基于单片机的步进电机控制系统设计电气自动化专业.doc

基于单片机的步进电机控制系统设计 摘 要 鉴于步进电机内部控制方式为低成本的开环控制，与伺服电机控制和步进电机最显著区别在于成本低、开发周期短、系统简单，广泛应用于智能家居、办公自动化设备和自动化生产和运输场合。 特别是随着近年来工业自动化水平的不断提高和微机电技术的不断发展，小型轻便办公设备、家用电器、生活小电器、医疗器械、小型按摩理疗仪、电动玩具等消费类产品层出不穷，多样的使用需求对步进电机的外形尺寸大小、控制精度、响应速率、稳定性、负载力、能耗都提出了较高的要求。 步进电机对外输出性能的优劣主要取决于步进电机控制系统的设计是否合理。一套完整的步进电机控制系统通常包括步进控制器,功率放大器和步进电机3个主要模块。单片机因为具有耗电量低、可靠性好、运行速率快、使用寿命长等显著优势而成为现阶段自动控制领域最常用的系统开发集成工具。基于单片机的步进电机控制器具有电路简单、成本低、稳定性好、控制精度高等特点，成为当下最火热的步进电机控制方式。 本研究中首先详细介绍了基于51单片机的数据转换、驱动与控制原理，在此基础上完成了基于STC89C51单片机的步进电机控制系统设计。所设计的步进电机控制系统主要包括AT89C51 、ULN2003芯片和个数码，结构简单、功能齐全、稳定性好、可靠度高。不仅具备十个不同档位的备选速度和正反转功能，还能够通过数码管实时显示步进电机运行状态。 关键词：步进电机，单片机，正反转控制，电机驱动 ABSTRACT Stepper motor due to the use of the composition of the open-loop system is simple, cheap, and very practical, so it is used widely in many fields of printer and other office automation equipment and various control device. In particular, with the continuous improvement of industrial automation level and the continuous development of microelectromechanical technology in recent years, small portable office equipment, household appliances, small living appliances, medical instruments, small massage physiotherapy apparatus, electric toys and other consumer products emerge in endlessly, and the variety of use demand for the shape and size of the stepping motor. The control precision, response speed, stability, load capacity and energy consumption all put forward higher requirements. Stepper motor is a pulse signal can be converted into mechanicalangular displacement or line displacement components, stepper motor control system is composed of stepping controller composed of a power amplifier, and stepping motor. Using single chip microcomputer control, using software instead of the above step controller, the circuit is simple, low cost, reliability is improved greatly. Software programming flexibility to produce operation mode of different types ofstepper motor excitation sequence to control all kinds of stepper motor. This design is the use of STC89C51 microcontroller to control the stepping motor,temporal side through the I/O port output wave as the control signal of step motor, the signal through the chip ULN2003 to drive the stepper motor. According to different needs, we can have ten different gear speed selection, and the realization of positive inversion. In order to be more humanized, we added a digital display, display the operating state of the stepping motor. Keywords: Stepping motor； single-chip microcomputer； positive inversion control；motor drive 目录 1 引言 1 1.1 步进电机及其发展 1 1.2 步进电机在我国的发展应用及前景 2 1.3 本研究的主要内容及意义 3 2 步进电机控制总系统设计 3 2.1 系统框架 4 2.2 主控芯片选择 4 2.3 步进电机输出参数的确定 5 2.4 电机驱动的确定 5 3. 