1、 南 京 工 业 大 学 毕 业 设 计 题 目：基于单片机的步进电机控制系统设计 学生姓名 ： 学 号： 专 业：电气工程与控制科学学院 班 级 ： 指导教师： 杨道业 2016 年 6 月 I 基于单片机的步进电机控制系统设计 摘要 步进电动机是一种 由 电 脉冲信号 控制 的执行元件，由于 它 具有 易 控制、体积 小 等 特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和 打印机 等方面有着 广泛应用。 微电子技术的普及与应用以及微型计算机的飞速发展，逐步进入电机应用领域，这 使得 之前用硬件电路构成 大而 复杂的控制器 ，现在 可以 用软件 来 实现。 这不仅降低了硬件成本，又提
2、高了控制的灵活性、可靠性及多功能性。 由于 步进电机具有 瞬 时 启动，急速停止，精度高等特点 ，用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此设计出基于单片机的步进电机控制系统具有 极大的价值和 广泛的应用 。 本文 课题 主要研究了基于单片机的步进电机系统的 论证 设计。课题内容包括 概述步进电机与单片机的 工作 原理，对步进电机驱动 电路进行了分析 ，以及对系统硬件 电路及程序进行了设计与测试。 步进电机控制系统的 设计 采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效 降低 系统开发的 时间 与 成本。 利用 protues 仿真软件完成电机的正反转、加减速、启动停止等基础功能， 利用 单片机、
3、步进电机驱动芯片、字符型 LCD 和键盘阵列 等元件模块 ，设计了以 控制器 与 驱动器为一体的步进电机 仿真 控制系统，实现了对步进 电机的 方位设定、 位置控制 等功能 ， 并 实时显示 出 步进电机的工作状态。该系统 的硬件组成主要包括控制电路、显示电路、报警反馈电路以及驱动电路 组成， 根据硬件电路设计出相应的软件程序 ， 进行调试与分析。该设计系统具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点。 关键词 ：步进电机 驱动电路 单片机 仿真控制系统 II Design of stepping motor control system based on single chip microcomp
4、uter Abstract Stepping motor is a kind of by electric pulse signal to control actuator, because it is easy to control, small size and other characteristics, so in the CNC system, automatic production lines, automatic instrument, drawing machine and printer has a widely application. The popularizatio
5、n and application of microelectronic technology and rapid development of micro computer, and gradually into the application field of the motor, which makes before hardware circuit controller of large and complex can now be used software to achieve. This not only reduces the cost of hardware, but als
6、o improves the flexibility, reliability and functionality of the control. Because of the stepper motor with instantaneous start, rapid stop, high accuracy, and with the composition of the open loop system is simple, cheap, and very practical. Therefore, the design of based on single-chip stepper mot
7、or control system has great value and broad application. This paper mainly studies the design of the stepper motor system based on single chip microcomputer. The content of the subject includes the principle of step motor and single chip microcomputer, the stepper motor drive circuit is analyzed, an
8、d the system hardware circuit and program are designed and tested. The design of stepping motor control system adopts the method of software and hardware co simulation, which can effectively reduce the time and cost of the system development. Using Protues simulation software to complete the motor p
