步进电机课设控制转速

1、北 华 航 天 工 业 学 院课程设计报告（论文）设计课题：步进电机控制系统设计 专业班级： B12222 学生姓名： 孙介涛 高恒方 指导教师： 齐建玲 设计时间： 2015.7.12015.7.3 北华航天工业学院电子工程系 步进电机控制系统设计 课程设计任务书姓 名：孙介涛高恒方专 业：自动化班 级：B12222指导教师：齐建玲职 称：教师课程设计题目：步进电机控制系统设计已知技术参数和设计要求：1具有对步进电机的启停、正反转、加减速控制； 2控制按钮分别为正转、反转、加速、减速、以及停止键； Ø 3能够通过三位LED数码管（或液晶显示器）显示当前

2、的转动速度，并且由两只不同颜色的发光二极管分别指示正转和反转，因此可以清楚的显示当前转动方向和转速；4要求每组选择的步进电机控制字不同；5用单片机做控制微机；所需仪器设备：PC protues仿真软件 keil软件成果验收形式：仿真结果参考文献：1李朝青.单片机原理及接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，1988. 2李勋等.单片机实用教程M.北京：北京航空航天大学出版社，2000 3王幸之等.单片机应用系统抗干扰技术M. 北京：北京航空航天大学出版社，1999 4何为民.低功耗单片微型计算机系统设计M. 北京：北京航空航天大学出版社，1994 5李杏春等.8090单片机原理及实用接口技术

3、M. 北京：北京航空航天大学出版社，1996时间安排2015.7.1至2015.7.2设计程序进行仿真2015.7.3实验验收指导教师： 教研室主任： 年 月 日内 容 摘 要摘要：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、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

4、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

5、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。目 录一 概 述 1二 方案设计与论证5三 总体原理分析7四 总原理图8五 程序流程图9六 程序清单10七 调试运行15八 心得体会15九 参考文献15 一、概述 1.步进电机原理、控制技术及其特点由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备.步进电机控制驱动器，典型步

6、进电机控制系统的控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连 续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把 来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进 电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类： 一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。功率放大器主要 对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的，步进电机 的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，

7、其基本原理如下： （1） 换相顺序的控制 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式 下，其各相通电顺序为 ABCA，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别 控制 A、B、C 相的通断。三相双三拍的通电顺序为 ABBCCAAB，三相六 拍的通电顺序为AABBBCCCAA。 （2） 步进电机的换向控制 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。若步进电机的励磁方式为 三相六拍，即 AABBBCCCAA。如果按反序通电换相，AACCCBBBAA，则电机就反转。其他方式情况类似。 （3） 步进电机的速度控制 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一

8、步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率， 就可以对步进电机进行调试。 （4） 步进电机的起停控制 步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。为了使电机转动平滑，减小 振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步 进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性 而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电 机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。 （5）步进电机的加减速控制在步进电机的控制系统中，通过实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于惯性跟不上电信号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。

9、所有步进电机在启动 时，必须有加速过程，在停止时波形有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲 线，步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。 选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效 转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。在一个 实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失 步的最高步进频率称为“启动频率”，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突 然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率 和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，有了这些数据，才能有效地对电机进

10、行加减速控制。加速过程有突然施加的脉冲启动频率 f0。步进电机的最高启动频 率（突跳频率）一般为0.1KHz 到 34KHz，而最高运行频率则可以达到N*102KHz， 以超过最高启动频率的频率直接启动，会产生堵转和失步的现象。 （6） 步进电机的换向控制 步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内在换向， 以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲 结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定 的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换 实质包含了降速换向加速3个过程。步进电机有如下特点： 步进

11、电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，也非常可靠。同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电源。 步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强。2.元器件介绍 （1）步进电机 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信 号，步进电机就

12、转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其 他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件。其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现 精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电 脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进 电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。步进电机旋

