1、1毕业设计(论文)说明书题 目：单片机实现的步进电机控制系统 系 别： 电子工程系 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 2摘 要：步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 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，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机具有控制简便、定位准确等特点。随着科学技术的发展,在许多领域将得到广泛的应用。鉴于传统的脉冲系统移植性不好,本文提出微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,用软件的方法产生控制脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。以简化控
2、制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。本设计主要就是将步进电机与单片机紧密联系起来，通过单片机的驱动程序来控制步进电机的各种运行动作，以实现传统的步进电机的高度自动化。步进电机按结构分类：步进电动机也叫脉冲电机，包括反应式步进电动机（VR） 、永磁式步进电动机（PM ） 、混合式步进电动机（HB ）等。 反应式步进电动机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达 20A，驱动电压较高）
3、；步距角小；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。永磁式步进电动机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于 2A，驱动电压 12V） ；步距角大（例如 7.5 度、15 度、22.5 度等） ；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。混合式步进电动机：也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电动机没有区别（但同一相的两个磁极相对，
4、且两个磁极上绕组产生的 N、S 极性必须相同） ，转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽） 。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小） ；步距角较永磁式小（一般为 1.8度） ；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电动机。本设计采用 AT89S52 单片机为核心对步进电机进行控制，并且辅以必要的外围器件和电路，通过 IO 口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经驱动芯3片 ULN2003 驱动步进电机；同时，用键盘对电机的转向正转、反转和转速加速、减速进行控制。 关键词：单片机 AT8
5、9S52；驱动 ULN2003a；控制；步进电机。4AbstractStepper motors as actuators, electromechanical integration is one of the key products, widely used in a variety of automatic control systems. With the development of microelectronics and computer technology, increasing demand for stepper motor, all applications in a
6、ll areas of the national economy. Stepper motor control with simple, accurate positioning and so on. With the development of science and technology in many areas will be widely used. The traditional migration of poor impulse system, microcomputer control system is proposed to replace the pulse gener
7、ator and pulse distributor, produced with the software solution control pulses can be arbitrarily set by software programming of step motor speed, rotation, rotation number and control the stepper motor running. To simplify the control circuit, reduce production costs, increase efficiency and flexib
8、ility of the system. The key is to design single chip stepper motor and closely linked, through the microcontroller to control the stepper motor driver run a variety of actions to achieve the conventional stepper motor high degree of automation. Stepper motor according to types of structure: stepper
9、 motors, also called pulse motor, including the Step Motor (VR), permanent magnet stepper motor (PM), hybrid stepper motors (HB) and so on. Step Motor: also known as induction, hysteresis or reluctance type stepping motor. The stator and rotor are made of soft magnetic materials, uniform distributio
10、n of the stator magnetic pole is equipped with a large multi-phase field winding, stator and rotor teeth and a small uniform distribution around the slot, power changes after the use of magnetic permeability generated torque. Usually three, four, five, six phase; can achieve high torque output (more
11、 power consumption, current up to 20A, high voltage); step angle is small; power when no positioning torque; the motor damping small, single-step operation (refer to very low pulse frequency) vibration longer; up and running with high frequency. Permanent Magnet Stepper motors: permanent magnet mate
12、rials are usually made by the rotor, stator made of soft magnetic materials, a number of phase field winding, stator and rotor teeth and slots around the not small, is powered using magnets and stator current magnetic field interaction torque. Generally two-phase or four phase; output torque is smal
13、l (low power consumption, current generally less 5than 2A, voltage 12V); step angle large (such as 7.5 degrees, 15 degrees, 22.5 degrees, etc.); power failure has to maintain a certain torque; up and running less frequently. Hybrid Stepping Motor: permanent magnet, also known as reactive, permanent
14、magnet induction motor, permanent magnet and a mixture of reactive advantages. The stator and four-phase Step Motor no difference (but the same relative phase of the two magnetic poles, and the two magnetic poles generated on the windings N, S polarity must be the same), the rotor structure is more
15、complex (the rotor within the cylindrical permanent magnets, both ends of the coat soft magnetic material, around small teeth and slots). Generally two-phase or four phase; to supply positive and negative pulse signal; output torque than the large permanent magnet (power consumption is relatively sm
16、all); step angle smaller than the permanent magnet (typically 1.8 degrees); power failure without positioning torque; start and run a higher frequency; is a stepping motor developed rapidly. This design uses AT89S52 MCU as the core of the stepper motor control, and supplemented with the necessary pe
17、ripheral devices and circuits, through the IO port output timing of the square wave with a stepper motor control signal, the signal driven by the stepper driver chip ULN2003 motor; the same time, turn the keyboard on the motor - forward and backward, and speed - acceleration, deceleration control. K
18、eywords: MCU AT89S52; drive ULN2003a; control; stepper motor. 6目 录引言 .61 课题研究背景及主要内容 .71.1 课题研究背景 .71.2 课题研究主要内容及其意义 .72 步进电机的原理 .72.1 步进电机的工作原理 .72.2 步进电机的分类 .82.3 步进电机的选择 .92.4 步进电动机的基本参数及特性： .92.5 步进电机的特点 .102.6 关于步进电机调速问题 .112.7 关于步进电机的问题 .112.8 步进电机的公共端的确定 .123 单片机最小系统设计 .133.1 AT89S52 单片机简介 .1
19、33.1.1AT89S52 的主要性能 .133.1.2 功能特性描述 .133.1.3AT789S52 引脚结构 .143.1.4AT89S52 的 I/O 设备 .144 步进电机驱动芯片 .164.1 ULN2003 的相关资料 .164.1.1 方框图 .164.1.2 极限值 .174.1.3 电特性 .174.1.4 封装外形图 .184.1.5 应用电路 .185 系统总体方案论证与设计 .195.1 方案比较一 .195.1.1 最小单片机系统芯片的比较和选用 .195.1.2 驱动芯片的比较和选用 .195.1.3 步进电机型号的选用 .235.1.4 总体方案图 .255.
