1、毕 业 设 计I摘 要步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，它能按照控制脉冲的要求，迅速起动，制动，正反转和调速。具有步距角精度高，停止时能自锁等特点，因此步进电机在自动控制系统中，特别是在开环的控制系统中得到了日益广泛的应用。本文以单片机和环形脉冲分配器为核心设计的步进电机控制系统，通过软硬件的设计调试，实现步进电机能根据设定的参数进行自动加减速控制，使控制系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象；同时它能准确地控制步进电机的正反转，启动和停止。硬件是以 AT89C51 单片机为核心的控制电路，主要包括：环形脉冲分配器、键盘显示电路、步进电机的驱动电路等。软件部分采用 C 语言编
2、程，主要包括键盘显示程序、步进电机的调速程序、停止判断程序等。关键词：步进电机控制系统；调速；单片机IIAbstractStepping motor is a kind of digital control system components. It can achieve quick start-up, positive inversion, stopping and speed control, according to the control pulse. It has high precision step angle, and can be self-locking when it
3、keeps still. As these characteristics, stepping motor in automatic control system, especially in the open loop control system has been widely applied.This article mainly focuses on taking Single-chip Computer and cycle pulse distributor as the core, and designing the stepping motor control system. T
4、hrough the design of the software and hardware debugging, it realizes controlling the step motors acceleration and deceleration automatically, according to parameter setting. Making the system arrive the end point with the shortest time, but not occur outing of step. Besides it can accurately achiev
5、e start-up, positive inversion and shutdown. Hardware takes AT89C51 as the core of control circuit, mainly including: cycle pulse distributor, keyboard and display circuit, stepping motor driving circuit, etc. Software part adopts the C language programming, mainly including keyboard and display pro
6、gram, stepping motor speed control program, stop judging program, etc.Key words: Stepping motor control system; speed control; Single-chip ComputeI目 录摘 要 .IAbstract.II目 录 .I第一章 引言 .11.1 课题提出的背景和研究意义 .11.2 课题的主要研究内容 .21.3 本章小结 .2第二章 步进电机控制系统设计 .32.1 步进电机的原理 .32.1.1 三相单三拍通电方式 .32.1.2 三相双三拍通电方式 .52.1.3
7、 三相六拍通电方式 .62.2 环形脉冲分配器 .82.3 续流电路 .122.3.1 二极管续流 .132.3.2 二极管 电阻续流 .142.4 步进电机驱动电路 .152.5 步进电机的变速控制 .172.5.1 变速控制的方法 .202.6 步进电机在自动生产线中的应用 .202.7 本章小结 .22第三章 控制系统硬件设计 .233.1 硬件系统设计原则 .233.2 控制系统组成 .243.3 主要元件的选择 .243.3.1 单片机的选择 .243.3.2 EPROM 的选择 .253.3.3 可逆计数器的选择 .273.4 控制系统接口电路的设计 .283.4.1 环形脉冲分配
8、器设计 .28II3.4.2 显示电路设计 .293.4.3 外部复位电路设计 .303.5 控制系统整体电路设计 .313.6 本章小结 .32第四章 控制系统软件设计 .324.1 软件系统设计原则 .324.2 步进电机控制系统功能设计 .334.3 主程序设计 .344.3.1 主程序工作过程 .344.3.2 主程序工作流程图 .354.3.3 定时器 T0 中断程序流程图 .354.4 Proteus 仿真 .384.5 显示程序设计 .404.6 键盘程序设计 .414.7 调速程序设计 .424.7.1 20BY 步进电机参数 .424.7.2 步进电机转速与频率的关系 .42
9、4.8 本章小结 .44第五章 结束语 .44参考文献 .451第一章 引言1.1 课题提出的背景和研究意义由于步进电机不需要位置传感器或速度传感器就可以实现定位，即使在开环状态下它的控制效果也是令人非常满意的，这有利于装置或设备的小型化和低成本，因此步进电机在计算机外围设备、数控机床和自动化生产线等领域中都得到了广泛的应用。对于一个步进电机控制系统而言，总希望它能以最短的时间到达控制终点。因此要求步进电机的速度尽可能地快，但如果速度太快，则可能发生失步。此外，一般步进电机对空载最高启动频率都是有所限制的。当步进电机带负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电机的矩频特性可知，启动
