基于单片机控制的步进电机控制器

1、单片机原理与应用技术课程设计报告（论文）基于单片机控制的步进电机控制器专业班级： 电气113班 姓名： 吕志斌 时 间：2013.11.25-2013.12.14 指导教师： 邵峰 徐君鹏 2013年 12 月 14日单片机课程设计任务书 1设计目的与要求 设计出一个基于单片机控制的步进电机控制器。准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能： （一）基本功能要求 1.实现步进电机的正反转控制2.实现步进电机的加速控制3.实现步进电机的减速控制 （二）扩展功能要求 实现电机的正反转状态指示及速度快慢指示。2设计内容 （1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系； （2）确定元器

2、件及元件参数； （3）进行电路模拟仿真； （4）SCH文件生成与打印输出；3编写设计报告 写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。4 答辩 在规定时间内，完成叙述并回答问题。论文结构清晰，层次分明，理论严谨基于单片机控制的步进电机控制器电气113班 吕志斌摘要：步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。本文应用单片机AT89C51和步进电机驱动器L298，构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。通过AT89C51和脉冲分配器(又称逻辑转换器)完成步进电机的各种运行控制方式，实现步进电机在4相8拍的工作方式下的正反转控制和加减速控

3、制。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。关键词： 步进电机 AT89C51 电机驱动 正反转控制 LED显示1 引言： 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

4、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、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、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很大的提高。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

5、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，它的需要量与日俱增，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。2 总体设计方案本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。最小系统只要是为了使单片机正常工作。控制电路只要由开关和按键组成，由

6、操作者根据相应的工作需要进行操作。显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。总体设计方案的框图如下图1所示。2.1步进电机的概念步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个步进电机L298步进电机驱动芯片AT89C51芯片 电源及时钟电路 LED状态显示电路按键控制电路图1系统总框图脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。我们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；同时我们也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

7、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，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。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。  图2.1步进电机外观图2.2 步进电机工作原理 2.2.1步进电机的静态指标及术语 相数:产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即ABBCCDDAAB,四相八拍运行方式即AABBBCCCDDDAA

8、。步距角:对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度(转子齿角运行拍数)，以常规二、四相，转子齿角为50齿角电机为例。四相运行时步距角为=360度/(50*4) =1.8度，八拍运行时步距角为=360度/(50*8)=0.9度。定位转矩:电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)。静转矩:电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及

9、机械噪音。 2.2.2步进电机工作原理 电机的U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 。以反应式步进电机为例：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子

10、向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-A

11、B-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。2.3 步进电机的特点2.3.1 步进电机的特点1. 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。2. 步进

12、电机外表不允许较高的温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3. 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。5. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉

13、价，又非常的可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。6. 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。7. 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。8. 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。2.3.2四相步进电机的脉冲分配规律目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时

14、序与波形分别如图1 a, b, c所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。3.硬件设计本设计的硬件电路只要包括控制电路、晶振和复位电路、驱动电路、LED显示电路四大部分。电源及时种模块是为了使单片机正常工作。控制电路只要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主

15、要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。 在使用单片机80C51和驱动电路时我们有必要先了解一下89C51和L298芯片。89C51单片机 ATMEI公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容;片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM, 4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。L29

16、8 L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标准TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、DC和步进电机）。L298提供两个使能输入端，可以在不依赖于输入信号的情况下，使能或禁用L298器件。L298低位晶体管的发射器连接到一起，而其对应的外部端口则可用来连接一个外部感应电阻。L298还提供一个额外的电压输入，所以其逻辑电路可以工作在更低的电压下。L298 特性 ：L298工作电压高达46V ；总

17、DC电流达4A ；低饱和电压 ；L298具有过温保护功能 ；逻辑“0”输入电压高达1.5V(高抗噪性) 。3.1控制电路根据系统的控制要求，控制输入部分设置了正转控制，反转控制，加速控制和减速控制和停止控制按钮，分别是K1, K2, K3 K4，K5控制电路如图所示。通过K1, K2状态变化来实现电机的正转和反转功能。当K1, K2的状态变化时，内部程序检测P3.2和P3.3的状态来调用相应的正转和反转换相程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有:软件延时和定时中