20、1.5 模块化分析 .255.1.6 电源模块 .2975.1.7 编程软件简介 .336 结论 .337 谢辞 .338 参考文献 .349 附录 .358引言步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。80 年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。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，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步
21、进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力，因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。1.
22、 课题研究背景及主要内容1.1 课题研究背景本课题主要研究单片机实现的步进电机控制系统为目的。随科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，各种高科技也广泛应用于单片机为基础的自动化、半自动化控制领域，使智能控制越来越多样化，也具有不可估量的实际意义。通过此课题使我们大学生受到较全面的电子应用系统设计和应用研究的工程训练。进一步培养我们大学生综合运用所学的基础理论、专业知识和技能，提高分析与解决实际问题的能力和初步科学研究的能力。1.2 课题研究主要内容及其意义本课题主要研究的是：以单片机为基础，实现人为、或半自动对步进电机进行正转、反转，以及对正、反转状态下的步进电机实现不同转速的调节与控
23、制。本设计采用 AT89S52 为核心，利用按键电路实现步进电机的正转，反转，不同转9速的调制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本课题采用基于单片机 AT89S52 设计成步进电机控制系统。设计了采用 控制脉冲频率，并用单片机实现电机的状态、转速控制功能。基于单片机的智能调速步进电机的硬件设计和软件实现。本课题主要研究的工作是，控制脉冲频率以及采用以 AT89S52 为核心的控制系统。本课题采用以 AT89S52 单片机作为检测和控制核心的设计方法，要包括单片机单元、 、电机驱动单元和调速。本课题采用控制脉冲频率调速，用按键作为控制单元，形成的TTL 电平编码用单片机实现功能。
24、各个模块之间独立性强。核心控制部分采用可在线编程的 AT89S52 单片机，可以在不增加系统硬件的情况下方便地对系统进行二次开发。2 步进电机的原理2.1 步进电机的工作原理步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一。例如，在机械结构中，可以用丝杠把角位移变成直线位移，也可以用它带动螺丝电位器，调节电压和电流，从而实现对执行机构的控制。在数字控制系统中，由于它可以接受计算机来的数字信号，不需要进行数/模转换，所以用起来更方便。步进电机角位移与控制脉冲间精确同步。若将角位移的改变转变为线位移、位置、体积、流量等物理的变化，便可以实现对它们的控制。步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一
25、个串行的数 /模转换器。步进电机的结构与步进电机所含的相数有关，以三相步进电机的结构原理为例。电机的定子又 6 个等分的磁极，即 A，A，B，B， C， C。相邻的两个磁极间的夹角为 60 度。相对的两个磁极组成一相，即 AA 相 BB相 C-C相。当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极立即形成 N 极和 S 极，每个磁极上各有 5个均匀分布的矩形小齿。步进电机的转子上没有绕组，而是 40 个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为 9 度。当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并转子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度，是转子齿
26、和定子齿对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。在单三拍控制的方式中，加入 A 相通电，B、C 相都不通电，在磁场的作用下，使转子齿和 A 相得定子齿对齐。若以此作为初始状态，设与 A 相磁极中心对齐的转子齿为 0 号齿，由于 B 相磁极与 A 相磁极相差 120 度。且 120/9=13*（3/9 ）不为整数，所以，在此时转子齿不能与 B 相定子齿对齐，只是 13 号小齿靠近 B 相磁极的中心线，10与中心线相差 3 度。如果此时突然变成 B 相通电，而 A、C 两相都不通电，则 B 相磁极迫使 13 号转子齿与之对齐，整个转子就转动 3 度。此时，称电极走了一步。同理，我们按照
27、ABCA 顺序通电一周，则转子转动 9 度。磁阻式步进电机的步距角（Qs）可由下边的公式求得：Qs=360 度/(N*Zr)式中，N=Mc*C 为运行节拍数，其中 Mc 为控制绕组相数，C 为状态系数。采用但三拍或双三拍时，C=1 ；采用单六拍或双六拍时，C=2。Zr 为转子齿数。2.2 步进电机的分类步进电机按结构分类：步进电动机也叫脉冲电机，包括反应式步进电动机（VR） 、永磁式步进电动机（PM） 、混合式步进电动机（HB ）等。 反应式步进电动机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通
28、电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达 20A，驱动电压较高） ；步距角小；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。永磁式步进电动机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于 2A，驱动电压 12V） ；步距角大（例如 7.5 度、15 度、22.5 度等） ；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。混合式步进电动机：也叫永
29、磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电动机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的 N、S 极性必须相同） ，转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽） 。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小） ；步距角较永磁式小（一般为 1.8度） ；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电动机。步进电动机按工作方式分类：可分为功率式和伺服式两种。功率式：输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电动机） 。伺服式：输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电动机） 。