10、频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差。当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动时有一个加速的过程。从高速运行到停止也应该有一个减速的过程，防止步进电机因为系统惯性的原因，而发生冲过终点的现象。为此本文以单片机作为控制核心，实现步进电机的自动加减速控制，使系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象。因为步进电机的转速正比于控制脉冲的频率，所以调节步进电机的转速，实质上是调节单片机输出的脉冲频率 【1】 。由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接收
11、数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。步进电机工作时，失步或者过冲都会直接影响其控制精度。研究步进电机的加减速控制，可以提高步进电机的响应速度、平稳性和定位精度等性能，从而决定了步进电机控制系统的综2合性能。1.2 课题的主要研究内容1、步进电机的工作原理通过查阅文献对步进电机的单拍运行、双拍运行、单双拍运行等各种运行方式进行研究，深入了解各种运行方式的特点和对步进电机控制性能的影响。2、环形脉冲分配器的设计研究环形脉冲分配器的作用和构成，并设计出可靠、灵活的环形脉冲分配器电路。3、步进电机的续流电路根据步进电机的控制特点，分析续流电路对步进电机控制性能的影响，并设计步进电机的续流电路。4、
12、步进电机控制系统的软硬件设计根据步进电机的原理和控制特点，对步进电机控制系统的软硬件进行分析和设计。5、程序的调试及修改用 Keil 软件进行编程和调试，并且在 Proteus 环境下进行系统仿真。1.3 本章小结本章首先介绍了课题研究的背景，提出设计的思路。其次介绍了课题研究的目的和意义，最后介绍了课题的主要研究内容。3第二章 步进电机控制系统设计2.1 步进电机的原理反应式步进电机的工作原理是与反应式同步电机一样，也是利用转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动，如图 2.1 所示是一台反应式步进电机的工作原理，定子铁心为凸极式，共有三相，六个磁极，不带小齿，磁极上装有控制绕组，相
13、对的两个磁极串联连接，组成一相控制绕组。转子用软磁材料制成，也是凸极结构，只有两个齿，齿宽等于定子的极靴宽 【2】 。2.1.1 三相单三拍通电方式这是步进电机的一种最简单的工作方式，所谓“三相” ，即三相步进电机，具有三相定子绕组；“单”指每次只有一相绕组通电；“三拍”指三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次情况。当 A 相绕组通电如图 2.1 (a) 所示，而 B 相和 C 相不通电时，A 相的两个磁极被励磁，一个呈 N 极另一个呈 S 极，由于磁场对转子铁心的电磁吸力，使转子轴线对准A 相磁极的轴线。这种现象也可以这样来理解，A 相通电时，转子对定子的相对位置不同，则磁路的磁阻也不同，
14、使 A 相磁路的磁阻为最少的转子位置，就是该时的稳定平衡位置，即转子稳定在转子轴线和 A 相磁极轴线相重合的位置。同样道理，当 A 相断开，接通 B 相时，如图 2.1 (b) 所示，B 相磁极对转子的电磁力将使转子顺时针转过60，达到转子轴线和 B 相磁极轴线相重合的位置，即转子走过一步，然后 B 相电源断开，同时接通 C 相如图 2.1 (c) 所示，同理将使转子按顺时针方向再走一步。如此按A-B-C-A 的顺序使三相绕组轮流通电，则转子依顺时针方向一步一步地转动。如果改4变三相绕组的通电顺序为 A-C-B-A 显然步进电机将按逆时针方向转动。上述三相三拍运行，表示三种通电状态为一个循环，
15、即三次通电状态改变后，又恢复到起始状态，一拍对应转子转过的角度称为步距角，通常用 s 表示，图 2.1 中转子每步转过的步距角为 60。（a）A 相通电 （b）B 相通电 （c）C 相通电 图 2.1 三相反应式步进电机原理如果将上图的反应式步进电机的转子制成四极（或称为四个齿）结构，如图 2.2所示，则按三相单三拍运行时，转子的步距角也将发生变化。当 A 相通电时如图 2.2 (a)所示，转子齿 1、3 对准 A 相磁极轴线重合，当 B 相通电时如图 2.2 (b)所示，转子将逆时针转过 30，稳定在转子齿 2、4 对准 B 相磁极轴线的位置，当 C 相通电时如图 2.2 (c)所示，转子又
16、将逆时针方向转动 30，转子齿 1、3 对准 C 相磁极轴线的位置，由此可见，每通电一次转子转过的角度为 30即每步转过的步距角为 30。5(a) A 相通电 (b) B 相通电 (c) C 相通电图 2.2 转子为四极的三相步进电机2.1.2 三相双三拍通电方式如果将步进电机的控制绕组的通电方式改为：AB-BC-CA-AB 或 AC-CB-BC-CA。这种通电方式每拍同时有两相绕组通电，三拍为一循环，如图 2.3 所示，转子为四极的反应式步进电机。图 2.3 (a) 为 AB 相同时通电的情况，图 2.3 (b) 为 BC 相通电的情况，可见转子每步转过的角度为 30与单三拍运行方式相同，但其中有一点不同，即在双三拍运行时，每拍使步进电机从一个状态转变为另一个状态时，总有一相绕组保持通电。例如由 AB 相通电变为 BC 相通电时，B 相保持继续通电状态，C 相磁极力图使转子逆时针转动，而 B 相磁极却起阻止转子继续向前转动的作用，即起到一定的电磁阻尼作用，所以步进电机工作比较平稳，三相单三拍运行时，由于没有这种阻尼用，所以转子到达新的平衡位置后会产生振荡，稳定性能远不如双三拍运行方式。