13、转的角度由输入 的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。 四相步进电机的工作原理 该设计采用了 20BY-0 型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直 流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转 动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如 果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小 路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见， 错齿是促使电机旋转的原因。 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

14、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。 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。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

15、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 及机械噪音。 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

16、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。 （2）89C51单片机 Atmel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

17、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。二、方案设计与论证1.1步进电机的特点： （1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。（2）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。（3）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发

18、生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。1.2步进电机的工作原理： 步进电机是一种用电脉冲进行控制 ,将电脉冲信号转换成相位移的电机 ,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比 ,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度 ,脉冲的频率决定了电机运转的速度.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

19、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速度和加速度，从而达到调速的目的。 四相步进电机有两种运行方式  1.四相四拍；2.四相八拍。 （1）拍数： 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用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A-B-C-D-A。 （2）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（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行

20、时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。 计算转速#以基本步距角1.8°的步进电机为例（现在市场上常规的二、四相混合式步进电机基本步距角都是1.8°），四相八拍运行方式下，每接收一个脉冲信号，转过0.9°，如果每秒钟接收400个脉冲，那么转速为每秒400X0.9°=360°，相当与每秒钟转一圈，每分钟60转。1.3步进电机详细调速原理： 步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固

21、定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电的调速。具体的延时时间可以通过软件来实现。这就需要采用单片机对步进电机进行加减速控制,实际上就是改变输出脉冲的时间间隔,单片机控制步进电机加减法运转可实现的方法有软件和硬件两种 ,软件方法指的是依靠延时程序来改变脉冲输出的频率,其中延时的长短是动态的,软件法在电机控制中, 要不停地产生控制脉冲, 占用了大量的CPU 时间,使单片机无法同时进行其他工作;硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现的,在每次进入定时中断后

22、,改变定时常数,从而升速时使脉冲频率逐渐增大,减速时使脉冲频率逐渐减小,这种方法占用CPU 时间较少,在各种单片机中都能实现,是一种比较实用的调速方法。型号为MP28GA的步进电机和ULN2003APG的驱动芯片 步进电机的驱动信号必须为脉冲信号，转动的速度和脉冲的频率成正比!本步进电机步进角为5.625度.一圈360度,需要64个脉冲完成。三.总体原理分析 使用AT89C51单片机作为核心控制部件，采用12M晶体振荡器及微小电容构成振荡电路；采用四相双四拍步进电机作为驱动机构；用一个四位一体共阳极数码显示管作为显示部分，构成步进电机控制系统的主体结构，配合独立式

23、键盘和外部中断按键完成步进电机控制系统的启动、停止、正转、反转、加速、减速等各项功能；两个LCD指示灯实现正反转运行状态显示的功能。 LED数码显示器采用共阳极接法以及动态扫描的形式。P0输入输出口输出数据显示段码，P2口实现3个LED数码管位选的功能；采用p3.6和p3.7口分别与二极管组成的电路来驱动LCD指示灯。键盘控制采用独立式按键，每个按键的一端均接地，另一端直接和P3口相连。键盘通过检测输入线的电平状态就可以很容易地判断哪个键被按下了，这种方法操作速度高而且软件结构很简单，比较适合按键较少或操作速度较高的场合。通过编写程序使用单片机的定时计数器，以及软件延时，中断资源来实

24、现步进电机的相关控制。软件主程序主要完成程序显示区的清零、中断初始化（外部中断、定时中断）、调用显示子程序和键盘扫描程序构成；外部中断子程序实现步进电机的加减控制；显示子程序实现段码输送和位选的功能，此步进电机控制系统的硬件整体结构如图1-1所示。四、总原理图五、程序流程图 MAIN调试显示子程序堆栈初始化步进电机初值设定显示清零案件扫描开中断显示值赋值设置外部中断触发方式定时器0初始化定时器0中断子程序六、程序清单#include<reg51.h> #define uchar unsigned char #define DataPort P0 /数码管段选控制端#define C

