基于单片机控制的步进电机,实现歩进电机的启停、正反转设计.docx

1、题目：单片机控制步进电机 任务与要求：用单片机控制步进电机，实现步进电机的起停、正反转功能。摘要步进电机机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移。当步进驱动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角度（及步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。本设计采用 80c51 系列单片机对步进电机进行控制，对但单片机控制步进电机系统的控制方式和软件设计进行研究，分别从位置控制，速度控制，正反转三个方面进行详细的分析。关键词； 单片机;步进电机;控制系统AbstractStepper motor electromechanical co

2、ntrol the implementation of a Common it is the of electrical pulses into angular displacement .When stepping drivers receive a pulse signal it stepper motor driven in the direction set by a fixed rotation angle (angle and stepper) by controlling the number of pulses that can control the angular disp

3、lacement .thusachieving the purpose of accurate positioning; pass control to control the pulse Frequency of motor rotation speed and acceleration so as to achieve the purpose of speed The design used 80c51 microcontroller series of stepper motor control SCM control of the stepper motor control syste

4、m and software design of the study from the position control. Keywords; Single slice machine; Stepper motor;Control system 目 录1 总体方案论证11.1 步进电机简介11.2 步进电机在我国的发展应用及前景11.3 本文研究内容21.4 设计方案的论证21.5 设计的意义与要解决的问题32 步进电机的基本知识42.1 步进电机的概念42.2 步进电动机的结构52.3 步进电机的特点52.4 步进电机的原理62.5 步进电机的基本参数72.6 步进电机的优缺点83 硬件设计

5、93.1 芯片的选择93.1.1 80c51 芯片介绍93.1.2 8155 芯片介绍103.1.3 驱动芯片 ULN 2003 介绍123.2 硬件电路134 软件设计154.1 说明154.2 软件流程框图154.3 源程序16结束语20文献22单片机控制步进电机1 总体方案论证1.1 步进电机简介图 1-1 步进电机外观图步进电机广泛应用与工业自动控制，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。步进电机的原是模型起源于 1830

6、年至 1860 年。1870 年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。1950 年后期晶体管的发明也逐步应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机以广泛应用于需要高定位精度， 高分解性能，高响应性，信赖性等灵活控制性能高的机械系统中。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的最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种自动化控制系统中。随着电子和计算机技术的发展，步进电机的需求

7、量与日俱增，在各个国门经济领域中都有应用。1.2 步进电机在我国的发展应用及前景我国步进电机的研究及制造起始于本世纪 50 年代后期，从 50 年代后期到60 年代后期，主要是高等院校及科研机构为研究一 些装置而使用或开发少量产品。我国在文化大革命时期开始大量使用步进电机。例如，江苏，浙江，北京， 南京，四川等各地都有投入生产。而且在各行业使用。其中的驱动电路所用的半3导体器件都是完全国产化，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计时器，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。70 年代初，步进电机的生产和研究都有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步以

8、外，对反应时步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。70 年代中期至 80 年代中期为成品发展阶段，新品种高性能的电机不断被发展。至 80 年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛应用。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩不仅电动，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业材料，工业生产设备，打印机，复印件，速印机， 银行自动柜员

9、机。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。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，大部分的厂家只有一，二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目阶段。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的应用，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。它必须由双环形脉冲信号，功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械，电机，电

10、子及计算机等许多专业知识。1.3 本文研究内容本设计采用 51 单片机 80C51（晶振频率为 12MHZ）对三相步进电机（内阻33 欧，步进1.8 度，额定电压12V）进行控制。通过I/O 口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片 ULN2003 驱动步进电机。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿 管组成。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能够

11、在关闭态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。通过 ULN2003 构成步进电机的驱动电路。1.4 设计方案的论证（1） 控制方式的确定步进电机是一个比较精确的控制，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，系统控制的 CPU 脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定时。延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的 CP 脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是 CP 脉冲的周

12、期，该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出 CP 脉冲的周期。因为本设计是比较简单的控制过程，故采用延时程序。（2） 驱动方式的确定图 1-2 控制系统组成框图步进电机的驱动一般有两种方式。一种是通过 CPU 直接来驱动，这种方法一般不宜采取，因为 CPU 的输出电流脉冲是特别小的，它不能足以让步进电机的转动；另一种是通过 CPU 来间接驱动，就是把从CPU 输出的信号进行放大， 然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。所以本次设计

13、应采用 CPU 间接驱动步进电机。（3） 驱动电路的选择步进电机的驱动电路有多种，但最为常用的就是单电压驱动，双电压驱动， 斩波驱动，细分控制驱动等。但因本次设计对步进电机的精度要求比较高，转速的调节范围比较广，固应选择驱动芯片 ULN2003 来驱动并通过软件来实现步进电机的正反转，起停。1.5 设计的意义与要解决的问题使用单片机以软件方式驱动步进电机，通过编程方法，对步进电机的往返转动的角度以及正反转，起动停止控制，转动次数等进行控制，使其在一定范围下运行，还可以方便灵活的控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的需要。单片机控制步进电机2 步进电机的基本知识图 2-1 步进电机外观图2.1

14、 步进电机的概念图 2-1 为步进电机的外观图，步进电机是机电控制中一种常用的执行机构， 它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。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，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。控制步进电机的速度，即给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越

15、快。同时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。在非超载的情况下，电机的转速，停止的位置只取决与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，电机则转过一个步进角，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计误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。212.2 步进电动机的结构一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。每输入一个冲信号，该电动机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。步进

16、电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用将逐渐扩大。图 2-2 反应式步进电动机的结构示意图步进电动机的种类很多，按结构可分为反应式和激励式两种；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。图 2-2 是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，联法如图所示。 2.3 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

