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1、南京邮电大学毕 业 设 计（论 文）题 目： 基于单片机的步进电机控制系统设计 专 业： 电气信息 学生姓名： 班级学号： B06050927 指导教师： 指导单位： 自动化学院 日期：2010年 3月15日至2010年 6月 2日摘 要随着自动控制系统的发展和对高精度控制的要求，步进电机在自动化控制中扮演着越来越重要的角色，区别于普通的直流电机和交流电机，步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为控制执行元件，是机电一体化的关键组成之一, 广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。凡需要对转角和速度进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。随着集成电路和计算机技术的发
2、展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有广泛应用。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且定型之后，要改变控制系统方案就要重新设计控制电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，不仅方便调试，而且功能更加灵活。本课题主要涉及步进电机的原理，驱动电路设计，控制系统设计。通过对步进电机的控制系统设计，可以充分了解步进电机的运行原理及控制方法。详细介绍步进电机的原理，几种驱动方案的区别和优缺点，控制流程，控制方案选择，步进电机的选择等，代码的实现等。可以在
3、不改变外部器件的前提下，通过键盘和改变程序参数来实现各种各样的功能，具有很大的灵活性。关键词：步进电机、控制流程、驱动ABSTRACTWith the development of automatic control systems and the requirements of high-precision control,stepper motor control in automation plays an increasingly important role,different from the common DC and AC motor,stepper motor can rot
4、ate the angle and rotation speed of high-precision control. As the implementation of stepper motor control components, stepper motor is a key component of mechanical and electrical integration, widely used in a variety of automatic control systems, and precision machinery and other fields. Where the
5、 need for precise control of angle and speed of the case, stepper motor is of the best. With the development of integrated circuits and computer technology, there is increasing demand for stepper motor, and are widely used in various economic fields . The original stepper motor control system compos
6、ed of discrete components or integrated circuit control loop.It not only increases the debug installation complexity, spends a lot of components, and once after setting, to change the control scheme had to be re-designed control circuit. Computer can be used to control stepper motors, can better dig
7、 out the motors potential. Thus, computer-controlled stepper motor has become an inevitable trend, not only to facilitate debugging, and functions more flexible. These issue mainly relate to the principle of stepper motor, drive circuit design, control system design. By stepping motor control system
8、 design, we can fully understand the principle and operation of stepper motor control. Details of the stepper motor principle, several advantages and disadvantages of the difference between driving programs, control flow, control plan selection, selection of the stepper motor, the code realization.
9、Not to change the premise of the external device but through the keyboard and change the program parameters to achieve a variety of functions, which has great flexibility.Keywords : Stepper motor, control flow, drive circuit 目 录摘 要IIABSTRACTIII第一章 绪论11.1步进电机的发展概况11.2步进电机的原理及控制11.2.1步进电机的原理11.2.2步进电机
10、的特点61.2.3步进电机的控制7第二章 步进电机的加减速控制82.步进电机加速方案的提出82.2 线性加速82.3 指数型加速102.4 S型加速112.5 步进电机失步的原因11第三章 控制系统设计123.1 控制流程简介123.2 键盘扫描143.2.1 线反转法163.2.2 行扫描法163.2.3 循环扫描173.2.4 中断法173.2.5 定时器扫描法183.2.6 键盘的消抖193.2.7 几种键盘扫描法的比较223.3 脉冲的产生方法233.3.1 定时器产生脉冲233.3.2 函数延时法24第四章 步进电机的驱动方式244.1步进电机的运行方式介绍244.2 不同运行方式的
11、优缺点264.3如何选择合适的步进电机27第五章 硬件电路测试与实验结果285.1基本功能的实现情况28结束语28参考文献30附录31南京邮电大学2010届本科毕业生设计（论文）第一章 绪论步进电机是将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、转动感的角度、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，加上步进电机在不超载情况下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1.1步进电机的发展概况步进电机最早是在1920年代由英国人发
12、明。50年代后期，晶体管的发明也促进了在步进电机的发展使其对于数字化的精确控制变得更为容易。此后经过不断改良，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。在生产过程中要求效率高、自动化、省人力的机械中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以位置控制、重视速度、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机最为常见。1.2步进电机的原理及控制1.2.1步进电机的原理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，一般情况下并不需要闭环控制。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，给电机加一个脉冲信号，
13、电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，以及步进电机只有周期性的误差而无累积误差的特点，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，同时电路无需闭环反馈，电路简单。下面简要介绍一下步进电机的构造，图1和图2为四相步进电机的内部构造。图 1 步进电机内部构造开始时，开关SB接通，SA、SC、SD断开，B相和0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当SC接通，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿
14、， 0、3号齿和A、B相绕组产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。如果按照相反的方向来发送脉冲，则步进电机的转动方向正好相反。单四拍、双四拍和八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：图2.步进电机工作时序波形图力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d）成正比其磁通量=Br*SBr为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=NI/RNI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考
15、虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。这次选用的的步进电机的牵入转矩40mN，自定位转矩34mN。步进电机的分类：步进电机依其构造上的差异可分为三大类：可变磁阻式（VR型）：转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为15。无保持转矩，所以定位性不好，应用场合不大。永久磁铁式（PM型）：转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依转子材质区分，其步进角有45、90及7.5、11.25、15、18等几种。混和式（HB型）：转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形