18、断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过K2, K3的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据(该数据为定时器的中断次数)，这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。图3.1 控制电路图3.2晶振和复位电路单片机的晶振和复位电路，素质用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括:单片机、复位电路、晶振电路。复位电路使用了独立式键盘，单片机的P1口键盘的接口。该设计要求只需1个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用了1路独立式键盘。复位电路采用手动复

19、位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用100PF的电容和一个12M晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率，如图3.2.1所示。晶振电路:8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到:内部震荡方式和外部中断方式。在引脚XTAL 1和XTAL2外部接晶振电路器(简称晶振)或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图示。其电容值一般为30pf,晶振频率的典型值为12MHz,采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。

20、图3.2.1晶振和复位电路图3.2.2晶振电路3.3驱动电路 步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以介绍。通过L298构成比较多的驱动电路，电路图如图所示。通过单片机的P1.0P1.3输出脉冲到ULN2803的1B4B口，经信号放大后从1C4C口分别输出到电机的A, B, C, D相。其中VCC和VS，ENA和ENB都接高电源，SENSA,SENSB和GND接电位，这样就可以通过L298的输入和输出来驱动步进电机。具体电

21、路如下图3.3所示。3.4显示电路在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。在显示电路中，主要是利用了单片机的P1口。采用4个LED发光二级光作显示。第一个数码管接P1.4第二三四个二极管分别接P1.5-P1.7口，用于显示电机正反转状态，正转时LED灯D8亮，反转时LED灯D7亮，不转时灯灭。电路如图3.4所示。图3.3驱动电路 图3.4 LED显示电路4.步进电机的控制4.1 步进电机的速度控制 步进电机的速度控制是通过单片机发出的步进脉冲频率来实现，对于软

22、脉冲分配方式，可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速，对于硬脉冲分配方式，可以控制步进脉冲的频率来实现调速。控制步进电机的速度的方法可有两种：1. 软件延时法：改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率，但这种方法CPU长时间等待，占用大量的机时，因此没有实践价值。2. 定时器中断法：在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速，这种方法占有的CPU时间较少，在各种单片机中都能实现，是一种比较实用理想的调速方法。定时器法利用定时器进行工作，为了产生步进脉冲，要根据给定的脉冲频率和单片机的机器周期来计算定时常数，这个定时器决定了定时时间，当定时时间到而使定时器产

23、生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变P1.0的电平状态的操作，这样就可以得到一个给定频率的方波输出，改变定时常数，就可以改变方波的频率，从而实现调速。4.2 步进电机的位置控制 步进电机的位置控制，指的是控制步进电机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置，步进电机的位置控制是步进电机的一大优点，它可以不用借助位置传感器而只需要简单的开环控制就能达到足够的位置精度，因此应用很广。步进电机的位置控制需要两个参数：1. 第一个参数：步进电机控制执行机构当前的位置参数（我们称为绝对位置），绝对位置时有极限的，其极限时执行机构运动的范围，超越了这个极限就应报警。2. 第二个参数：从当前位置移动

24、到目标位置的距离 我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电机的步数，这个参数是外界通过键盘或可调电位器旋钮输入的，所以折算的工作应该在键盘程序或A/D转换程序中完成。 对步进电机位置控制的一般作法是：步进电机每走一步，步数减1，如果没有失步存在，当执行机构到达目标位置时，步数正好减到0，因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位，作为步进电机停止运行的信号。 4.3 步进电机的加减速控制步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受各种环境条件诸如温度、压力、振动、冲击等影响，而仅仅与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低可以大范围地调节电机的转速，并能实现快速起动、制动、正反转、加减速

