基于單片機控制的步進電機設計論文

1、 / 50 文檔可自由編輯打印基于單片機控制的步進電機設計BASED ON MICROPROCESSOR CONTROLLED STEPPER MOTOR DESIGN畢業(yè)設計（論文）任務書班 級 學生姓名 學 號 發(fā)題日期：2013 年 2 月 30 日 完成日期： 2013 年 6 月 17 日題 目： 基于 80C51 單片機控制的步進電機 1. 本論文的目的、意義 步進電機是一種將數(shù)字信號直接轉換成角位移或線位移的控制驅動元件，具有快速起動和停止的特點。 目的：本課程設計的內(nèi)容是利用 51 單片機，達到控制步進電機的啟動、停止、正轉、反轉、多檔速度調(diào)速和狀態(tài)顯示的目的，使步進電機控制更

2、加靈活。利用六位數(shù)碼管增設電機狀態(tài)顯示功能，各項數(shù)據(jù)更直觀。 意義：因為步進電動機組成的控制系統(tǒng)結構簡單，價格低廉，性能上能滿足工業(yè)控制的基本要求，廣泛地應用于手工業(yè)自動控制、數(shù)控機床、衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)、醫(yī)療器件以及各種可控機械工具等等，并且在航空、航天、汽車、精密電子等行業(yè)也被廣泛應用。在電工設備中的應用，最重要的就是應用在直流旋轉電機中。在控制系統(tǒng)中，步進電機還有其它的用途，例如測速電機、伺服電機等。 2、學生應完成的任務 （1）查閱單片機、以及步進電機的相關資料，了解步進電機工作情況； （2）選擇合適的電子元件設計出硬件電路并生成 PCB 板； （3）編寫軟件程序實現(xiàn)啟動、停止、正轉、反

3、轉、調(diào)速和狀態(tài)顯示的目的； （4）綜合調(diào)試； （5）撰寫畢業(yè)論文。 3、論文各部分內(nèi)容及時間分配：（共 16 周）第一部分 查閱資料 （ 2 周）I / 50 文檔可自由編輯打印第二部分 系統(tǒng)結構設計 （ 4 周）第三部分 系統(tǒng)的應用程序設計 （ 4 周）第四部分 綜合調(diào)試 ( 2 周）第五部分 撰寫畢業(yè)設計資料 （ 3 周）評閱及答辯 ( 1 周）備 注 答辯前應向指導老師交畢業(yè)設計（論文）說明書（書面文檔應不少于1 萬 2 千個漢字）和電子文檔（含畢業(yè)設計（論文）說明書及應用軟件） 。 指導教師： 2013 年 2 月 25 日 審 批 人： 年 月 日II / 50 文檔可自由編輯打印

4、摘 要 步進電機是將電脈沖信號轉為角位移或線位移的開環(huán)控制元件。由步進電動機組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單廉價，又可靠穩(wěn)定。它有瞬間啟動，急速停止，精度高等特點。目前打印機，繪圖儀，機器人，數(shù)控機床等等設備都以步進電機為核心動力。在各種辦公自動化設備以及控制裝置等領域中有著極其廣泛的應用。本文介紹的是基于單片機的控制步進電機的系統(tǒng)設計，通過單片機、ULN2003驅動芯片以及相應的按鍵實現(xiàn)各種功能，并且步進電機的工作狀態(tài)要用相應的數(shù)碼管顯示出來。本系統(tǒng)采用模塊化設計，結構簡單，可靠，清晰明了。通過人機交互換接口可實現(xiàn)各功能設置，操作簡單，易于掌握。本文內(nèi)容介紹了步進電機以及單片機原理、該系統(tǒng)的硬件電路、程

5、序組成，同時對軟、硬件進行了調(diào)試，介紹了制作 PCB 板步驟。該設計具有思路明確、可靠性高、穩(wěn)定性強等特點，通過調(diào)試實現(xiàn)以下幾個主要功能：(1) 控制步進電機實現(xiàn)正轉和反轉；(2) 控制步進電機轉速；(3) 設計步進電機的脈沖放大電路，能驅動相電壓為 5V、相電流位為 0.4A 的步進電機工作；(4) 實現(xiàn)對步進電機圈數(shù)的預置；(5) 同步顯示步進電機所轉圈數(shù)。關鍵詞 步進電機 PM25L-024-STB6；SST89E516RD；C 語言 / 50 文檔可自由編輯打印AbstractThe stepper motor is a open-loop control components tha

6、t could be to transform the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement.Stepper motor open-loop system is both simple and cheap, reliable and stable. It has instant start, rapid stop, and high accuracy.At present, printer, plotter, robot, CNC machine tools and other equi

7、pment with stepping motor as the core driving power.In various kinds of office automation equipment and control devices, and other fields have extremely extensive application.This article describe the stepper motor controled system design which is based on the microcontroller, Through the single-chi

8、p microcomputer, ULN2003 drive chip and corresponding key achieve those functions, and the working state of the stepping motor with corresponding digital tube display.The system USES the modular design, simple structure, reliable, and clarity.Through the man-machine interface can realize A variety o

