好，抗干扰能力强，稳定性好。 关键词： 步进电机 ， 闭环 ， 控制 西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文） II ABSTRACT III ABSTRACT Stepper motor is a pulse signal is converted into the corresponding angular displacement (or linear displacement) of ele
3、ctromagnetic devices, because step motor does not need A/D conversion, digital pulse signal can be directly transformed into angular displacement, so It is considered to be an ideal actuator of CNC machine tools. Because of its good performance and accuracy in practice has been widely applied. This
4、paper introduces to 51 series microcontroller AT89S51 as control core design of stepping motor control system, From the hardware circuit simulation and software design and implementation of stepper motor control. And use the acquisition speed data sensor FC-SPX302 to make up a closed-loop of speed c
5、ontrol system. Through the circuit simulation prove, dynamic performance with the simulation of the control system, strong anti-interference ability, good stability. KEY WORDS: Stepper motor， Closed loop， Control 西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文） IV 目 录 V 目 录 1 绪论 . 1 1.1 步进电机国内外研究现状 . 1 1.2 研究主要内容及其意义 . 2 1.3
6、步进电机的单片机控制优点 . 3 2 步进电动机的介绍 . 5 2.1 步进电动机的基本原理 . 5 2.2 步进电动机分类 . 5 2.3 步进电机的一些基本参数 . 5 2.3.1 电机的拍数 . 5 2.3.2 电机固有步进角 . 6 2.3.3 步进电机的相数 . 6 2.4 步进电机结构 . 6 2.4.1 步进电机的旋转 . 7 2.5 步进电动机的控制原理 . 7 2.5.1 换相顺序的控制 . 8 2.5.2 步进电动机的转向控制 . 8 2.5.3 步进电动机的速度控制 . 8 2.5.4 步进电动机的位置控制 . 8 2.6 步进电动机的特点 . 9 3 主要芯片介绍 .
7、11 3.1 89S5L单片机简介 . 11 3.1.1 单片机的引脚功能 . 11 3.1.2 单片机的主要特性 . 11 3.2 L298 简介 . 12 3.2.1 L298 的原理 . 12 3.2.2 L298 概述 . 12 3.3 光电开关 . 14 4 硬件设计 . 15 4.1 总体设计方框图 . 15 4.2 系统仿真图 . 15 4.3 步进电动机的控制方式选择 . 16 4.4 步进电动机的驱动方式选择 . 17 西安交通大学城市学院本科毕业生（论文） VI 4.5 键盘电路设计 . 17 4.5.1 键盘原理图 . 17 4.5.2 键盘功能 . 18 4.6 显示电
8、路 . 18 4.7 测速电路 . 19 5 软件设计 . 21 5.1 PID 控制算法 . 21 5.1.1 位置式 PID 的控制算法 . 21 5.1.2 增量式 PID 的控制算法 . 22 5.2 主程序 . 23 6 实验结果及分析 . 25 6.1 测量转速与实际转速比较 . 25 6.2 结论 . 25 总结 . 27 致谢 . 29 参考文献 . 31 附录 A 电路原理图（ PROTEL） . 33 附录 B 电路仿真图（ PROTEUS） . 34 附录 C 程序 . 35 1 绪论 1 1 绪论 1.1 步进电机国内外研究现状 步进电动机是一种新型增量式电机，是数字控
