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1、内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书题 目： 基于单片机的电机控制学生姓名： 学 号：专 业：测控技术与仪器班 级：指导教师： 中文摘要步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的控制系统。本设计采用AT89S51单片机实现对步进电机的控制。通过单片机的I/O来实现对步进电机的控制，用uln2003来驱动步进电机，并且使用了发光二极管LED来显示步进电机的转速，在单片机的P1口使用四个LE
2、D来作为控制的标志。用独立连接式非编码键盘来对电机的状态进行控制。关键词：步进电机，单片机，AT89S51，发光二极管目 录第1章 前言 1.1什么是步进电机51.2步进电机的基本特性61.3步进电机的静态指标及术语6第2章 总体方案设计2.1步进电机原理及控制技术6 2.1.1步进电机原理简述7 2.1.2步进电机控制技术简述72.2总体设计方框图9第3章 硬件设计3.1主要仪器93.2主要芯片说明9 3.2.1 28BYJ-48四相步进电机9 3.2.2 ULN2003 9 3.2.3 STC89C52RC 11 3.2.4 MT03641BR八位共阳数码管143.3 电路说明15 3.3
3、.1控制电路16 3.3.2驱动电路16 3.3.3 显示说明17第4章 软件设计4.1上位机主程序流程图184.2下位机程序流程图194.2.1电机运行子程序流程图20第5章 总结21参考文献附录A硬件原理图附录B：上位机程序附录C：下位机程序第一章 前言步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、驱动及保护电路
4、、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计。实现了步进电机运行。 随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛
5、的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。1.1什么是步进电机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。 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
6、系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 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。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 1.2步进电机的基本特性步进电机有如下特点： （1）步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。 （2）由步进电机与驱动电路组成的开环
7、数控系统，既非常方便、廉价，也非常可靠。同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 （3）步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 （4）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。 （5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电源。 （6）步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强。 1.3步进电机的静态指标及术语相数：产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用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A
8、BBCCDDAAB,四相八拍运行方式即AABBBCCCDDDAA。 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（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角为50齿角电机为例。四相运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度，八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度。 定位转矩：电机在不通电的状态下，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）。 静转矩：电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。但过分采用
9、减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。第二章 总体设计方案2.1 步进电机原理及控制技术2.1.1步进电机原理简述由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备-步进电机控制驱动器，典型步进电机控制系统：控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分
10、配器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的。2.1.2步进电机控制技术简述步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。从结构上看，步进电机分为四相相单四拍、四相双四拍和四相八拍3种，其基本原理如下：（1）步进电机换相顺序的控制通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，四相步进电机在单四拍的工作方式下，其各相通电顺序为ABCDA，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通断。四相双四拍的通电顺序为ABBCCDDAAB，四相八拍的通电顺序为AABBBCCCDDDAA
11、。本实验则是单四拍，所以我们需要知道步进电机时序表和时序图步进电机的时序表和时序图分别如下图所示单四拍控制表步序控制位工作状态控制模型DCBA11110A0E21101B0D31011C0B40111D07单四拍时序图（2）步进电机的换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四相单四拍，即ABCDA，。如果按反序通电换相，即ADCBA，则电机就反转。其他方式情况类似。（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。两个脉冲的间隔越短，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试。（4）步进
12、电机的起停控制步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。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，跳过电机运行的平稳性。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，使步进电机转轴不能自由转动（5）步进电机的加减速控制在步进电机控制系统中，通过实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于惯性跟不上电信号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。所有步进电机在启动时，必须有加速过程，在停止时波形有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程频率变化规律是整个
13、加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，有了这些数据，才能有效地对电机进行加减速控制。2.2总体设计方框图（图1）系统方框图第三章 硬件设计3.1 主要仪器1、STC89C52RC单片机芯片 一片2、ULN2003驱动芯片 一片3、MT03641BR八位共阳数码管芯片 一片4、28BYJ-48电机 一个5、按键 四个3.2主要芯片说明3.2.1 28BYJ-48四相步进电机主要技术参数相数：四相电压：5VDC电流：92mA电阻：130步距角：5.625空载牵出频率：800pps 空载牵入频率：500pps 28BYJ-48图减速比：1/64牵入转矩：78.4mN.m