9、f function setting, simple operation, easy to master.This paper introduces the content of the stepping motor and the principle of single-chip microcomputer, the system hardware circuit, program composition, at the same time for the software and hardware debugging, introduces making PCB steps. This d

10、esign has clear thinking, high reliability, and strong stability and other characteristics, through the debugging realize the following main functions:(1) Controlling the corotation and inversion of the stepper motor; (2) Controlling the speed of stepper motor;(3) designing the pulse amplifier circu

11、it of stepper motor to drive the stepper motor with 5V voltage，0.4A phase current;(4) achieving the presetting of laps of the stepper motor;(5) synchronously displaying the circle number and speed of the stepper motor.Key words ste pping motor PM25L-024-STB6; SST89E516RD; C language0 / 50 文檔可自由編輯打印目

12、錄摘 要 .IAbstract.I目錄.1第 1 章 緒 論.11.1 引言.11.2 本文研究的目的和意義.11.3 國內(nèi)外研究概況及趨勢.21.4 本文研究內(nèi)容.2第 2 章 步進電機的工作原理及特性.32.1 步進電機的概念.32.2 步進電機的特點.32.3 步進電機的分類.42.4 步進電機的工作原理.52.4.1 步進電機結構(三相).52.4.2 對齒和錯齒.52.4.3 工作原理.62.4.4 工作方式（四相）.72.4.5 步進電機的常用術語.82.5 步進電機的振蕩和失步.82.5.1 振蕩.82.5.2 失步.9第 3 章 硬件電路設計.103.1 步進電機驅動系統(tǒng).10

13、3.2 控制模塊.103.3 驅動模塊.113.4 顯示模塊.123.5 按鍵模塊.123.6 步進電機部分.131 / 50 文檔可自由編輯打印第 4 章 軟件設計.154.1 程序流程圖.154.2 系統(tǒng)主程序.164.3 定時中斷設計.174.4 外部中斷設計.17第 5 章 PCB 板設計及硬件調(diào)試.195.1 Altium Designer 簡介.195.2 PCB 制作過程.195.2.1 原理圖繪制.195.2.2 元件封裝.195.2.3 規(guī)劃電路板.205.2.4 電路板（PCB）編輯器.205.2.5 布置元件.205.2.7 自動布線與手工調(diào)整.205.2.8 PCB 文

14、件的保存.215.3 本設計的 PCB.215.4 硬件電路調(diào)試.22結 論.23致 謝.24參考文獻.25附錄 1.26附錄 2.270 / 50 文檔可自由編輯打印第 1 章 緒 論1.1 引言一個國家的制造業(yè)水平在很大程度上可以體現(xiàn)國家的實力，國家的發(fā)展也在很大程度上依賴于先進的制造業(yè)，所以大多數(shù)國家都非常重視大力發(fā)展制造業(yè)，二戰(zhàn)后，計算機控制技術、微電子技術、信息和自動化技術有了迅速的發(fā)展，并在制造業(yè)中得到了愈來愈廣泛的應用，具有很多優(yōu)點的步進電機就是一個重要角色，比如在數(shù)控技術中。 步進電動機又稱脈沖電動機，其應用發(fā)展己有約 80 年的歷史?？梢哉f步進電機是純粹的數(shù)字控制電動機，步進

15、電機驅動器通過控制脈沖，控制步進電動機各相繞組的導通或截止，從而使電動機產(chǎn)生步進運動。就是說給一個電脈沖信號，電動機就轉過一個角度或者前進一步，其輸出轉角、轉速與輸入脈沖的個數(shù)、頻率有著嚴格的比例關系。這些關系在負載 能力范圍內(nèi)不隨電源電壓、負載大小、環(huán)境條件等的變化而變化。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，同時步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高。步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉控制等，這是步進電動機最突出的優(yōu)點。正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點，所以成了機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，廣

16、泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用，所以本課題的研究相當有必要。1.2 本文研究的目的和意義步進電動機是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的微電動機，它最突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚?，因此在打印機等辦公自動化設備以及各種控制裝置等眾多領域有著極其廣泛的應用。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電動機的需求量與日俱增，研制步進電機驅動器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。1 / 50 文檔可

17、自由編輯打印1.3 國內(nèi)外研究概況及趨勢在日本，60 年代初期，開發(fā)了用于數(shù)控裝置及計算機外部設備的磁阻式步進電動機。60 年代中期至今，開發(fā)了混合式步進電動機。在我國，步進電動機的研制始于 1958 年。當時只有清華大學，華中理工大學等少數(shù)高等院校在從事這項工作。到了 60 年代末，70 年代初，由于電子工業(yè)和數(shù)字控制技術的發(fā)展，特別是數(shù)字控制線切割機床發(fā)展的需要，才使步進電動機的研究工作蓬勃開展起來。經(jīng)過四十幾年的發(fā)展，隨著步進電動機理論的日臻完善，特別是磁阻式步進電動機，產(chǎn)品品種、規(guī)格，門類的系列化以及出現(xiàn)了象無刷直流電動機系統(tǒng)那種更優(yōu)越的伺服系統(tǒng)，才使得步進電動機的發(fā)展勢頭有所緩和，總