9、制系统的一种执行元件。它是利用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电动机。它的位移与输入脉冲信号相对应，步矩误差不长期积累，不需用电刷，电机本体部件少，易于启停、正反转及变速。用步进电机作为驱动装置构成的控制系统，具有成本低，控制简单，容易维护等优点。步进电动机问世后，广泛地应用在等各个领域。做为机床控制、电子瞄准、工业自动化、办公自动化和机器人运动控制中应用 的重要执行部件，显示出广阔的发展前景。 步进电动机有多种不同的结构。经过近七十多年的发展，逐渐形成以混合式和反应式为主的产品格局。混合式步进电动机是在同步电动机或者说是在永磁感应子式同步电动机的基础上发展起来的。
10、既有反应式步进电动机基于气隙磁导变化的特征，又有轴向恒定磁场的永磁式步进电动机的特征。其综合了该两类步进电动机的特点，因而性能更好。具有分辨率高，控制功率小等优点，是应用最为广泛的步进电动机种类，至今没发现更合适取代它的产品。缺点是带惯性负载能力差，低频振荡现象严重，高频运行时输出转矩下降。 国外步 进电动机研究较早，对步进电机驱动技术的研究一直很活跃，如今正在研究开发以步进电动机为执行机构的高性能伺服系统。目前，这类电动机最大的生产国还是日本。日本有很多公司生产，像 JAPAN SERVO， SANYO DENKI等。它们的产品无论是外观质量，内部性能指标，还是生产手段，都处于世界先进水平。
11、而在我国，步进电动机的研制最早始于 1958 年。经过五十年的发展，目前发展趋于平缓，与国外相比，反应式步进电动机还占大量比例，只是随着近年来大批进口设备大量涌入我国，而这些设备大多数采用了混合式步进电动机，混合式步进电动 机才为人们所熟悉。在国外，特别是工业比较发达的国家，步进电动机及其驱动技术早已规模化生产，我国与之相比还有相当大的差距。虽然我国在该类电机的研制和生产上已形成一定规模，但生产规模较小，未形成商品化和系列化，仅处于按用户要求研制定制阶段，与国外产品相比尚无竞争能力。从步进电动机驱动技术发展历史来看，步进电动机的相数不同，有 2 相、 3 相、 4相、 5 相、 9 相等。齿数
12、也不同，使得产品规格品种繁多，生产格局复杂化，对用户选择不利。然而由于步进电动机和其它电机有着很大的差别，具有其它电机所没有的特性。因此，它仍然能根据市场 的需求，沿着小型化、高效、低价的方向发展。 西安交通大学城市学院本科毕业生（论文） 2 步进电动机的使用性能与它的驱动电路有密切的关系，随着电力电子技术及微电子技术及其器件的发展，驱动器的面貌不断改变。最初使用的末级功放元件是可控硅。可控硅虽然触发简单，但关断困难，总的来说线路较复杂、易形成误触发、可靠性也差；且不便于调试和维护、抗干扰能力不好。但随着大功率晶体管的发展目前一般不再采用末级功放元件来驱动控制步进电动机。目前，功率开关管多采用
13、功率场控晶体管 (MOSFET)和全控型器件 (IGBT)。功率集成电路(PIC)将功率器件、前级驱动电路、控制电路 及保护电路等都集成在一起，具有较强的功能和较大的输出功率。用这种器件做成步进电动机驱动器，具有结构简单、性能稳定及运行可靠等优点。目前已应用于中、小功率步进电动机的驱动。驱动器控制电路发展的一个重要方面是集成电路专用芯片的采用。如 F/V 变换器(LM2917)， V/W 变换器 (SG3525， TL494)，微步控制与功率器件集成在一起的芯片 (A3955SB)等，更使步进电机驱动器的研制上了一个新台阶，使其性能指标有了显著的提高。使步进电动机的控制系统达到了一个新的水平。
14、其它一些控制技术，如矢量控制，模糊控制，神经 网络控制等也获得了飞速发展和应用。步进电动机今后的发展，依赖于新材料的应用，设计手段的完善，以及与驱动技术的最佳配合。首先，精确的分析和设计，模型的建立和完善，是一项重要的基础研究，至今还有很多工作要做，它可以为各类问题的深入分析提供基础，为优化设计指出方向。其次，电力电子技术、微电子技术的发展，高性能永磁材料的应用及优化设计技术起到明显的作用自不待说，驱动技术改进的作用也不容忽视，特别是微步驱动技术的应用和成熟，使步进电动机的分辨率和特性与相数的关系不大，对步进电动机的设计，今后的发展会产生很大的影响，也 提出了一系列新的研究课题和方向。 1.2
15、 研究主要内容及其意义 随着步进电动机系统在各种数字控制系统中的广泛应用，各种数字控制系统随步进电动机性能和使用条件的要求也越来越高。这就要求不断研制出高性能高可靠性高集成化低价位的驱动器和低成本的单片机控制满足需求。众所周知，国内对这方面的研究一直很活跃，但是可供选用的高性能的步进电动机驱动器却很少，而且国内的驱动器方面基本都存在着体积大、外形尺寸不规则、性能指标不稳定及远没有达到系列化等问题，这就给驱动器的选用和安装带来了极大的不便，另外，随着国内单片机技 术的发展，更精度的步进电动机控制技术也得到很大的发展。国外虽然有通用的各种类型的步进电动机驱动器，但大都存在价格昂贵，与我国的系统连接不匹配等问题。步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器；在驱动电源的设计方面目前采用更多
