单片机控制步进电机论文总结致谢

1 / 49 单片机控制步进电机论文总结致谢 毕业论文 论 文 题 目：基于单片机系统的步进电机控制 专 业 领 域： 电气自动化技术 指 导 教 师： 作 者 姓 名： 班 学 号： 二 O 一 O 年 十 月 十 日 摘 要 单片计算机即单片微型计算机。由 RAM ,ROM,CPU 构成，定时，计数和多种接口于一体的微控制器。它体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产业和工业自动化上。 本文主要研究基于 AT89C51 单片机的步进电机的驱动器控制 ,驱动系统采用 74LS04 和达林顿管，使步进电机可在智 能化程序控制下完成正转、反转、转数设定等各种操作。文中在单片机与驱动器之间增加一级光电隔离可使步进电机具有更高的性能 ,同时把数字电路与驱动电路隔离开 ,避免了2 / 49 步进电机运行时所产生的冲击电压和电流干扰单片机。要想达到步进电动机的快速启停、高精度步进运行从而实现工业生产的控制，则采用单片机控制系统可将问题大大的简化。不仅能简化线路，降低成本，而且能大大的提高其可靠性。 整个系统采用模块化设计，结构简单 ，可靠，通过人机交互换接口可实现各功能设置，操作简单，易于掌握。该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等大多数场合。 实践证明，基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更好的性 能，更加简单、方便、可靠。本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执行器件 步进电机。 在这科技越来越发达的时代，人们对步进电动机控制技术的要求也越来越高。运用单片机对其高精度和智能化控制一直备受关注，对其高新技术的开发持续不断，单片机系统控制的研究具有很大的开发潜能！ 关 键词： AT 89C51，步进电动机，智能化控制，单片机。 3 / 49 目 录 前 言 . 1 第 一 章 系 统 方 案 论证 . 2 系统基本功能 . 2 设计方案介绍 . 2 系统设计 . 3 4 / 49 第二章 硬件设计 . 4 单元模块设计 . 4 单片机 AT89C51 介绍 . 4 步 进 电 动 机 工 作 原理 . 8 键盘输入块 . 10 光电耦合器与驱动系统 . 12 显示5 / 49 快 . 13 单 片 机 与 步 进 电 机 的 接 口 电 路图 . 15 第 三 章 控 制 系 统 的 软 件 设计 . 17 程 序 设 计 流 程图 . 17 汇编程序 . 18 第四章 仿真与调试 . 22 6 / 49 第五章 结果分析 . 22 第六章 总结 . 23 致谢 . 24 参考文献 . 25 前 言 前 言 步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开7 / 49 环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电 机的运行性能提出了更高的要求。 1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到 20 世纪 60 年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的 踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。 步进电机作为数字式执行元件，相当于一个将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电动机具有结构简单、成本低、易于控制、吴累计误差和计 算机8 / 49 接口方便等优点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单，被广泛应用于各种自动化控制系统中，但传统的控制电路存在许多不足之处，如低频振荡、易发热等缺点、噪声大、步距角较大、分辨率低等，往往满足不了工业上的精确定位和大扭矩控制。 目前 ,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲 目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。 现各界都运用单片机进行控制，并进行不断更新和完善，本研究主要采用 AT80C51单片机控系统，并采用光电隔离技术，对其进一步的设计和研究。 单片机步进电机控制系统设计 摘 要 步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角9 / 49 转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。 本文首先简单的介绍了步进电机的发展概况、特点及工作原理。包括步进电机的控制方式和驱动方式作了系统说明，给出了系统设计的总体方案，以及本系统的特点和功能。然后以 AT89C2051 ， THB6064H 单片机为主控制器，详细介绍了基于该单片机的步进电机的控制系统。 在此基础上对外围电路：键盘电路、动态扫描、复位电路等各个模块的电路进行详细的设计。接着阐述了步进电机软件控制的开发的流程和程序设计。同时给出了两相混合式步进电机的正反转、速度控制的程序清单。本文采用软硬件结合的方法，达到了对步进电机的最佳控制。 关键词：步进电机，单片机， THB6064H Design of Stepper Motor Based on MCU Control System ABSTRACT Stepper motor is controlled by electrical pulse signal phase winding current to achieve fixed angle rotating electromechanical components, compared with other types of motor control with 10 / 49 easy-to-open-loop precision, no accumulation of error of the advantages gained in many fields has been widely used. This paper describes a simple stepper motor development, characteristic, and it works. Including stepper motor control and the driver made a systematic way of explanation, given the system design of the overall program, as well as features and functionality of the system. Then the main controller AT89C2051, THB6064 microcontroller. Described in detail based on the step motor control system. On this basis for the periphery: the keyboard circuitry, the dynamic scanning Reset Circuit in detail and the various modules of the circuit design. Then gives the control of stepper motor software development processes and programming. At the same time gives the six beat three-phase stepper motor rotating, and speed control of the program list. In this paper, the method of combining software and hardware to achieve the best control of the stepper motor. KEY WORDS: stepper motor ,microcontroller, THB6064H 11 / 49 目 录 摘 要 . I ABSTRACT .II 1 绪论 . 