25、，而且有自锁的能力，不需要机械制动装置，不经减速器也可获得低速运行。它每转过一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电机驱动执行机构从A点到B点移动的时，要经历升速，恒速，减速过程，如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率，步进电机就有失步现象，因此会造成不能正常启动，如果到终点时突然停下来，由于惯性作用 ，步进电机会发生过冲现象，会造成位置精度降低。如果升速非常缓慢的升降速，步进电机虽然不会发生失步和过冲现象，但影响执行机构的工作效率，所以，对步进电机的加减

26、速要有严格的要求，那就是保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到有可能指定位置。为满足加减速要求，步进电动机运行通常按照加减速曲线进行。图5.1是加减速运行曲线。加减速运行曲线没有 一个固定的模式，一般根据经验和实验得到的。最简单的是匀加速和匀减速曲线，如下图4.3.1和4.3.2所示： 图4.3.1 匀加减速其加减速曲线都是直线，因此容易编程实现。按直线加速时，加速度是不变的，因此要求转矩也应该是不变的。但是，由于步进电动机的电磁转矩玉转速时非曲线关系，因而加速度玉频率也应该是非曲线关系。因此，实际上当转速增加时，转矩下降，所以，按直线加速时，有可能造成因转矩不足而产生

27、失步的现象。5.软件设计通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、加速信号和方向信号，因而采用中断方式效率最高，这样总共要完成4个部分的工作才能满足课题要求， 图4.3.2 瞬时加减速 即主程序部分、定时器中断部分、外部中断0和外部中断1部分，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测，若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率，它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。 5.1主程序设计 主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系

28、统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对P1口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。若初始化P3=1，即高电状态，速度和方向初始值均设为0，就意味着步进电机按四相单四拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，显示方向的LED灯不亮，显示速度状态的LED灯也不亮。流程图如下图所示。5.2 程序框图根据设计任务，可画出控制步进电机正反转，加减速控制。我们以正转开始键K1键为例来说明，其它反转键，加速键，减速键，停止键的程序流图与此相同。

29、程序流图如下图5.2。6.设计总结本设计通过单片机AT89C51和步进电机的驱动电路控制步进电机的正反转，加减速，以实现进电机的运动控制。该设计实现了占用CPU时间少，效率高；易于控制步进电机的转向转速；提高了步进电机的步进精度等。再有，本设计过程考虑比较周全，可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求，因此常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。步进电机控制（包括控制脉冲的产生和分配）使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了电路，也减低了成本。基于单片机的步进电机控制系统性能优于传统的步进控制器，具有相应快，控制方便可靠等一系列优点，在机电一体化、数模转换

30、装置、计算机外围设备中得到广泛地应用，发展前景广阔。7.结束语通过这次课题设计，经过自己动手查找资料，修改程序，自己动手画原理图，仿真图，并进行仿真和修改。然后通过添加元器件封装，和对原理图布线。我对单片机知识有了更进一步的了解和学习，进一步巩固了自己的知识。这次课题设计确实学的了许多，也收获了许多。感谢老师，在这次课题设计期间给予我的帮助与耐心讲解，也感谢老师给了我们这样一个机会。开始 初始化 K1=1 ？ Y N 延时去抖K1仍然=1 ？ N Y加速 图5.2程序流图参考文献1 李建忠，单片机原理及应用M.西安电子科技大学出版社,2008年2月第2版:32-52,244-2772 杨天明，电机与拖动，高等教育出版社 M.2013年5月：45-513 徐君鹏 ，单片机实验指导. 河南科技学院机电学院 J,28-47.4 石磊 张国强，Altium Designer 电路设计，清华大学出版社M .2009年11月：23-355 康华光，电子技术基础 ，高等教育出版社, 2005年7月第5版：56-65 5孙笑辉,韩曾晋. 减少感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法J. 电气传动, 2008: 8-21附件1： C语言程序#include<reg51.h>#define uint unsigned intsbit zz