18、體看來，目前其發(fā)展正趨于平緩。步進電動機的種類很多，按其工作原理可分為磁阻式、永磁式、混合式三大類型。由于上述三種類型步進電動機的結構及作用原理各不相同，因此其市場的應用以及發(fā)展的情況也各不相同。但不管如何發(fā)展，總離不開“輕、薄短小、高效率、低振動、低噪聲、低價格”微特電機發(fā)展的永恒主題3。1.4 本文研究內(nèi)容本論文所選的步進電機是四相步進電機，實現(xiàn)步進電機加速、減速，正轉、反轉，預置圈數(shù)，圈數(shù)同步，以及轉速級別顯示。采用的方法是利用單片機控制步進電機的驅動。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為步距角

19、） ，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。本次畢業(yè)設計就是通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進電機的速度的，并且通過數(shù)碼管顯示其轉速的級別。另外通過單片機實現(xiàn)它的正反轉，步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。2 / 50 文檔可自由編輯打印第 2 章 步進電機的工作原理及特性2.1 步進電機的概念步進電機是一種將電脈沖轉為角位移或線位移的執(zhí)行機構。簡單一點講，當驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機

20、按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角） 。我們可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時我們也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單、精度高。 從原理上講，步進電機是一種低速同步電動機。本次畢業(yè)設計采用的是步距角為 1.8 度的四相八拍永磁式步進電機。2.2 步進電機的特點1.

21、 一般步進電機的精度為步進角的 3-5%，角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。2. 步進電機外表不允許較高的溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 80-90 度完全正常。3. 步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4. 步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較

22、差。5. 由步進電機與驅動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非常的可靠。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。6. 步進電機的動態(tài)響應快，易于啟停，正反轉及變速。3 / 50 文檔可自由編輯打印7. 速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅動負載。8. 步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。9. 步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應的措施。10. 步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。11. 步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造

23、時代發(fā)揮著重大的用途。如打印機，繪圖儀、數(shù)控機床切割。伴隨著不同的數(shù)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。2.3 步進電機的分類現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR） 、永磁式步進電機（PM） 、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。反應式步進電動機采用高導磁材料構成齒狀轉子和定子，其結構簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當小，一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為 1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩，但動態(tài)性能相對較差。永磁式步進電機轉子采用多磁極的圓筒形的

24、永磁鐵，在其外側配置齒狀定子。用轉子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉動，它的出力大，動態(tài)性能好，但步距角一般比較大。一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 7.5 度 或 15 度?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 1.8 度而五相步進角一般為 0.72 度。這種步進電機的應用最為廣泛，它是 PM 和 VR 的復合產(chǎn)品，其轉子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結構。此類電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關的設備中多用此類電機。4 / 50 文檔可自由編輯打印2.4 步

25、進電機的工作原理2.4.1 步進電機結構(三相)圖 2-1 步進電機內(nèi)部結構圖如圖 2-1 所示，步進電機分為轉子和定子兩部分：1. 定子：由硅鋼片疊成的，定子上有 6 大磁極，每 2 個相對的磁極（N，S）組成一對，共有 3 對。定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。 0、1/3、2/3， （相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以 表示） ，即 A 與齒1 相對齊，B 與齒 2 向右錯開 1/3，C 與齒 3 向右錯開 2/3，A與齒 5 相對齊， （A就是 A，齒 5 就是齒 1） 。 2. 轉子：由軟磁材料制成，其外表面也均勻地分布著小齒，與定子上的小齒并且小齒的大小相同，

26、間距相同。2.4.2 對齒和錯齒圖 2-2 步進電機轉子展開圖反應式步進電機的動力來源于電磁力，只有電機存在錯齒現(xiàn)象才能轉動。在電5 / 50 文檔可自由編輯打印磁力的作用下，轉子被推動到最大磁導率的位置，定子小齒與轉子小齒對齊的位置，并處于平衡狀態(tài)，如圖 2-2 中的 A 相位置，這種現(xiàn)象被稱為對齒。而對于三相步進電機來說，當某一相得磁極處于最大磁導位置時，另外兩相必須處于非最大磁導位置，即定子和轉子不對齊位置，這種現(xiàn)象被稱為錯齒。2.4.3 工作原理圖 2-3 步進電機三相接線圖開始時，開關 SB 接通電源，SA、SC、SD 斷開，B 相磁極和轉子 0、3 號齒對齊，同時，轉子的 1、4

27、號齒就和 C、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5 號齒就和 D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當開關 SC 接通電源，SB、SA、SD 斷開時，由于 C 相繞組的磁力線和 1、4 號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動，1、4 號齒和 C 相繞組的磁極對齊。而 0、3 號齒和 A、B 相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5 號齒就和 A、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D 四相繞組輪流供電，則轉子會沿著 A、B、C、D 方向轉動4。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式