1 引言 . 1 12 / 49 国 内 外 步 进 电 机 控 制 的 研究 . 1 国 内 外 控 制 方案 . 2 步 进 电 机 驱 动 技 术 基 本 类型 . 3 2 步 进 电 机 概述 . 5 步 进 电 机 的 特点 .13 / 49 . 5 步 进电机分类 . 5 反 应 式 步 进 电 机 的 工 作 原理 . 6 单 三 拍 通 电 方 式 的 基 本 原理 . 6 六 拍通电方式的基本原理 . 7 双 三 拍 通 电 方 式 的 基 本 原理 . 7 14 / 49 3 步进电机控制系统简介 . 9 步进电机控制系统概述 . 9 系统功能 . 10 控 制 系 统 通 信 设计 . 11 串行通15 / 49 信 . 11 AT89C2051 与 PC 的 通 讯 方式 . 11 串 行 口 工 作 方式 . 12 4 系 统 硬 件 设计 . 15 系统组成 . 15 16 / 49 系 统 核 心 器 件 AT89C2051 . 16 AT89C2051 简介 . 16 系统端 口分配 . 17 外 围 电 路 设 键 盘 电 路 设计 . 17 串行通信接口 .17 / 49 . 20 驱动电路 . 20 THB6064H 功能介绍 . 21 THB6064H 电 机 驱 动 原理 . 23 THB6064H 管 脚 连 接 设计 . 24 5 系 统 软 件 设18 / 49 计 . 25 系 统 软 件 主 流程 . 25 电 机 运 行 主 流程 . 26 键 盘 子 程 序 流程 . 27 系 统 主 程 序 设计 .19 / 49 . 27 串行通讯设计 . 27 速 度 选 择 1 、 2 ， 以 及 电 机 运 转 相 关 程序 . 28 键盘 key 子 程序 . 29 冗余指令 . 30 6 总20 / 49 结 . 31 致 谢 . 32 参 考 文 献 . . 33 附 录 . . 34 附 录 .21 / 49 . 35 单 片 机 步 进 电 机 控 制 系 统 设 计 1 1 绪论 引言 历史证明，一个国家的制造业水平在很大程度上可以体现国家的实力，国家的发展也在很大程度上依赖于先进的制造业，所以大多数国家都非常重视大力发 展造业，二战后，计算机控制技术、微电子技术、信息和自动化技术有了迅速的发展，并在制造业中得到了愈来愈广泛的应用，先后出现了数控 (NC)、计算机数控 (CNC)、柔性制造单元 (FMC)、柔性制造系统 (FMS)、计算机辅助设计与制造 (CAD CAM)、计算机集成制造系统 (CIMS)等多项先进制造技术与制造模式，推动着世界制造业进入一个崭新的阶段。而在这些技术环节中，具有很多优点的步进电机就是一个重要角色，比如在数控技术中。 22 / 49 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Stepping motor、 Pulse motor 或 Stepper servo，其应用发展已有约 80 年的历史。可以说步进电动机天生就是一种离散运动的装置，是纯粹的数字控制电动机，步迸电机驱动器通过外加控制脉冲，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。这些关系在负载能力范围内不随电源电压、负载大小、 环境条件等的变化而变化。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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。 正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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。 国内外步进电机控制的研究 23 / 49 步进电机最早是在 1920 年代由英国人所开发。 1950 年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高 分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。随着现代科技的高速发展，步进电机在人们生产和生活中发挥越来越打的作用。 我国数控系统在初期就是以单板机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，只需一万元左右 就可以装备一台经济型数控机床，很适合我国中小型企 摘 要 本设计是采用 AT89C51 单片机对步进电机的控制，通过 I0口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过 芯片ULNXX 驱动步进电机；同时，用 4 个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。 24 / 49 系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括 AT89C51 单片机的最小系统、电源模版、键盘控制模版、步进电机驱动模块、数码显示模块、测速模块 6 个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终实现 对步进电机转动方向及转速速度的控制，并将步进电机的转速速度动态显示在 LED数码管上，对速度进行实时监控显示。软件采用在 Keil 软件环境下编辑的 C 语言。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。 关键字：步进电机， AT89C51 单片机，电脉冲信号，转速控制，角位移，方向控制 目 录 前言 ?1 第 1 章 控制系统硬件分析与设计 ?1 设计目的及系统功能 ?1 25 / 49 步进电机 ?1 步进电机概述 ?1 步进电机的特性 ?2 步进电机的种类 ?3 永磁步进电机的控制原理 ?3 步进电机控制系统的组成 ?5 单片机最小系统 ?5 键盘控制电路 ?6 数码显示电路 ?8 测速电路介绍 ?9 步进电机驱动电路 ?10 26 / 49 电源设计 ?13 第 2 章 控制系统软件分析与设计 ?14 程序设计思路 ?14 程序流程图 ?14 主 程序流程图 ?14 读键盘子程序流程图 ?15 键盘处理子程序流程图 ?16 电机控制中断程序流程图 ?17 第 3 章 调试与改进 ?18 调试与改进 ?18 运 行 结 果 ?19 总27 / 49 结 ?20 致谢 ?21 参 考 文献 ?22 附录 ?23 西 安电子科技大学继续教育学院毕业论文 前 言 当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。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。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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；同时 可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的28 / 49 速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品、工业控制、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。控制核心采用 C51 芯片，它以其独特的低成本，小体积广受欢迎，当然其易编程也是不可多得的优点为此，本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系 统，可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。 1 目录 1 绪论 3 2 步 进 电 机 原 理 及 硬 件 软 件 设计 4 步 进 电 机 原 理 及 其 控 制 技29 / 49 术 4 总 体 设 计 方 框图 7 设计原理分析 7 元器件介绍 7 方案论证 9 硬件设计 9 软件设计 12 3 结论 30 / 49 15 参考文献 16 附录 1 电路原理图 17 附录 2 程 序 清单 18 致谢 21 基于步进电机控制系统的设计 摘要 步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于 8051 单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、 /O 接口、中断、键盘、 LED显示器的扩展、步进电机的环形分配器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电 压驱动电路等的31 / 49 设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动。