系统硬件电路设计 5 3.1系统硬件总电路构成 5 3.2 步进电机系统 5 3.2.1 步进电机的原理 5 3.2.2 步进电机的特点 6 3.2.3 永磁步进电机的控制原理 7 3.3 单片机系统 7 3.4 键盘控制电路 8 3.5 数码管驱动显示电路 8 3.6 步进电机驱动电路 9 4. 控制系统软件分析与设计 11 4.1 主程序流程图 11 4.2 读按键子程序流程图 11 4.3 按键处理子程序流程图 12 4.4 电机控制中断程序流程图 13 5. 系统调试与改进 15 5.1 调试与改进 15 5.2 运行结果 15 总 结 17 致 谢 18 参考文献 19 附录 A 20 附录 B 21 附录 C 22 IV 1 引言 1.1 步进电机及其发展 步进电机的最主要功能就是将输入脉冲电信号转换化成为角位移或线位移，我们通过电机转动的角度和圈数来衡量其工作精度和速度大小。脉冲电信号输入时，步进电机能够直接对外输出阶跃型的角位移或直线位移,不需要额外的数模转换单元,近年来基于单片机的步进电机控制手段引起广泛关注。 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。中等耐压的大功率半导体器件也彻底国产化。 那时运用至多的是线切割机，都是快走丝的。线切割机的X-Y平台丝杆就用步进电动机驱动。 当时的图纸是全国公开，给个晒蓝图的费用就行了。 原始的电路设计，机械设计，电动机设计的元老，应该有网友将他们的名字和个人简历，工作经历发上来。 国外在大功率的产业装备驱动上，现在根本不利用大扭矩步进电动机，由于从驱动电路的本钱，效力，噪音，加速度，绝对速度，体系惯量与最大扭矩最近对比，比较不划算，仍是用直流电动机，加电动机编码器总体技能和经济指标高。 一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。 国外在小功率的场所，还利用步进电机，比方一些产业东西，工业生产设备，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。 国内以往是用大力矩步进电动机实现机床数控，有气力的公司目前也采取交流电动机驱动数控机床，在驱动装备的主要差距，是国外对交流电动机的节制理论与工程剖析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。 总的来说，步进电机电是一种简略的开环控制，对应用者的请求低，不适合在大功率的场所利用。 在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，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。 1.2 步进电机在我国的发展应用及前景 我国工业发展水平与西方发达国家相比起步较晚，步进电机的制造及研发技术的发展也滞后于欧美国家。新中国成立以后，在国家政策的扶植下，我国工业技术水平赢得了较大的发展。同一时期，步进电机关键技术和核心技术自主研发引起了广泛关注，以高校、科研机构、生产商研发团队为主体的队伍成为了我国步进电机技术的核心研发人员。此后，我国各大工业技术相对发达的沿海城市涌现出一大批步进电机零部件及电子元件生产商，国产步进电机的生产、销售初见规模。例如，我国成功攻克了步进电机驱动电路中必不可少的半导体器件集成化核心技术，使得步进电机驱动电路不再需要计数器、耦合器、触发器等多种元件组合构成，步进电机外形尺寸及制造成本大大降低。改革开放以后，我国与西方国家的技术交流更加频繁，步进电机控制器及控制系统的结构形式也不断推陈出新，各种新型的混合驱动高性能步进电机层出不穷。 步进电机最先是由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也使用逐步在步进电机上，对于数字化的节制变得更为轻易。日后经由不竭改善，使得今日步进电机已普遍应用在必要高定位精度、高分化能、高响应性、信赖性等矫健控制性高的机械系统中。在生产过程当中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很轻易发现步进电机的踪影，尤为以注重速率、位置控制、必要准确操纵各项指令行动的灵活控制性场合步进机电用的至多。 步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机之外的第三类电动机。传统电动机作为电机能量转换装置，在人类的生产和生存进入电气化过程当中起着枢纽的作用。但是在人类社会进入自动化期间的今天，传统电动机的功能已不能满足工场自动化和办公自动化等各种活动控制系统的要求。 为顺应这些要求，成长了一系列新的具有控制功效的电动机体系，个中较有本身特征，且运用非常普遍的一类就是步进电动机。 步进电动机的成长与计算机产业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中替代小型直流电动机之后，使其设置装备摆设的机能进步，很快地增进了步进电动机的成长。 另一方面，微型计算机和数字控制技能的成长，又将作为数控系统实行部件的步进电动机推广应用到其他范畴，如电加工机床、小功率机器加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器和包装机器等。 任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。目前，步进电动机的成长已归结为单段式布局的磁阻式、混合式和爪极