28、既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2-4 的 a，b，c 所示：6 / 50 文檔可自由編輯打印a)單四拍 b)雙四拍 c)八拍圖 2-4 步進電機工作方式2.4.4 工作方式（四相）1. 單四拍：通電順序為： ABCD；2. 雙四拍：通電順序為： ABBCCDDA；3. 四相八拍：通電順序為： AABBBCCCDDDA；這三種工作方式的區(qū)別，如下表所示：表 2-1 步進電機三種工作方式的性能比較工作方式單四拍雙四拍八拍步進周期TTT每相通電時間T2T3T走齒周期4T4T8T相電流小較大最大高頻性能差較好較好轉矩小中大電磁阻尼小

29、較大較大振蕩容易較容易不容易功耗小大中由表 2-1 可以看出這三種工作方式中，八拍的性能最好，單四拍的性能最差，因此，在步進電機的控制應用中，選擇合適的工作方式非常重要，本文主要研究的是四相八拍工作方式。7 / 50 文檔可自由編輯打印2.4.5 步進電機的常用術語齒距角：相鄰兩齒中心線間的夾角，通常定子和轉子具有相同的齒距角。z =2/Z (Z 是轉子的齒數(shù))步距角：指每給一個電脈沖信號電動機轉子所應轉過的角度的理論值。 b=z/N = 2/NZ (N 是工作拍數(shù)，Z 是轉子的齒數(shù))步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)

30、其值不同，四拍運行時應在 5%之內(nèi)，八拍運行時應在 15%以內(nèi)。失調(diào)角：指轉子偏離零位的角度。轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機轉必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。最大空載的運行頻率： 電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。最大空載起動頻率： 電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 響應頻率：在某一頻率范圍內(nèi)步進電機可以任意運行而不會丟失一步，則這一最大頻率稱為響應頻率。運行頻率：指拖動一定負載使頻率連續(xù)上升時，步進電機能不失步運行的極限頻率1。2.5 步進電機的振蕩和失步步進電機的振蕩和失步是

31、一種普遍存在的現(xiàn)象，它影響應用系統(tǒng)的正常運行，因此要盡力去避免。2.5.1 振蕩步進電機的低頻振蕩是由于電機的轉子達到穩(wěn)定平衡位置時具有多余的動能。這種能量越大，振蕩的趨勢越利害，當控制脈沖的頻率等于自由振蕩的頻率時，就發(fā)生低頻振蕩，或稱之為低頻共振。低頻振蕩是步進電機系統(tǒng)的固有的缺點。在振蕩區(qū)，主要表現(xiàn)是步進電機的運動不平穩(wěn)，振蕩加劇，噪音增大，力矩下降，嚴重的甚至失步。8 / 50 文檔可自由編輯打印減少步距角可以減少振蕩幅值，以達到削弱振蕩的目的。消除振蕩是通過增加阻尼的方法來實現(xiàn)的，主要有機械阻尼法和電子阻尼法兩大類。其中機械阻尼法比較單一，就是在電動機軸上加阻尼器，電子阻尼法則有多種

32、。1. 多相勵磁法：采用多相勵磁會產(chǎn)生電磁阻尼，會削弱或消除振蕩現(xiàn)象。2. 變頻變壓法：步進電機在在低頻時繞組中的電流上升時間長，轉子獲得的能量大，因此容易產(chǎn)生振蕩，在高頻時則相反。所以，可以設計一種電路，使電壓隨頻率的降低而減少，可以有效地消除振蕩。3. 細分步法：細分步法是將步進電機繞組中的穩(wěn)定電流分成若干階段，每進一步時，電流升一級。同時，也相對地提高步進頻率，使步進過程平穩(wěn)進行。4. 反相阻尼法：這種方法用于步進電機制動，在步進電機轉子要過平衡點之前，加一個反向作用力去平衡慣性力，使轉子到達平衡點時速度為零，實現(xiàn)準確制動2。2.5.2 失步電機運轉時運轉的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)，稱之

33、為失步。步進電機失步的原因有 2 種:1. 轉子的轉速慢于旋轉磁場的速度（或者說慢于換相速度）。例如，步進電機在啟動時，如果脈沖的頻率較高，由于電動機來不及獲得足夠的能量，使其無法令轉子跟上旋轉磁場的速度，所以引起失步。因此，步進電動機有一個啟動頻率啟動時，肯定會產(chǎn)生失步。注意，啟動頻率不是一個固定值，提高電動機的轉矩、減少負載轉動慣量、減少步距角都可以提高步進電機的啟動頻率。2. 轉子的平均速度大于旋轉磁場的速度。這主要發(fā)生在制動和突然換向時，轉子獲得過多的能量，產(chǎn)生嚴重的過沖，引起失步。9 / 50 文檔可自由編輯打印第 3 章 硬件電路設計3.1 步進電機驅動系統(tǒng)步進電機不能直接接到交直

34、流電源上工作，而必須使用專用設備步進電機驅動器.步進電機驅動系統(tǒng)的性能，除與電機本身的性能有關外，也在很大程度上取決于驅動器的優(yōu)劣。典型的步進電機驅動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅動器和步進電機本體三部分組成。步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進電機驅動器驅動步進電機轉子旋轉一個步距角，即步進一步。步進電機轉速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低?？刂破鞯姆较蛐盘枦Q定步進電機的順時針或逆時針旋轉。通常，步進電機驅動器由邏輯控制電路、功率驅動電路、保護電路和電源組成。步進電機驅動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預先設定的