25、trlPort P2 /数码管位选控制端sbit zheng=P31; /正转控制端sbit fan=P34; /反转控制端sbit on_off=P30; /启动，停止 sbit zl=P36; /LCD反转指示灯控制口 sbit fl=P37; /LCD正转指示灯控制口sbit sjgz=P35; /数据跟踪 uchar Speed,tem,tem_1,setshu; /速度变量定义uchar flag; uchar biao124=0x09,0x03,0x06,0x0c,0x0c,0x06,0x03,0x09; /正转表格uchar biao224=0x0c,0x06,0x03,0x09

26、,0x09,0x03,0x06,0x0c; /反转表格uchar const DuanMa=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/共阳数码管显示段码值0123456789uchar code WeiMa=0x08,0x04,0x02,0x00,0x80,0x40,0x20,0x00; /共阳数码管位码 uchar TempData3; /存储显示值的全局变量，用于暂存数码管显示的数字uchar TempData13; /存储显示值的全局变量，用于暂存数码管显示的数字1void Display(void); /数码管显示函数声明vo

27、id Init_Timer0(void); /定时器0初始化void DelayMs(uchar m); void DelayUs2x(uchar t); /微妙延时函数声明 /*主函数*/void main() uchar i; EA=1; /全局中断开 IT0=1; /1表示边沿触发 IT1=1; /1表示边沿触发 Init_Timer0(); Speed=100;setshu=70;TempData10=DuanMa(25000/setshu)%10; TempData11=DuanMa(2500/setshu)%10; TempData12=DuanMa(250/setshu)%10&

28、amp;0x7f;while(1) if(on_off=0) if(zheng=0) /正转 TempData0=DuanMa(25000/Speed)%10; TempData1=DuanMa(2500/Speed)%10; TempData2=DuanMa(250/Speed)%10&0x7f;EX0=1; EX1=1;zl=0;fl=1; for(i=0;i<4;i+) /4相 P1=biao1zhengi; /输出对应的相 DelayMs(Speed); /改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 if(sjgz=0) if(Speed>setshu) S

29、peed=Speed-10;if(Speed<setshu) Speed=Speed+10; if(on_off=0) if(fan=0) /反转 TempData0=DuanMa(25000/Speed)%10; TempData1=DuanMa(2500/Speed)%10; TempData2=DuanMa(250/Speed)%10&0x7f;EX0=1; EX1=1;zl=1;fl=0; for(i=0;i<4;i+) /4相 P1=biao2fani; /输出对应的相DelayMs(Speed); /改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 if(sj

30、gz=0) if(Speed>setshu) Speed=Speed-10;if(Speed<setshu) Speed=Speed+10; /*外部中断0子程序（实现减速） */void ISR_INT0(void) interrupt 0 if(!INT0) DelayMs(1); /去抖动 while(!INT0) /等待按键释放 tem=Speed; if(tem>=250) tem=tem; else tem=tem+10; Speed=tem; TempData0=DuanMa(25000/Speed)%10; TempData1=DuanMa(2500/Spee

31、d)%10; TempData2=DuanMa(250/Speed)%10&0x7f;/*外部中断1子程序（实现减速） */void ISR_INT1(void) interrupt 2 if(!INT1) DelayMs(1); while(!INT1) tem_1=Speed; if(tem_1<=50) tem_1=tem_1; else tem_1=tem_1-10; Speed=tem_1; TempData0=DuanMa(25000/Speed)%10; TempData1=DuanMa(2500/Speed)%10; TempData2=DuanMa(250/Speed)%10&0x7f; /*定时器0初始化子程序*/void Init_Timer0(void) EA=1; /全局中断开 TMOD=0x01; /使用模式1，16位定时定时器 ET0=1; /定时器中断打开 TR0=1; /定时器开关打开 void Timer0_isr(void) interrupt 1 TH0=(65536-2000)/256; /重新赋值 2msTL0=(65536-2000)%256; PT0=1; /优先级打开Display(); /*数码管显示子程序*/void