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1、毕业设计报告题 目： 步进电机的单片机控制 专 业 电气工程及其自动化姓 名 莫铭光 学 号 2009219711151 指导教师 杨世永 完成日期 2011 年 5 月摘 要步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。本文应用单片机 AT89C51 和脉冲分配器 PMM8713，步进电机驱动器，光电隔离器 4N25 等，构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。通过 AT89C51 和脉冲分配器 PMM8713 完成步进电机的各种运行控制方式，实现步进电机在 3 相 6 拍的工作方式下的正反转控制和加减速控制。并通过步进电机丝杠连动，带动
2、XY 工作台的直线运动，实现从起点 A 点到预定点 B 点的位移控制。整个系统采用模块化设计，结构简单，可靠，通过人机交互换接口可实现各功能设置，操作简单，易于掌握。该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等大多数场合。实践证明，基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更好的性能，更加简单、方便、可靠。本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执行器件步进电机。关键词: 步进电机，单片机，正反转控制，加减速控制， XY 工作台毕业论文- 3 -目 录第一章 绪论 .11.1 步进电机及其发展 .11.2 步进电机在我国的发展应用及前景 .11.3 本文研究内容 .2第二章 步进电机的分
3、类、结构、工作原理及特性 .32.1 步进电机的概念 .32.2 步进电机的特点 .32.3 步进电机的结构及工作原理 .42.4 步进电机的常用术语 .72.5 步进电机的振荡和失步 .72.6 阻尼方法 .8第三章 步进电机的驱动 .103.1 单电压功率驱动接口 .103.2 双电压功率驱动接口 .113.3 高低压功率驱动接口 .11第四章 步进电机的单片机控制 .134.1 步进电机控制系统组成 .134.2 步进电机控制系统原理 .134.3 脉冲分配 .144.4 步进电机与微型机的接口电路 .16第五章 步进电机的运行控制 .175.1 步进电机的速度控制 .175.2 步进电
4、机的位置控制 .175.3 步进电机的加减速控制 .18第六章 步进电机的程序设计 .206.1 程序框图 .226.2 汇编程序 .24设计总结 .26致 谢 .27参考文献 .28第一章 绪论1.1 步进电机及其发展步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围毕业论文1设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。步进电
5、机的原始模型起源于 1830 年至 1860 年，1870 年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到 20 世纪 60 年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机
6、用得最多。图1.1 步进电机的外观图1.2 步进电机在我国的发展应用及前景我国步进电机的研究及制造起始于本世界 50 年代后期，从 50 年代后期到60 年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的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，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。70 年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对
7、反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。70 年代中期至 80 年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。至 80 年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却
8、非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。1.3 本文研究内容本设计主要是研究基于单片机的步进电机控制，采用单片机 AT89C51 和脉冲分配器 PMM8713 控制步进电机在三相六拍工作方式下的启停控制，正反转控制和加减速控制，以实现基于步进电机的 XY 工作台两点间的位移控制。第二章 步进电机的分类、结构、工作原理及特性2.1 步进电机的概念步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。我们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；同时我们也可以通过控制脉
9、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。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。 从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。2.2 步进电机的特点1. 一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。2. 步进电机外表不允许较高的温度。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
10、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；毕业论文3一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 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）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。5. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
11、6. 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。7. 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。8. 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。2.4 步进电机的结构及工作原理2.4.1 结构步进电机分为转子和定子两部分：1. 定子：由硅钢片叠成的，定子上有 6 大磁极，每 2 个相对的磁极（，S）组成一对，共有 3 对。定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3、2/3, （相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 表示），即 A 与齿 1 相对齐，B 与齿 2 向右错开 1/3，C 与齿 3 向右错开2/3， A与齿 5 相对齐，（ A就是 A，齿 5 就是齿 1）。2. 转子：由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿相同，并且小齿的大小相同，间距相同。2.4.3 工作原理电机的 U1、V1、W1 接电源，分别有三个开关控制，U2 、V2、W2 分别接地。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（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电