35、電機通電方式產(chǎn)生步進電機各相勵磁繞組導通或截止信號?？刂齐娐份敵龅男盘柟β屎艿?，不能提供步進電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅動器的功率驅動部分8。3.2 控制模塊本設計采用 SST89E516RD 單片機作為控制系統(tǒng)的核心。SST89E516RD 單片機組成結構中包含運算器、控制器、片內(nèi)存儲器、4 個 I/O 口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。采用 HMOS 制造工藝的 MCS-51 單片機都采用 40 管腳雙列直插式封裝，除采用 40 腳雙列式直插式封裝外，還有用方形的封裝方式。40 管腳雙列直插式封裝管腳圖如 3-2 圖所示。脈沖信號由單片機產(chǎn)生

36、，一般脈沖信號的占空比為 0.3-0.4 左右，電機轉速越高，占空比則越大。信號分配實際上就是按照某一種控制方式（根據(jù)需要進行選定）所規(guī)定的順序發(fā)送脈沖序列，達到控制步進電機方向的目的9。10 / 50 文檔可自由編輯打印圖 3-2 MCS-51 系列單片機管腳圖根據(jù)要求，所設計的步進電機八拍通電順序為AABBBCCCDDDA。步進電機的方向控制方法是：用單片機輸出接口的每一位控制一根相繞組。本設計中，用P0.0，P0.1，P0.2，P0.3 分別接至步進電機的 A，B，C，D 四相繞組。3.3 驅動模塊ULN2003 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個硅 NPN 達林頓管組成的驅動芯片，如圖 3-

37、3 所示。經(jīng)常在以下電路中使用，作為：顯示驅動、繼電器驅動、照明燈驅動、電磁閥驅動、伺服電機、步進電機驅動等電路中。 1B12B23B34B45B56B67B7COM97C106C115C124C133C142C151C16GND811 / 50 文檔可自由編輯打印圖 3-3 ULN2003A 芯片內(nèi)部結構及引腳圖驅動模塊直接采用 ULN2003 芯片，如圖 3-5 所示。由單片機產(chǎn)生的脈沖序列和方向控制信號從 P1.0P1.3 口輸出，直接送入 ULN2003 芯片進行功率放大，達到步進電機所需的驅動電流和電壓，以此驅動步進電機工作。3.4 顯示模塊顯示模塊采用六位 LED 六段共陰數(shù)碼管進

38、行動態(tài)顯示，如圖 3-3 所示。由SST89E516RD 單片機產(chǎn)生的段選信號從 P0 輸出，經(jīng)過 1K 左右的上拉排阻驅動數(shù)碼管顯示，位選信號從 P2 口輸出通過 74HC245 直接送數(shù)碼管顯示。采用數(shù)碼管動態(tài)顯示方式，硬件電路簡單、編程簡便、顯示信息清晰5。圖 3-3 顯示模塊硬件電路圖3.5 按鍵模塊人機交互模塊采用獨立式按鍵，中斷工作方式?？偣苍O置了 4 個按鍵，如圖 3-4所示，其中四個控制按鍵組合執(zhí)行對步進電機的啟動停止、正轉反轉、加速減速四種控制功能，由單片機的 P3.2P3.5 口輸入。每個按鍵操作有長按短按操作方式，K1 短按為啟動停止，長按進入模式設置；K2 短按為方向設

39、置，長按使運行模式在1 與 2 之間切換；K3 為數(shù)值加一，K4 位向右移動一位數(shù)碼管。12 / 50 文檔可自由編輯打印a1b2c3d4e5f6g7dp8com9com10com11com12com13com14U2DIG6123456789RP1RESPACK-8P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A

40、1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528PSEN29ALE30P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138P0.0/AD039GND20EA31VCC40XTAL218XTAL119U18051P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P0.0P0.2P0.1P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7VCCK1K2K3K4GNDDIR1A02A13A24A35A46A57A68VCC20OE19B018B117B216B315B414B513A79GN

41、D10B612B711U374HC245VCCGNDP2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.56位位位位123P1GNDVCCHeader1GNDVCC位位X2X1P1.0P1.1P1.2P1.3RST圖 3-4 按鍵部分電路3.6 步進電機部分該設計中所用到的步進電機為四相六線步進電機。1B12B23B34B45B56B67B7COM97C106C115C124C133C142C151C16B8U1ULN20031KR11KR21KR31KR4D0com1B2A3com4C5MMotor Step1234P1P1.0P1.1P1.2P1.