9、ositive inversion, deceleration and stop start and other basic functions, using single chip microcomputer, stepping motor drive chip, character type LCD and keyboard array element module, the design of the controller and the driver for one step into the simulation of motor control system, realizes t
10、he function of the stepper motor range setting, position control and real-time display of a step into the working state of the motor. The hardware of the system consists of control circuit, display circuit, alarm feedback circuit and drive circuit, the corresponding software program is designed acco
11、rding to the hardware circuit, and the debugging and analysis are carried out. The design system has the characteristics of clear thinking, high reliability, strong stability and so on. Keywords: stepping motor ;drive circuit;single chip microcomputer;simulation and control system III 目录 第一章 绪论 . 1
12、1.1 课题背景 . 1 1.2 课题的目的和意义 . 1 1.3 课题的内容 . 2 第二章 步进电机的结构与特点 . 3 2.1 步进电机的构造 . 3 2.2 步进电机的工作原理 . 3 2.3 步进电机的主要特征 . 5 2.4 步进电机绕组的电气特性 . 6 2.5 步进电机的选型 . 8 第三章 设计原理分析 . 9 3.1 设计目的 . 9 3.2 设计要求 . 9 3.3 总体设计方框图 . 9 3.4 设计方案论证 . 10 3.4.1 系统控制方案 . 10 3.4.2 驱动模块方案选择 . 12 3.4.3 最终方案确定 . 14 第四章 步进电机控制系统硬件设计 . 1
13、5 4.1 单片机最小系统 . 15 4.2 控制电路 . 17 4.3 驱动电路 . 18 4.4 显示电路 . 19 4.5 位移越界报警电路 . 20 4.6 状态指示灯显示电路 . 21 第五章 步进电机控制系统软件设计 . 22 5.1 主程序设计 . 22 IV 5.2 LCD 显示程序设计 . 24 5.3 转速控制程序设计 . 26 5.4 程序设计 . 27 5.5 角度设定程序设计 . 27 5.6 位移设定程序设计 . 29 第六章 仿真结果与分析 . 33 6.1 整体硬件设计图 . 33 6.2 测试 . 33 6.3 误差分析 . 37 第七章 总结 . 39 参考
14、文献 . 40 致 谢 . 42 南京工业大学本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 课题背景 步进电机作为控制执行 器 ， 广泛应用于各种控制领域 1。 当 需要 精确控制 角度 方位 时 ，步进电机 的使用将会很好解决实际问题 。 随着 微电子技术和计算机技术的 飞速 发展 2， 各行业 对步进电机的需求日益增加，它已被 普遍 应用于各个经济领域。 步进电机是 在 国外发明的。中国在文化大革命中 就 已经 开始应用和生产 ，例如 北京、 浙江、 江苏 、四川都 可以 生产， 而且 在各行业 开始逐步 使用， 目前 驱动电路的半导体器件 大多 能做到完全国产。 当时是全分立元器件构成
15、的逻辑运算电路 3，还有电容耦合输入的计 数器，触发器，环形分配器。当前， 国外对步进电机的控制和驱动 研究的 一个重要的发展方向，是大量的研发专用芯片 ， 结果就是让 驱动器的体积 变得相当小，与此同时还可以 明显提高驱动系统的整体性能。 对于 一类相对典型的芯片，其核心 是 采用硬件和微程序， 用来 保证步进电机 能够 实现合理的加速和减速过程 。对于 4像日本的 ppmc101b这样的 开环步进电机， 能够具有 一个 适合实际情况 的加减速过程， 并且还 可以使 它的运行速度 达到很高的水 平 ，而不会导致 过冲或失步。采用 像 这类专用集成电路可 以 驱动 3 5相电路， 其设定的转速
16、范围、加减速的过渡时间 及上升下降的陡度可根据负载选定，此外还有单步运转和不同的停止方式。 1.2 课题的目的和意义 随着自动 化控制 技术的进一步应用和发展 5，以及数字化、智能化技术的日益发展， 步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用。 相应地，其控制系统也必定 需 要 升级 发展， 特别是智能化技术应用方向的发展将会成为步进电机的下一步发展趋势。 之 前的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路 或 者集成电路， 它不仅增加了安装调试的复杂度， 还会 消耗大量的 组件 ，而且一旦改变了控制方案， 就 必须重新 去 设计 系统 ， 包括电路的设计与测试、元器件的更换与调试，从而 不利于系
17、统的升级。基于单片机的控制 系统 6，通过软件对步进电机进行控制，可以更好的发挥步进电机的潜力，能够用最低成本去优化系统，大大节约了第一章 绪论 2 系统升级的难度与成本。 用微型单片机 7控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求，因此，设计出一套稳健的基于单片机的步进电机控制系统 对于各行业使用需求 具有十分重要的意义。 1.3 课题的内容 本论文所选的 是 四相 步进电机 ，所用控制 方法是 由 单片机 CPU 控制 产生相序 脉冲 ，再经过 驱动电路形成对 步进电机的驱动 电流 。步进电机 的运行控制主要是通过外部的电脉冲 的输入。 当步进 电机的 驱动器接收到一
