1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 车速表步进电机的驱动控制系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等 优点，在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。 本文的研究内容就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，可靠性高的，能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技
2、术结合起来步进电机控制系统。本文首先简要描述了步进电机的发展、应用情况、以及常见的控制系统采用的方案，常见的驱动技术，而且还分析了步进电机的工作原理，然后以单片机为主控制器提出了整个系统的硬件设计方案，在此基础上对各个模块 的电路进行详细的设计，接着阐述了步进电机软件控制开发的流程和程序设计。 关键词： 步进电机，单片机，车速表，控制 - 2 - Abstract Stepping motor is a kind of component using electric pulse signal to control winding elements to realize angular dis
3、placement. Comparing with other electric motor, it is easier to realize accurate control, no accumulated error and so on so forth. Thus, it is got extensive application. In order to gain excellent manipulative result, there appear a lot of stepping motor control system is used widely. Among them, th
4、e system using SCM(Single Chip Microcomputer)as the core part of the control system is used widely. This thesis focuses on how to design a simple step motor control system, which has complete function, strong adaptability, easy to operate, high dependability, mixing electronic technique, SCM techniq
5、ue and motor control technique. This thesis will firstly introduce the development and application situation of stepping motor and some common control system and drive techniques; whats more, it will illustrate the working principle of step motor, then, using SCM as a main controller to put forward
6、the whole system blue print of the hardware design. Based on this, all specific designs on electrical circuit in every module will be followed. Finally, illustrate the steps of how to develop the software of control system and programmed design. Key Words: Step motor, Monolithic integrated circuit,
7、Speedometer, Control - 3 - 目 录 1 引言 .1 1.1课题背景 .1 1.2本课题的研究内容 .1 1.3本课题的研究目的 .2 2 步进电机结构和工作原理 .3 2.1 步进电机的分类 .3 2.2 反应式步进电机工作原理 .4 3 步进电机控制系统 .6 3.1 步进电机控制系统简介 .6 3.2 步进电机常见的控制方式 .6 3.2.1基于电子电路控制 .6 3.2.2基于单片机控制 .7 3.2.3基于 PLC的控制 .8 3.2.4基于 DSP的控制 .8 4 控 制系统的硬件设计 .9 4.1系统各个硬件的选择 .9 4.1.1系统步进电机及其驱动芯片
8、 .9 4.1.2系统的微控制器 . 11 4.1.3系统的接口 .12 4.2车速表硬件电路连接 .13 4.2.1步进电机驱动电路的设计 .13 4.2.2硬件系统的合成 .15 5 软件设计 .17 5.1软件的结构 .17 5.2系统软件流程 .17 5.3系统程序的编写 .20 5.3.1对变量，宏以及包含文件的定义和说明 .20 5.3.2系统初始化定义 .22 5.3.3主函数程序代码 .23 5.3.4主函数程序代码 .24 5.3.5步进电机 LED显示程序以及串口数据输出中断程序 .27 5.3.6 DELPHI软件设计 .28 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献
9、.30 附录 1 源程序 .31 附录 2 实验原理图 .37 - 4 - 附录 3 实验实物图 .38 附录 4 毕 业设计作品说明书 .39 - 1 - - 1 - 1 引言 1.1 课题背景 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为 Stepping motor、Pulse motor或 Stepper servo，其应用发展已有约 80年的历史。可以说步进电动机天生就是一种离散运动的装置，是纯粹的数字控制电动机，步迸电机驱动器通过外加控制脉冲，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转
10、 速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。这些关系在负载能力范围内不随电源电压、负载大小、环境条件等的变化而变化 1。 一般步进电机控制器都可以用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可是价格较贵，功能相对比较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，能灵活的对步进电机进行控制，实现步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就可以了。 本课题主要目的是熟悉单片机的软硬件设计，步进电机的原理及驱动方法 ，最终完成单片机对步进电机的驱动控制。 1.2 本课题的研究内容 本课题所进行的研究内
11、容为 : (1) 运动控制器的硬件电路设计。包括 CPU模块、通讯模块、中断模块等。 (2) 运动控制器的软件设计。包括编译程序、通讯与调试程序、中断程序设计等。 本课题主要研究车速表中步进电机运动控制器，使其具有以下功能： (1) 步进电机可实现正反转，同时能够体现其转动的速度。 (2) 提供工业标准的 RS-232异步串行接口，以实现与计算机的通讯。 (3) 编写计算机界面软件，使其能不断输出数据信息。 (4) 控制器自带 2个 发光二极管，分别显示上电状态和工作状态。 - 2 - - 2 - 1.3 本课题的研究目的 步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移 (或线位移 )的增量运动电磁执
12、行器件，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的同步关系。它在各种自动化控制系统中有着广泛的应用。传统的步进电机所需的数字式电脉冲信号一般都是借助数字逻辑电路来产生。随着嵌入式技术的不断发展，由单片机定时来产生这种脉冲信号的场合越来越多。 本课题主要目的是熟悉单片机的软硬件设计，步进电机的原理以及驱动方法， 采用单片机控制步进电机驱动，最终实现车速表的功能。 - 3 - - 3 - 2 步进电机结构和工作原理 2.1 步进电机的分类 步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式 (VR)、永磁式 (PM)和混合
13、式 (HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机 2。 反应式步进电机：反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，但动态性能较差。 永磁式步进电机：永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身 就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。 混合式步进电机：混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作
14、点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步 机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用 23。由于本设计的设计目的更注重于整个系统的有机结合，所以采用反应式步进电机。 - 4 - - 4 - 2.2 反应式步进电机工作原理 图 2-2 三相反应式步进电机内部结构图 如图 2 2所示 ,三相步进电机由定子和转子两大部分组成。定子有 6个磁极
15、 ,每个磁极有绕组 ,对称的磁极构成 -相控制绕组 ,转子上有均匀分布的 4个齿。 （ a） A相通电 （ b） B相通电 （ c） C相通电 图 2-3 反应式步进电机工作原理图 反应式步进电机是由相控绕组通电使对应的磁极产生磁场 ,并与转子形成磁路 ,由于转子齿槽磁导的差异 ,当定子齿轴线与转子齿轴线不一致时 ,磁极将对转子齿产生吸力 ,进而形成电磁转矩。换句话说 ,由于磁力线具有力求缩短的特性 ,使转子齿轴线转至与定子齿轴线一致 ,转至磁导最大的位置。如果按照一定的顺序给各相控制绕组轮流通电 ,将在定子内空间形成步进式磁极轴旋转 ,转子在反应式电磁转矩的作用下 ,随之做步进式转动 ,由此
16、可见 ,错齿是步 进电机能实现旋转的根本原因 4。如图 2-3所示 ,A相通电， A方向的磁通经转子形成闭合回路若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，使转、定子的齿对齐停止转动。 A相通电使转子 1、 3齿和 A对齐（图 2-3a）。同理，- 5 - - 5 - B相通电，转子 2、 4齿和 B相轴线对齐，相对 A相通电位置转 30度 (图 2-3b)。最后，C想通电，转子 1、 3齿和 C相轴线对齐，相对 B相通电比较，转子再次转动 30度（图2-3c）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按 A C B A .的顺序通电，则电机转子便逆时针方 向转动。这种通电方式称为单三拍方式 56。