随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来 , 步进电机的应用得到大大提高。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪、磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各 种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日惧增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强、价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的 技术和充足的资源。 关键词： 8051 单片机 ,四相步进电机 ,控制 Realizes based on single chip microcomputer 51 the steping motor the control system 32 / 49 ABSTRACT Stepper motor is a stepper motor for precise electrical and mechanical actuators, which are widely used in industrial machinery, digital control, for the system reliability, interoperability, maintainability, and cost-optimal, according to the control system functional requirements and Control system through the microcontroller memory, I/O interface, interrupt, keyboard, LED display of the expansion of the annular distributor stepping motor, drive and protection circuit, man-machine interface circuit, interrupt system and reset circuit, a single voltage drive circuit, to achieve a four-phase stepper motor rotating, and emergency stop functions. To achieve the stepping motor system in NC Machine Tools, system design, two external interrupts, in order to achieve within a certain period of time stepper motor repeated Reversible function, ie, the turret CNC automatic feed movement. With the continuous development of single chip microcomputer, microcontroller in household 33 / 49 electronic products widely applied, since the since the early sixties, the stepper motor applications are greatly enhanced. People use it to drive the clock and other instruments with pointers, printers, plotters, disk CD-ROM drive, a variety of automatic control valves, various tools, as well as robots and other mechanical devices. In addition,as the acIn addition, as the actuator, stepper motor is one of mechanical and electrical integration of the key products are widely used in a variety of automatic control systems, microelectronics and computer technology with the development of its requirements with the Japanese fear of growing in all the field of application of the national economy has. Stepper motor digital control system of electromechanical actuators commonly used, due to its high precision, small size, flexible to control, so the smart meter and position control has been widely used in large-scale integrated circuits technology development, and SCM The increasing popularity of design features, the lowest price of the stepper motor control driver provides advanced technology and adequate resources. 34 / 49 Keywords: single chip microcomputer 8051, four-phase step motor, control 1. 绪论 早在十九世纪三十年代就出现了步进电机，那时候的步进电机实际上是一种可以自由回转的电磁铁，工作原理同今天的反应式步进电机没有什么区别。我国对步进电机的研制及应用起步不算太晚，早在 1958 年，我国的一些科研院所就研制成功了反应式步进电机，并开始应用于数控机床中，进入上世纪六十年代中期，结构新颖的步进电机相继问世，为了降低电动机功耗以及提高效率，人们发明了永磁式和混合式步进电动机。到上世 纪七十年代，步进电机的生产进入了全盛时期，其产量每年都以 11%的指数递增。到目前为止，步进电机已被广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外围设备、绘图仪、电子手表等多方面，所以对步进电机的研究越来越重要。 国外方面， 1952 年，美国麻省工学院首先研制成三坐标数控铣床。数控机床的出现提高了生产效率，推动了机械制造业的发展，对于采用哪种类型的电机作为进给机构的驱动元件35 / 49 一直是争论的焦点，经 过理论分析和现场试验，发现使用步进电机作为进给机构的驱动元件是理想的选择，这一应用使得步进电机的使用范围更加广泛。 步进电动机已成为初直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装臵。在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为了适应这些要求，发展了一系列 新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应有十分广泛的一类便是步进电动机。 步进电机的发展与计算机工业密切相关，自从步进电机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电机推广