18、个脉冲信号 的时候 ，它会进行相应的 电流信号分配以及 功率放大 ，直到可以达到驱动步进电机的电流和电压 8。这时步进电机的绕组开始具有电流，产生电磁力，拖动转子开始运动。步进电机的转子 会根据一个固定的旋转角度来 转动 （称为 “步 距 角 ”） 。在驱动电路设计的过程中，通过 对驱动电路设置保护线路 9，反馈输出电流以达到过电流保护。 由此可见， 步进电机的 旋转是以固定的角度 增量驱动 运行 的。 根据这个工作原理，就可以 通过 产生 脉冲 的 个数来控制 步进电机的角偏移量 ， 从而达到准确定位的目的 。在此基础上，系统 可设计 出 角 度 定位控制与位移定位控制等 功能仿真 系统来
19、模拟 步进电机的实际应用 10。此外，电机的 运行速度 和 旋转方向 可以通过控制脉冲频率 与相序 来改变，从而达到调节速度 、控制方向 的目的。 本课题的主要研究内容如下： 1. 分析 步进电机的 特点与 工作原理，选择合理的驱动方式 。 2. 确定 合适的系统控制器，即单片机型号，分析其 各个 引脚功能。 3. 根据设计要求，提出设计方案，论证每个方案，达成最终方案。 4. 设计 本课题的 控制系统硬件电路图， 以及 软件 程序 设计，要求系统稳定可靠，操作方便，满足各 项 系统要求。 5. 测试各项系统功能，分析数据，得出结论 。 本课题系统测试是使用 protues软件作为仿真平台。
20、Protues软件 11是由英国Labcenter electronics公司研发的 EDA工具软件，它不仅具有其它 EDA工具软件的仿真功能，还能有效仿真单片机及外围器件。这是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。依靠这个强大的仿真平台，可以很大程度上提高系统设计的进度 。 南京工业大学本科毕业设计（论文） 3 第二章 步进电机的结构与特点 2.1 步进电机的构造 步进电机 属于 是无电刷电机 3，因此需要较少的维护。 由于它是 通过脉冲输入进行 增量步进 驱动，这使得步进电机在许多角度与位移控制中非常 受欢迎。 根据他们内部结构的不同，可以分为下面三大类： (1)反应式 :它的定子由铜制绕
21、组构成， 组成转子的材料是 软磁 结构 。 其特点就是 结构简单、成本低、步距角小 ， 但动态性能差、效率低，适合精度要求不太高的场合 。 (2)永磁式 :此步进电机 转子 的材料 是 永磁体 。 这种步进电机 12的转子和定子的两极数量是一样的。它的优点是有着 良好的动态性能和较大的输出转矩 ； 缺点是 电机 精度 相对 差， 同时步进角较大 。 在这三种步进电机中，用途相对较少。 (3)混合式： 混合式步进电机 4整合了 前面两个 步进电机的 结构 优势 。 定子和转子上分布 着多个小齿，能够显著提高步矩的精度。 铜制绕组构成它的定子，永磁体组成它的转子。 它的优点 是输出力矩大、动态性能
22、好， 步距角小，控制精度相对高，缺点就是 结构 相对 复杂、 设计 成本 较高，总的来说，适用于高精度的场合，具有突出的性能应用。 步进电机主要 由转子和定子 两部分 组成， 它们均由磁性材料构成， 如图 2-1所示： 图 2-1 步进电机结构图 2.2 步进电机的工作原理 步进电机是一种 受脉冲驱动的电机。它的 工作原理 4是给电机的 绕组按一定第二章 步进电机的结构与特点 4 的相序分时输入直流电 流。当 一系列的脉冲信号 产生 ，步进电机就会 开始连续 的转动。 下面就以四相步进电机为例 ： 首先需要进行脉冲分配，脉冲分配作用就是产生不一样的通电顺序。 单四拍的通电顺序为： A-B-C-
23、D-A；双四拍的通电顺序为： AB-BC-CD-DA-AB。 正常情况下，步进电机若要正常运行，就必须严格按照此通电顺序。当电机 如 需 要反转时 ，则 可以将 通电顺序 逆反 。 在反转状态下， 单四拍通电顺序为： A-D-C-B-A；双四拍 通电顺序 为： BA-AD-DC-CB-BA。 四相步进电机结构 示意图与工作时序 波形图 如下： 图 2-2 结构 示意图 图 2-3 四相电机 工作时序波形图 工作时序 脉冲分配如下表所示： 表 2-1 四相单四拍脉冲分配表 A B C D N 1 0 0 0 N+1 0 1 0 0 N+2 0 0 1 0 N+3 0 0 0 1 南京工业大学本科
24、毕业设计（论文） 5 表 2-2 四相双四拍脉冲分配表 2.3 步进电机的主要特征 （ 1）步距角 指每给一个电脉冲信号 对应步进电机转子转动的角度 。 b=z/NZ = 2/NZ（ N 是工作拍数， Z 是转子的齿数）。 （ 2）保持转矩 13 保持转矩（ HOLDING TORQUE）是指步进电机的绕组已经开始通电流，但转子还没有转动，此时定子锁住转子的力矩。一般来说，在低速时，步进电机的力矩会近似保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，所以保持转矩 是作为步进电机非常重要的衡量参数之一。比如，平时指步进电机为2N.m，一般而言就是指它的保持转矩是 2N.m。 （ 3）定位
25、转矩 14 定位转距是指电机绕组 各相在 不通电 的 情况下 ， 同时 作为开路状态， 所 产生的磁场所形成 的转距。 对于混合式步进电机，它的转子是永磁材料，其 定位转距一般 远小于保持转距。 而就反应式步进电机而言，因为转子不带磁性，所以没有定位转矩。这是混合式与反应式步进电机重要区别的参数。 （ 4）响应频率 指在无负载时 ，突然给电机加上某一个频率的脉冲使转子从静止状态启动，保证转子 不失步 且 正常运行的最高脉冲 频率，也被称为启动频率 16。 当脉冲频率比这个值大的时候，电机会启动不正常，从而可能出现堵转或者丢步。当出现堵转的时候，会时时发出啸叫声。在有负载的情况下，响应频率应更低，它反映了步进电机跟踪的快速性。 （ 5）运行矩频特性 A B C D N 1 1 0 0 N+1 0 1 1 0 N+2 0 0 1 1 N+3 1 0 0 1
