《单片机课程设计-步进电机控制器设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机课程设计-步进电机控制器设计（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1摘要步进电机是一种以脉冲信号控制转速的电机，它是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，很适合使用单片机来进行控制。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得非常的简单。步进电机分为反应式、永磁式、混合式三类。其中混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，它的动态性能好，控制精度高，是目前应用最为广泛的一种。2目录一 设计目的 .3二 硬件电路设计及描述 .32.1 步进电机
2、的基本特点 .32.2 步进电机的工作原理 .32.2.1 步进电机的启停控制 .32.2.2 步进电机的转向控制 .42.2.3 步进电机的速度控制 .42.2.4 步进电机的换向控制 .42.3 控制系统的硬件设计 .42.3.1 步进电机控制工程方案 .42.3.2 电路设计 .53 系统软件设计 .53.1 总体设计 .53.1.1 步进电机的工作方式 .53.2 程序流程图 .73.3 程序清单 .84 参考文献 .195 结束语 .203一 设计目的利用单片机来控制步进电机的转速、正转和反转，通过改变相序通电来实现正转和反转之间的转变，并且可通过显示步数的改变进一步调节步进电机的转
3、速。步进电机的运行控制涉及位置控制和加、减速控制，其中，位置控制是最主要的控制，本设计要求在位置上实现准确控制（要求转动步数有数字键直接输入） 。使步进电机具有运行步设置，在线正、反转以及启停控制，运行速度在线可调。二 硬件电路设计及描述2.1 步进电机的基本特点步进电机之所以得到广泛应用的原因是由于步进电机有以下特性：（1）步进电机是在脉冲作用下工作，步进电机的速度与加在绕组上的脉冲频率成正比。（2）步进马达具有瞬间启动与急速停止的特性。（3）改变线圈励磁的顺序，就能改变马达的转动方向。2.2 步进电机的工作原理步进电机由定子和转子两部分组成，下面以两相反应式步进电机为例说明步进电机工作原理
4、。两相步进电机的定子上有两对磁极，按 N、S、N、S 分配，每两个相对的磁极组成一队。每对磁极都缠有同一个绕组，形成一相。转子是由软磁材料制成的，其外表面均匀分布着小齿，他们大小相同，间距相等。这些小齿与定子磁极上的小齿的锯齿相同，形状相似。如果按下表的时序给步机绕组通电，步进电机将产生转动，改变相序通电，步进电机的转向将反相，停止发送脉冲，步进电机将停止运转。图一 步进电机结构 通电相序2.2.1 步进电机的启停控制4步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高
5、电机运行的平稳性。在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。 2.2.2 步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。其他方式情况类似。2.2.3 步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲 ,它就转一步 ,再发一个脉冲 ,它会再转一步。2 个脉冲的间隔越短 ,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率 ,就可以对步进电机进行调速。2.2.4 步进电机的
6、换向控制步进电机换向时 ,一定要在电机减速停止或降到突跳频率范围之内再换向 ,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第 1 个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求要有一定的脉冲宽度(一般不小于 5s)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了减速换向加速 3 个过程。2.3 控制系统的硬件设计2.3.1 步进电机控制工程方案基于单片机的步进电机控制方案如下图二所示，系统由键盘、微处理器和功率放大器三部分组成。键盘负责发布命令、输入数据，采用带中断的行列式键盘，微处理器负责将命令转化成控制信号。功率放大器具有信号放大
7、的功能。5图二 单片机控制步进电机原理图2.3.2 电路设计在 Proteus 环境选用下列元器件，设计电路如图三所示（1）IN4003、BUTTON：二极管、按钮；（2）7SEG-MPX4-CA、RESPACK-8、80C51、四位一体共阳极数码管、排阻、单片机；（3）RES、CAP、CAP-ELEC、AND-4、CRYSTAL：电阻、电容、电解电容、4 输入与门、晶振；（4）MOTOR-BISTEPPEA、L298：步进直流电机、电机驱动模块。图三 单片机控制步进电机原理图3 系统软件设计3.1 总体设计3.1.1 步进电机的工作方式（1）三相单三拍工作方式在这种工作方式下,A、B、C 三
8、相轮流通电,电流切换三次,磁场旋转一周,转子向前转过一个齿距角。因此这种通电方式叫做三相单三拍工作方式。这时步距角 b (度)为 b = 360 /mz (公式 1)式中:m定子相数; z 转子齿数单三拍的数学模型：6控制位步序P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2C 相P1.1B 相P1.0A 相工作状态控制模型1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H2 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02H3 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04H（2）三相六拍工作方式在这种工作方式下,绕组以 AABBBCCCAA 时序(或反时序)转换6 次,磁场旋转一周,转子前进一个齿
9、距,每次切换均使转子转动 1. 5,故这种通电方式称为三相六柏工作方式。其步距角 b 为:b = 360 /2mz = 180 /mz(公式 2)六拍的数学模型：控制位步序P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2C 相P1.1B 相P1.0A 相工作状态控制模型1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H2 0 0 0 0 0 0 1 1 AB 03H3 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02H4 0 0 0 0 0 1 1 0 BC 06H5 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04H6 0 0 0 0 0 1 0 1 CA 05H（3）双三拍工作方式这种工作方式每次都是有两相导通,两相绕组处在相同电压之下,以 ABBCCAAB (或反之)方式通电,故称为双三拍工作方式。以这种方式通电,转子齿所处的位置相当于六拍控制方式中去掉单三拍后的三个位置。它的步距角计算公式与单三拍时的公式相同。极分度角/齿距角= R + k1/m进一步化简得齿数 z:z = q (mR + k) (公式 3)式中:m相数; q每相的极数; k (m - 1)的正整数;R正整数,为 0、1、2、3。双三拍的数学模型：控制位步序P1.7 P1.6 P1.5 P1.
