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1、步进电机控制系统的设计东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 课 程 单片机课程设计 题 目 步进电机控制系统的设计 院 系 电气信息工程学院测控系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 刘霞 张岩 2012年 3 月 19日2东北石油大学课程设计任务书课程 单片机课程设计 题目 步进电机控制系统的设计 专业 测控技术与仪器 姓名 学号 一、任务设计一款基于AT89C51单片机的步进电机控制系统，实现对步进电机转速、方向控制。二、设计要求1 采用AT89C51单片机，完成对步进电机转速、方向控制的设计方案。2 写出详细的设计报告。3 给出电路原理图和软件程序源代码清单。三、参考资料1 张家生
2、.电机原理与拖动基础M.北京：北京邮电大学出版社，2006. 2 马淑华，王凤文，张美金.单片机原理与接口技术M.北京：北京邮电大学出版社，2007.3 顾德英，张健，马淑华.计算机控制技术M.北京：北京邮电大学出版社，2006.4 华成英，童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2008.5 张靖武，周灵彬.单片机系统的PROTEUS设计与仿真M.北京：电子工业出版社，2007.完成期限 2012.3.19至2012.3.30 指导教师 刘霞 张岩 专业负责人 曹广华 2012年 3月 18 日目录第1章 绪论11.1 引言11.2 步进电机及其发展11.3 研究的内容2第2章总体
3、方案论证与设计32.1 步进电机原理及控制技术32.2 方案论证52.3 总体硬件组成框图52.4 元器件介绍6第3章系统硬件设计93.2 最小系统103.3 驱动电路103.4 显示电路113.5 总体电路图12第4章系统的软件设计134.1 主程序设计134.2 定时中断设计144.3 外部中断设计15第5章系统调试与测试结果分析175.1 软件调试记录175.2 硬件调试记录17结论18参考文献19附录1 程序20附录2 仿真效果图23常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计电子烧友会_专为烧年而生你的想法我来实现，有梦想就有天地专业承接:1.单片机系统课题C程序开发设计2.PCB洞洞
4、板、腐蚀板系统设计、打样、焊接3.单片机电子类产品diy散件套件BOM配单4.成品实物设计方案可行性Protues仿真实验测试5.配套资料齐全，服务体系完善6.诚信经营，正品保证，你值得信赖！7.单片机课题项目开发、电子、电气、PLC、变频器、触摸屏项目实施欢迎进店详谈，期待与您的合作！http:/ 绪论1.1 引言单片机是现代电子技术、计算机技术的新兴领域，以单片机为代表的嵌入式系统的出现标志着现代电子系统时代的到来。采用嵌入式系统集成器件，将电子系统的设计从单纯的硬件设计变为智能化的硬、软件设计，从而使现代电子系统软硬结合，具有智能化、系统功能，具有柔韧性及激励-运行-响应等特点。目前，单
5、片机的价格己很低廉，这使得单片机的应用更为广泛，因此就有可能比较普遍地应用微机来控制各类电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制，例如在适当的时刻让小型电动机起动、制动或反转之类，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电动机的动作。至于复杂的控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机
6、的性能有很大的提高。例如传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电动机的调速性能很好，但带有机械换向器。有机械磨损及换向火花等问题，交流电动机，不论是异步电动机还是同步电动机，结构都比直流电动机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而又经济地调节。交流电机采用正弦脉宽调制方式进行变频调速是比较理想的，但若要用普通的模拟电路或数电路完成这一任务，电路相当复杂，用微机控制就简单多了。若要进一步提高调速精度及动态性能，可采用矢量控制方案，它的调速性能将与直流电动机相当。但矢量控制比较复杂，用传统的模拟电路或数电路很难做到，而应用微机控制则能方便地实现。1.2 步进
7、电机及其发展步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为Stepmotor或Stepping motor， Pulse motor，Stepper servo，Stepper等等。目前，随着电子技术拉制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。这是机电一体化元件组件的必然趋势。就传统的步进电机来说，可以简单地定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位里而静止的电动机。从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电机。步进电机的机理是基于基本的电磁
8、铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氮弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。不久又在缺乏交流电源的船泊和飞机等独立系统中广泛应用。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，而半导体技术的发展则推进了步进电机在众多领域的应用。在近30年间，步进电机迅速地发展并成熟起来，从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机，以及同步电机并列，从而成为电机的一种基本类型。传统的步进电机一般可分为永磁式步进电机(PM Step Motor)，反应式
9、步进电机(VR Step Motor)和混合式步进电机(Hybrid Step Motor )三种。永磁式步进电机类似于永磁转子的同步电机，转子上安装有永磁体，但定子一般为集中式绕组。反应式步进电机靠变磁阻原理运行，没有永磁体。混合式步进电机最初是作为一种低速驱动用的交流同步电机而设计的，后来发现如果各相绕组通以直流脉冲，这种电机也能步进运动。它的转子嵌有轴向充磁磁钢，主要依靠定转子磁场相互作用产生转矩，由于它特殊的结构，它的步距角远小于永磁式步进电机，也可看成是一种极对数很多的永磁式转子同步电机。我国步进电机的研究及制造始于本世纪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
10、研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高水平。70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。自80年代中期以来，由于对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。自本世纪中叶，步进电机的应用渗进到数控制的各个领域，尤其在（数控）机械中广泛利用其开环拉制的特点。近十几年来，步进电机在FA机器(Factory Automation)和计算机外部设备等领域作为控制用电动机和驱动
11、用电动机而广泛使用。1.3 研究的内容本论文研究的是反应式步进电动机驱动控制系统，以MCS-51系列单片机8951为核心控制器，采用分频和频率选择控制电机速度，采用细分驱动控制方式，选用8713脉冲分配器，它可以驱动三相、四相反应式步进电动机。本设计内容主要是基于单片机的反应式步进电动机驱动控制系统硬件设计，包括控制部分硬件设计、驱动部分硬件设计、电源供电部分的设计和系统软件部分设计。第2章总体方案论证与设计2.1 步进电机原理及控制技术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如图2-1所
12、示：图2-1 步进电机运行过程中频率变化曲线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，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，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍
13、和三相六拍3种，其基本原理如下：1换相顺序的控制通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式下，其各相通电顺序为ABCA，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。三相双三拍的通电顺序为ABBCCAAB，三相六拍的通电顺序为AABBBCCCAA。 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三相六拍，即AABBBCCCAA。如果按反序通电换相，即AACCCBBBAA，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，