42、3HeaderGNDVCC位位位位位位位位位位位位位位位位VCC0GND15V圖 3-5 步進電機部分硬件電路圖本設計中步進電機的參數(shù)：步進電機型號為 PM25L-024-STB6，工作方式為四相八拍。電機是種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進電機接收到一個脈沖信號，它就按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率實現(xiàn)步進電機的調(diào)速10。 市面上一般的步進電機內(nèi)部結構圖如圖 3-6 所示。13 / 50 文檔可自由編輯打印D0com1B2A3com4C5M位位位位位位位位位位位位圖 3-6 本設計步進

43、電機的接線本設計采用的步進電機是四相六線步進電機，因生產(chǎn)廠家不同，其接線也有所不同。電機共引出四根線，其余兩根線是公共端，經(jīng)測量后可得到其正確的接線順序，表 3-1 給出了電機所對應的相序。表3-1 步進電機控制線紅色紅色橙色棕色黃色黑色公共端公共端ABCD其中，A 與 C 是電機內(nèi)部一組線圈的兩個抽頭，D 與 B 是另一組線圈的兩個抽頭。只需以一定的順序向步進電機四相時序供電即可使步進電機按指定方向轉動。35 步進電機的主要技術參數(shù)如下表 3-2 所示。表3-2 35步進電機技術參數(shù)電壓相電阻步距角啟動轉矩（g.cm）啟動頻率（P.P.S）定位轉矩（g.cm）5V647.5120200481

44、4 / 50 文檔可自由編輯打印第 4 章 軟件設計4.1 程序流程圖下面系統(tǒng)程序總流程圖。圖 4-1 系統(tǒng)程序流程圖通過流程圖分析可以看出，實現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于隨時有可能輸入加速、加速信號和方向信號，因而采用中斷方式效率最高，這樣總共要完成 415 / 50 文檔可自由編輯打印個部分的工作才能滿足課題要求，即主程序部分、定時器中斷部分、外部中斷 0 和外部中斷 1 部分，其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設置及啟動開關的檢測，若啟動開關合上則系統(tǒng)開始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時器部分控制脈沖頻率，它決定了步進電機轉速的快慢；兩個外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功

45、能。4.2 系統(tǒng)主程序主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種開關狀態(tài)的檢測判斷等。其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設置內(nèi)容較多，該系統(tǒng)中，需要初始化定時器、外部中斷；對 P1 口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲區(qū)送初值決定步進電機的啟動速度，對方向值存儲區(qū)送初值決定步進電機旋轉方向等內(nèi)容。若初始化 P1=11H、速度和方向初始值均設為 0，就意味著步進電機按四相單八拍運行，系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下，步進電機不旋轉，方向值顯示“0” ，速度值顯示“0” ，主程序流程圖如圖 4-2 所示6。初始化開始顯示開關啟動？停止計數(shù)器速度為1？停止計數(shù)器啟動計數(shù)器延時結束N N Y Y

46、 16 / 50 文檔可自由編輯打印圖 4-2 主程序流程圖4.3 定時中斷設計進電機的轉動主要是給電機各繞組按一定的時間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通入電流，步進電機才會旋轉，時間間隔越短，速度就越快。在這個系統(tǒng)中，這個時間間隔是用定時器重復中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的，即調(diào)節(jié)時間間隔就是調(diào)節(jié)定時器的中斷次數(shù)，因而在定時器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機的運行方向、發(fā)下一個脈沖，以及保存當前的各種狀態(tài)。程序流程圖如圖 4-3 所示7。進入中斷保護現(xiàn)場讀方向指示中斷次數(shù)等于0？發(fā)送速度脈沖重送相關狀態(tài)恢復現(xiàn)場退出中斷NY圖 4-3 定時中斷設計4.4 外部中斷設計外部中斷所要完成的工作是根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速

47、度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時器的中斷次數(shù)） ，這樣就改變了步進電機的輸出脈沖頻率，也就是改變了電機的轉速。速度增加按鈕 K3 為 INT0 中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當值等于 9 時，不改變原數(shù)值返回，小于 9 時，數(shù)據(jù)加 1 后返回；速度減少按鈕 K4，當原數(shù)據(jù)不為1，減 1 保存數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)為 1 則保持不變。程序流程圖如圖 4-4 所示11。17 / 50 文檔可自由編輯打印進入中斷保護現(xiàn)場延時去抖速度=上或下限值？速度值加1是否按下按鍵？保護現(xiàn)場退出中斷YNYN圖 4-4 外部中斷設計18 / 50 文檔可自由編輯打印第 5 章 PCB 板設計及硬件調(diào)試5.1 Altium Des

48、igner 簡介Protel 系列軟件是當前在國內(nèi)應用最為廣泛的 EDA 設計工具之一。本設計使用的是 Altium Designer 6.4，它在單一設計環(huán)境中集成板級和 FPGA 系統(tǒng)設計、基于FPGA 和分立處理器的嵌入式軟件開發(fā)。在原理圖繪制、PCB 版圖設計，編輯和制造,可編程邏輯器件(PLD)設計、仿真、板卡設計和自動布線有著諸多的優(yōu)點：1. 支持不依賴于 FPGA 廠商即各個廠商通用的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)。2. 豐富的原理圖庫，有大量的預綜合元件。3. 在工程的設計和調(diào)試階段都支持原理圖導向設計方法。4. 豐富的虛擬儀器。5. 交互式布線，系統(tǒng)將動態(tài)顯示最優(yōu)布線路徑，只需要敲擊鍵盤就可以

