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1、摘要步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移（或线性位移）的电磁装置，是一种特殊的电动机。步进电动机由于精确性以及其良好的性能，其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。本文介绍了以51系列单片机AT89C51为控制核心所设计的步进电机的控制系统，用C语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2004以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来。本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍
2、了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。关键词：步进电机；AT89C51；控制ABSTRACT Stepping motors is a pulse signal transformation into a corresponding angular displacement (or linear displacement) electromagnetic device, is a special kind of motor. Stepper motor due to its good performance and ac
3、curacy, the open loop system composed of is simple, cheap, and very feasible, therefore in the printer and other office automation equipment and various control device and so on varies domain has extremely extensive application. This paper introduces to 51 series microcontroller AT89C51 as control c
4、ore designed by stepping motor control system, written in C out motor are turning, inversion, accelerate, slowing down, stop procedures, through the MCU, motor drive chip ULN2004 and corresponding button above functions, and realize the working state of the stepper motor with corresponding led displ
5、ayed. This paper introduces the contents of stepping motor and single-chip microcomputer principle, the system of the hardware circuit and program of software and hardware, and the debugging, and introduces the debugging process problems and methods to solve the problems. This design has ideas clear
6、ly, high reliability, strong stability by commissioning etc, realized the function.Keyword：Stepping motor；AT89C51；Control 目录第一章 绪论1.1 课题研究的目的和意义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）。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；同时您可以通过控制脉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它最突出的优点是可以在宽广的
7、频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。一般步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分
8、为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。（可以删除）1.2 国内外的研究概括步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，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。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高一些少数高级的应用，
9、就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。在卫星、雷达等应用场合，中国在文化
10、大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。1.3 步进电机的发展步进电机最早在1920 年由英国人开发，1950 年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上步进电动机的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关，产品按结构划分有磁阻式、永磁式和混合型等多种形式近年来，伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步，发达国家已普遍使用性能优越的混合式步进电机，最典型的产品是二相8 极50 齿的电动机，步距角1.80.9（全步半步）；还有五相10
11、 极50 齿和一些转子10齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较的场合驱动技术采用恒相电流与细分驱动相结合，使步进电机在中、小功率控制系统内的精度提高，并逐步向高速大功率应用领域渗透步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI 和MINEBEA 及NPM 公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量还是生产手段，都是世界上最好的我国对步进电动机的研究从1958 年开始，1970 年代以前受苏联的影响，以三相磁阻式步进电动机为主，如1960 年代末为快走丝数控线切割机床研制的BF1840-75，一直延续生产到现在1970 年代受到国内研
12、制生产数控机床和其他数控设备的推动，并受到当时日本数控机床系统的影响，开始发展磁阻式步进电动机的系列产品，以定子6 个极、转子40 齿的三相磁阻式电动机为主，还有定子10 个极、转子100 齿的五相磁阻式电动机和四相电动机等1980 年代开始发展混合式步进电动机，以定子8 极、转子50 齿的二相(四相)混合式步进电动机为主1987 年开始自行设计定子10 极、转子50 齿的五相混合式步进电动机，同时还发展了一些不同于国外的非典型产品，如定子8 极、转子60 齿的二相(四相)混合式步进电动机这是为了与磁阻式步进电动机的步距角相一致转子200 齿的五相混合式步进电动机，转子100 齿的九相(三相)
13、混合式步进电动机，主要特点是具有高分辨率和可变步矩角经过多年的发展，我国步进电机形成一种品种规格繁多的局面，如图1 所示其中最主要的产品系列，一是1970 年代形成的磁阻式步进电动机系列产品在低端应用仍有较多的市场，继续生产；二是混合式步进电机的系列产品，包括引进技术和生产设备，按照国外的设计生产的二相和五相混合式步进电机，以及国内自行开发生产的混合式步进电动机，仍然拥有各自不同的应用领域，短期内很难统一到几个限定的规格品种上。目前，最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：(1) 小型化方向发展，随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套
14、的电动机也必须越来越小，在57、42 机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25 方向向下延伸瑞士ESCAP 公司最近还研制出外径仅10mm 的步进电动机。(2) 改圆形电动机为方形电动机，由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高3040。(3) 一体化设计即，把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能(4) 向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其旋转磁场和电磁转矩不完全对称，振动和噪声较大，
15、而五相和三相电动机则是完全对称的，因此更具有优势性而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。第二章 步进电机和单片机简介2.1 步进电机概述2.1.1 步进电机的概念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步进电机件。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，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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；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）。您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目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。如图1所示。本次毕业设计采用的是步距角为1.8度的四相八
