基于单片机的步进电机控制系统设计

基于单片机的步进电机

控制系统设计作者姓名：专业名称：电气工程及其自动化指导教师：成都理工大学工程技术学院本设计的意义及内容步进电机概述论文结构单片机简介控制系统系统设计1.本设计的意义及内容现在步进电机已被广泛使用，但步进电机不能像直流电机，交流电机在常规下使用，它必须有双环型脉冲信号，功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此，设计步进电机具有现实意义和实用价值。本文通过MCS-51单片机对步进电机进行控制，主要介绍了步进电机驱动电路和LED显示电路的设计，包括硬件系统设计和软件系统设计，来实现步进电机的控制。系统为一自动控制系统，通过按键向单片机输送控制信号，控制步进电机的转速和方向，重点阐述了脉冲产生电路以及对速度和方向的控制，该系统具有本钱低，控制方便的特点。

2.步进电机概述

——步进电机分类径向分相式：电机各相按圆周依次排列轴向分相式：电机各相按轴向依次排列按各相绕组分布

单定子式；双定子式；三定子式；多定子式。按定转子数伺服式：输出力矩在几百～几KN.cm，只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动大负载。功率式：输出力矩在5～50N.m以上，可以直接驱动大负载。

按输出力矩的大小反应式：转子无绕组，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。励磁式：定、转子均有励磁绕组(或转子用永久磁钢制成)由电磁力矩实现步进运行。

按力矩产生的原理

具体类型

分类型式

现在比较常用的步进电机包括反响式步进电机〔VR〕、永磁式步进电机〔PM〕、混合式步进电机〔HB〕和单相式步进电机等。1.永磁式步进电机永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。2.反响式步进电机反响式步进电动机结构简单，生产本钱低，步距角小；但动态性能差。3.混合式步进电机混合式步进电动机综合了反响式、永磁式步进电动机两者的优点，步距角小，输出力矩大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。应用最为广泛。综合以上概述本设计选择的混合式步进电机。

步进电机概述

——速度控制如果电机每转动1圈需要脉冲数为：n=360/1.50=240,那么每转一圈要240个脉冲，假设要求25转/分，那么每秒要产生脉冲数为：n1=25/60*240=100。为此我们得出转速与每秒产生的脉冲个数关系为：N=V/60*240=4V式中V为要控制的速度，N为所需脉冲个数。有了上述关系我们就不难推出定时时间与速度之间的关系：T=1/N=1/4V假设定时器控制位TMOD=01H，那么定时器的计数初值与转速之间的关系为：步进电机概述

——速度控制X=261-1/4V*foc*12

式中foc为晶振频率。为此我们可以得出步进电机转速与定时器定时常数关系，见右表为此我们只要将定时器的初值写入表格，利用查表程序就可以完成电机速度的控制。

步进电机概述

——方向控制一般步进电机来说，驱动器的输入共用3路，它们是：步进脉冲信号CP，方向电平DIR，脱机信号PREE。1.步进脉冲信号CP步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置与速度，也就是说；驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机一个旋转的步距角，CP脉冲的频率改变那么会使步进电机的转速改变，控制CP脉冲的个数，那么可以使步进电机精确定位。步进电机概述

——方向控制

2.方向电平DIR方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向，此端为高电平时，电机一个转向，此端为低电平时，电机转向另一个方向，电机转向必须在电机停机后进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束以及下一个方向的第一个脉冲前发出。3.脱机电平信号PREE当驱动器上电平后，步进电机处于锁定状态，或那么运行状态，当用户想手动调整电机而不想关闭驱动器电源，这时就可以用到此信号。如果不需要此功能，此端不接即可。步进电机概述

——位置控制

步进电机不需要位置传感器，就可依照输入的脉冲数决定移动量，并将负载顺利、正确地送达指定位置点上。移动量的大小，是依照电机分辨率的大小与输入的脉冲数决定的，脉冲数与位移量间的关系如下:位置移动量=步进电机分辨率x输入脉冲数步进电机的概述

——驱动系统

步进电机在仅给予电压时，电机是不会动作的，必须通过脉冲产生器提供位置〔脉波数〕、速度的脉冲信号指令，以及驱动器电流流过电机内线圈，依顺序切换鼓励磁相序的方式才能让电机运转。所以，欲使步进电机动作的必要系统组成如下：1.脉冲产生器：产生角度〔位置移动量〕、动作速度及运转方向等脉冲信号的电机驱动指令。2.步进驱动器：依控制器所投入的脉冲信号指令提供电流，驱动步进电机动作。3.步进电机：提供转矩动力输出来带动负载。3.单片机简介单片机(MCU)是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。具有一个完整计算机所需要的大局部部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大局部还会具有外存。单片机是所有微处理机中性价比最高的一种，随着种类的不断全面，功能不断完善，其应用领域也迅速扩大。单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。所以本设计采用单片机，本钱低，易于实现。

4.控制系统

——驱动电路

控制系统

——数码显示数码线路的接线方式有如下两种：方案一：串行接法设计中显示2位数字，用74LS164作为显示驱动，其中带锁存，使用串行接法可以节约IO资源，且发送数据时容易控制方案二：并行接法使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据，占用资源较多。由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，选择了方案一，另外，使用存放器74LS164也起到节约资源的作用。

控制系统

——数码显示

数码显示用于读取电机转速的。由此来作为控制电机的依据

控制系统

——按键电路设计

按键主要用来提供人机接口，用来控制电机的动作5.系统设计

——设计框图以下图即为系统设计的硬件框图系统设计

——设计总电路图