49、完成單個網(wǎng)絡的布線。5.2 PCB 制作過程5.2.1 原理圖繪制 PCB 制作的第一步，就是繪制原理圖，根據(jù)設計要求，建立 PCB 工程，并在PCB 工程下建立原理圖以及 PCB（P） ，同時應該新建集成庫工程，并在集成庫下新建原理圖庫以及 PCB 元件庫。在原理圖繪制過程中，可選擇庫中已存在的元件，對于沒有的元件，應參照相關元件的資料，在原理圖庫中新建元件，原理圖庫里面可新建多個元件。原理圖中的線應選擇正確的電線，如果電線太多過于復雜可以選擇使用網(wǎng)絡標號，網(wǎng)絡標號名稱相同的是連通的，同時因標注好對應元件值的大小。5.2.2 元件封裝對于已經(jīng)繪制好的原理圖，下一步就是對元件進行封裝，雙擊元件

50、添加Footprint， “PCB 庫”選擇任意。單擊“瀏覽” ，選擇相應的庫，找到相應元件的封裝，或者單擊“發(fā)現(xiàn)” ，輸入封裝的名稱查找。如果庫里面沒有相應的元件的封裝，則必須在集成庫下的 PCB 元件庫里面，根據(jù)芯片（元件）的資料，新建封裝。做好19 / 50 文檔可自由編輯打印新封裝，可以在原理圖庫里面將新建元件關聯(lián)起來，然后編譯。在右方就會生成自己新建的庫。5.2.3 規(guī)劃電路板在繪制印刷電路板之前，我們必須對所用的電路板進行初步的規(guī)劃。比如是采用單面板、雙面板還是多層電路板，電路板需要多大的尺寸，采用什么樣的連接器，元件采用什么樣的封裝形式，是雙列直插（DIP）還是其他形式，元件的安

51、裝位置等等。千萬不要小看這步工作，它直接影響到后續(xù)工作的進行。如果在這里出現(xiàn)問題，很可能會對后面的工作造成很大的麻煩，甚至使設計工作無法繼續(xù)進行。本設計芯片封裝均采用 DIP 封裝，電路板的尺寸控制在 10*10cm 以下，雕刻的是單面板。5.2.4 電路板（PCB）編輯器首先根據(jù)已經(jīng)封裝好的原理圖，生成 PCB 板，步驟是：設計Update PCB Docment執(zhí)行更改進入印刷電路板（PCB）編輯器的編輯環(huán)境。啟動編輯器后，用戶對元件的布置參數(shù)，板層參數(shù)、布線參數(shù)等進行相應的設置。其中有些參數(shù)可以直接采用系統(tǒng)的缺省值，有些參數(shù)必須根據(jù)設計要求進行修改，而有些參數(shù)可以根據(jù)自己的習慣進行設置。

52、總之，參數(shù)的設定是在滿足設計要求的前提下盡量符合個人習慣，所以因人而異。作圖環(huán)境設置：設計規(guī)則，線寬約束為 15-30mil，大小在 10*10cm 以內(nèi)。5.2.5 布置元件在設定好電路板的尺寸和外形并裝入網(wǎng)絡表后，程序會自動裝入元件，并自動將元件布置在電路板的邊界內(nèi)。盡管程序可以自動根據(jù)電路板的外形尺寸布置各個元件的位置，但是畢竟不可能完全滿足設計的要求，因此用戶還要對元件的位置進行手工調(diào)整，以便順利地進行下面的布線工作。5.2.7 自動布線與手工調(diào)整Altium Designer 6.4 的自動布線功能十分強大，只要各種參數(shù)設置合理、元件的位置得當，自動布線的成功率幾乎是 100%。但是

53、，由于算法的限制以及用戶的特殊20 / 50 文檔可自由編輯打印要求或習慣，自動布線往往也有許多不盡人意的地方，我們還必須靠手工進行調(diào)整。手工布線中有很多至關重要的竅門，需要在操作過程中體會摸索，真正掌握了手工布線的技巧才算是真正學會了印刷電路板設計。5.2.8 PCB 文件的保存完成印刷電路板的布線工作后，我們應該及時地將文件進行存盤及打印輸出，以備以后雕刻電路板使用。PCB 板雕刻可以在學校雕刻，或者找廠家預定生產(chǎn)12。5.3 本設計的 PCB本設計電路板采用單層。為了使布線盡可能短，元件布局按信號流程布局。PCB 板上的元器件放置的順序為：1. 放置與結構有緊密配合的固定位置的元器件，如

54、電源插座、開關、連接件等，這些器件放置好后用軟件的 LOCK 功能將其鎖定，使之以后不會被誤移動；2. 放置器件；3. 在設計 PCB 板時，元件的放置要考慮電路中的抗干擾能力。例如，在內(nèi)部時鐘方式的電路部分，晶體或陶瓷振蕩器和電容盡可能安裝得與單片機靠近，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。最終完成的 PCB 如圖 5-1 所示。圖 5-1 PCB 圖21 / 50 文檔可自由編輯打印5.4 硬件電路調(diào)試以上為本作品的設計過程和結果的詳細介紹，但是，從本質(zhì)上來講，都是純理論的設計和分析。為了驗證作品的可行性，我還做了硬件電路，來對設計作品中設計方案的主要功能及其理論進行實際驗證

