1、江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 1 页 共 45 页基于单片机的步进电机控制系统设计摘要：步进电动机由于用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用汇编语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片 ULN2004 以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来。本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法
2、。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。关键词：步进电机；脉宽调制；驱动机构；单片机；转动江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 2 页 共 45 页Design of The Control System of Step-motorAbstract: The open-loop system which is composed by step-motor is simple, cheap and very practical, so there are very wide range of applications in printers and other
3、 office automation equipment and various control devices, and many other fields. This article describes one design of step-motor system based on microcontroller.The program of the preparation of a motor , reverse, speed up, slow down, stop is written by compile language. The above functions are real
4、ized through the microcontroller, motor driver chip ULN2004 and correspond key , and the work state of stepper motor is diaplayed through the light-emitting diode. This article introduces the principle of stepper motor and single-chip microcomputer, the system hardware circuit, the program component
5、s, while software and hardware for the debugging, at the same time introduces the problems which are appeared in the debugging process and the solutions of the problems . The design has the advantages of clear , high reliability, strong stability, etc.,and the above-mentioned functions are realized
6、through the debugging. Key Words: Stepper motor; Pulse-width modulated; driving mechanism; singlechip; rotation江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 3 页 共 45 页目录序言 1第 1 章 绪论 21.1 课题研究的目的和意义 21.2 国内外研究概况 21.3 论文的主要研究内容 3第 2 章 步进电机与单片机简介 42.1 步进电机介绍 42.1.1 步进电机概述 42.1.2 步进电机的工作原理 62.1.3 步进电机的分类与选择 82.2 步进电机驱动系统介绍 92.2
7、.1 步进电机驱动系统简介 92.2.2 步进电机绕组的电气特性 102.3 单片机原理 112.3.1 单片机原理概述 112.3.2 单片机的应用系统 122.3.3 AT89C51 简介 13第 3 章 系统整体硬件结构 173.1 系统整图 173.2 电源部分 183.3 按键部分 183.4 驱动部分 193.5 状态指示部分 203.6 时钟部分 20第 4 章 系统软件设计 214.1 系统开发软硬件环境 214.2 系统主程序 214.3 查键部分 224.4 前进部分 224.5 后退部分 234.6 加速部分 244.7 减速部分 25第 5 章 系统的调试与检测 26江
8、苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 4 页 共 45 页5.1 程序编译时的错误与解决方法 265.2 LM7812 输出电压错误与解决方法 265.3 步进电机转动错误及解决方法 265.4 结论与展望 27参考文献 28致 谢 29附 录 29附录 1：源程序清单 30附录 2：英文资料及其中文翻译 35江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 5 页 共 45 页基于单片机的步进电机控制系统设计序言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。它是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微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频
9、率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。本次毕业设计选用的步进电机是四相步进电机，通过软件和硬件的结合实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速功能，并且步进电机所处的状态用相应的发光二极管显示。主要通过三大块来设计，包括驱动电路的设计、状态显示部分和按键部分是设计。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而精确地控制转动角度；同时可以通过控制
10、脉冲频率来控制电机转动的角度和加速度，从而达到调速的目的。本次论文分为六章，序言简要介绍了此次设计中有关步进电机及其驱动器的相关概念。第 1 章是绪论，主要探讨了步进电机的研究背景和本论文的主要研究内容；第2 章步进电机与单片机的原理；第 3 章系统整体硬件结构；第 4 章系统的软件设计；第5 章系统的调试与检测；最后是参考文献、附录和致谢。通过七章内容的描述，详细介绍了本次毕业设计的内容、方法、以及设计中遇到的问题和解决问题的途径。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 6 页 共 45 页第 1 章 绪论1.1 课题研究的目的和意义步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应
11、的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。1.2 国内外研究概况步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发
12、器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱
13、动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 7 页 共 45 页场合使用。在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。1.3 论文的主要研究内容本论文所选的步进电机是四相步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的
14、驱动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是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。本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速的级别。另外通过单片机实现它的正反转，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。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 8 页 共
15、 45 页第 2 章 步进电机与单片机简介2.1 步进电机介绍2.1.1 步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的
16、输入，所以特别适合于微机控制。本次毕业设计采用的是步距角为 1.8 度的四相八拍永磁式步进电机。步进电机的基本参数： （一）步进电机的静态指标术语1、相数：产生不同对 N、S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示。2、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.3、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。=360 度（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为 50 齿电机为例。四拍运行时步距角
17、为 =360 度/（50*4）=1.8 度（俗称整步），八拍运行时步距角为 =360 度/（50*8）=0.9 度（俗称半步）。4、定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 9 页 共 45 页5、静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。（二）步进电机动态指标及术
18、语：1、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。2、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步3、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输
19、出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。7、电机的共振点： 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在 180-250pps 之间（步距角 1.8 度）或在 400pps 左右（步距角为 0.9 度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使江苏
20、技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 10 页 共 45 页电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 8、电机正反转控制：当电机绕组通电时序为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA 时为正转，通电时序为 DA-D-CD-C-BC-B-AB-A 时为反转。步进电机的特征如下：1、一般步进电机的精度为步进角的 3%-5%，且不积累。2、步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏
21、200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减少，从而导致力矩下降。4、步进电机低速时可以正常转动，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。2.1.2 步进电机的工作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