55、，如圖 4-4 所示。同時，在軟硬件電路的調(diào)試過程，也可以發(fā)現(xiàn)本設計作品中有沒有一些不足和錯誤的地方。當硬件設計從布線到安裝完成之后，就開始進入硬件調(diào)試階段，調(diào)試大體分為以下幾步。1. 排除邏輯故障； 2. 排除電源故障； 3. 排除元器件失效； 4. 脫機調(diào)試；5. 接入單片機調(diào)試；圖 4-4 硬件電路調(diào)試22 / 50 文檔可自由編輯打印結 論本系統(tǒng)主要研究了一種基于單片機的步進電機控制及驅動的電路設計。設計采用 SST89E516RD 單片機作為控制模塊的核心，利用單片機編程實現(xiàn)了對步進電機的控制。由單片機產(chǎn)生的信號經(jīng) ULN2003A 芯片進行功率放大，驅動步進電機工作，同時由數(shù)碼管同

56、步顯示預置數(shù)和所轉圈數(shù)，由相應的按鍵實現(xiàn)預置圈數(shù)、控制、清零功能。系統(tǒng)能夠實現(xiàn)：1. 預設步進電機所轉圈數(shù)；2. 啟動停止、正轉反轉、加速減速等功能的基本控制；3. 同步顯示圈數(shù)；4. 電機轉至預置圈數(shù)內(nèi)循環(huán)轉動；5. 對預置數(shù)進行清零操作。6. 狀態(tài)指示燈顯示在系統(tǒng)設計過程中，力求硬件電路簡單，充分發(fā)揮軟件部分的優(yōu)勢，編程靈活方便來滿足系統(tǒng)的要求。通過實際測試表明本設計系統(tǒng)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)步進電機控制器，具有結構簡單、可靠性高、實用性強、人機接口簡單方便、性價比高等特點。本設計作品，就是單片機在智能化儀表方面的具體應用，充分體現(xiàn)了單片機的優(yōu)越之處。本論文，從硬件設計到軟件設計，根據(jù)硬件的工作原

57、理及設計原理，對設計的設計方案做了仔細的分析和比較，最后確定下來完整可行的解決方案。為了驗證設計出的系統(tǒng)的功能可靠性和方案的可行性，我還制作了硬件電路。硬件電路是為了驗證方案原理而設計的，在調(diào)試過程中，也得到了令人滿意的效果，很好的驗證了設計方案的可行性。23 / 50 文檔可自由編輯打印致 謝大學四年即將隨著畢業(yè)設計的全部完成而落幕。歲月如梭，四年中，雖然自己的專業(yè)技能不夠好，但是自己的學習能力得到了提高。畢業(yè)設計是對知識的豐富，是對所學知識鞏固和靈活運用的考驗，是對自學能力的考驗。本次設計的完成除了因為我自己查閱了大量的資料，總結并鞏固了專業(yè)知識，用心做好設計外，還因為得到了老師和同學的極

58、力幫助，讓我明白了團結合作的力量是無窮的。在此，我要由衷的感謝我的指導老師，朱云芳、翟旭老師，是在他孜孜不倦和耐心細心的指導幫助下，我才得以順利地完成設計。我還要感謝很有經(jīng)驗的杜海洋同學的大力支持和幫助。沒有老師和這些同學一直以來的幫助，我不可能很圓滿地完成設計。同時，我還要衷心感謝大學中所有教過我的老師，感謝他們將知識毫無保留的傳授，感謝他們大學四年對我的敦敦教誨和關心及對我各方面的幫助，感謝陪伴我走過這難舍難忘四年時光的所有同窗，感謝你們的關心與幫助！最后，我要感謝我的父母，感謝你們這么多年對我含辛茹苦地養(yǎng)育和培養(yǎng)。24 / 50 文檔可自由編輯打印參考文獻1 劉寶廷.步進電動機及其驅動控

59、制系統(tǒng).哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997：12002 丁志剛.直線步進電動機的原理控制和應用.馬九榮，機械工業(yè)出版社，1994：20903 蔡耀成.步進電機近期國內(nèi)外發(fā)展展望.微特電機.2005 年，第 5 期：134 王曉明.電動機的單片機控制.北京航空航天大學出版社，2002 年：501505 靳桅.單片機原理及 C51 開發(fā)技術.西南交通大學出版社，2009：932256 楊寧,胡學軍等.單片機與控制技術.北京航空航天大學出版社，2005:221757 馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計第三版.北京航空航天大學出版社，2011：34728 譚建成.新編電機控制專用集成電路與應用機械工業(yè)出版

60、社2005:15979 王福瑞等.單片機微機測控系統(tǒng)設計大全.北京航空航天大學出版社.1998:678510 陳隆昌等.控制電機.第三版.西安電子科技大學出版社.2000:356511 靳桅,胡桂珍等.C 語言設計.西南交通大學出版社，2000：219012 江思敏等ALTIUM DESIGNER.機械工業(yè)出版社2009年:159725 / 50 文檔可自由編輯打印附錄 1a1b2c3d4e5f6g7dp8com9com10com11com12com13com14U2DIG612X112MHZ33pC1Cap33pC3CapGNDRST110uFC2Cap1KR1GNDVCCRSTX1X2位位