17、电机外表允许的最高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。5. 步进电机与驱动电路组成的开环

18、数控系统，即非常简单、廉价、有非常的可靠，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，易于起停，正反转。7. 速度可以在相当宽的范围内平滑调节，因此，可以不用减速器而直接带负载。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。2.4 步进电机的原理反应式步进电机由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理1.结构：电机转子上均匀分布很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3 、2/3 ,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即 A 与齿 1 相对齐 B 与齿 2

19、 向右错开 1/3 ，C 与齿 3 向右错开 2/3 ，A与齿 5 相对齐，（A就是 A，齿 5 就是齿 1）下面是定转子的展开图：2、旋转：图 2-3 定转子展开图如 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

20、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-AB-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

21、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。3、力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量 ）当转子与定子错开一定角度产生力 F 与（d /d ）成正比 S 其磁通量 =Br*S Br 为磁密，S 为导磁面积 F 与L*D*Br 成正比 L 为铁芯有效长度，D 为转子直径 Br=NI/R NI 为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R 为磁阻。 力矩=力*半径 力矩与

22、电机有效体积* 安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态） 因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然2.5 步进电机的基本参数1、 电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9/1.8（表示半步工作时为 0.9、整步工作时为 1.8），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。2、步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电

23、机的步距角为 0.9/1.8、三相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱上改变细分数，就可以改变步距角。3、保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2N.m 的步进电机， 在没有特殊说明的情

24、况下是指保持转矩为 2N.m 的步进电机。2.6 步进电机的优缺点优点1. 电机旋转的角度正比于脉冲数； 2. 电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）； 3. 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 4. 优秀的起停和正反转响应； 5. 由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命； 6. 电机的响应由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构以比较简单而且控制成本 7. 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。 8. 由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。缺点1.

25、如果控制不当容易产生共振； 2. 难以运转到较高的转速。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一个矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一个角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。3 硬件设计3.1 芯片的选择3.1.1 80c51芯片介绍图 3-1管脚图图 3-2静态显示电路图40 个引脚按引脚功能大致可

26、分为 4 个种类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚。 电源: VCC - 芯片电源，接+5V；VSS - 接地端；注：用万用表测试单片机引脚电流一般为 0v 或者 5v，这是标准的 TTL 电平， 但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于 0v-5v 之间，其实这之是万用表反映没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电流还是保持在 0v 或者 5v 的。 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 控制线:控制线共有 4 根，ALE/PROG: 地址锁存允许/片内 EPROM 编程脉冲 ALE 功能：用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址 PROG 功能

27、：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。PSEN: 外 ROM 读选通信号。RST/VPD: 复位/备用电源。RST （Reset）功能：复位信号输入端。VPD 功能：在 Vcc 掉电情况下，接备用电源。EA/Vpp: 内外 ROM 选择/片内 EPROM 编程电源。EA 功能：内外 ROM 选择端。Vpp 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，施加编程电源 Vpp。I/O 线80C51 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口：P0、P1、P2、P3 口，共 32 个引脚。P3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总

28、线）。3.1.2 8155 芯片介绍图 3-3管脚图图 3-4 静态显示电路图8155 8155 采用 40 脚双列直插式封装，单一5v 电源。 RESET: 复位信号线，高电平有效，在该输入端加一脉冲宽度为 600ns 的高电平信号，就可使 8155 可靠复位，复位时三个输入/输出口预置为输入方式。 CE: 片选端,8155 为低电平有效，8156 为高电平有效，当 8155 上加上一个低电平时，芯片被选中，可以与单片机交换信息。 AD0 AD7:三态地址/数据总线，在 ALE 的下降沿把 8 位地址锁存于内部地址锁存器，地址可代 RAM 或输入/输出用，由IO/M 信号的极性而定，8 位数

29、据的流向取决于 RD 或 WR 信号的状态。 ALE: 地址锁存器启用信号线，高电平有效，其下降沿把 AD0AD7 上的地址， 片选信号、IO/M 信号锁存起来。 IO/M:IO 和 RAM 选择信号线，高电平造反输入/输出，该线低电平选择存储器。RD：读信号线，低电平有效，当片选信号与RD 有效时，开启AD0AD7 缓冲器，如果 IO/M 为低电平，则 RAM 的内容读至 AD0AD7，如果 IO/M 为高电平， 则选中的输入/输出口的内容读到 AD0AD7。 WR:写信号线，低电平有效，当片选信号和 WR 信号有效时，AD0AD7 上的数据将根据 IO/M 极性写入 RAM 或 I/O 口

30、。 PA0PA7:输入/输出口 A 的信号线，通用 8 位输入/输出口，输入/输出的方向通过对命令/状态寄存器的编程来选择。 PB0PB7:输入/输出口 B 的信号线，通用 8 位输入/输出口，输入/输出的方向通过对命令/状态寄存器的编程来选择。 PC0PC5:输入/输出口 C 的信号线，6 位可编程输入/输出口，也可用作 A和 B 口的控制信号线，通过对命令/状态寄存器编程来选择。 INT:定时/计数器输入信号线，定时/计数器的时钟由此线输入。 TOUT:定时/计数器的输出信号线,输出信号为方波还是脉冲则由定时 /计数器的工作方式而定。 VCC:电源线，接V 直流电源。VSS:接地线，接到公用地线上。8155 接线图图 3-58155 接线图3.1.3 驱动芯片 ULN 2003 介绍对于电流小的步进电机，可以采用 ULN2003 之类的驱动 IC 是一种小而美的驱动装置，它所提供的输出电路可达 0.5 安培！如下图所示，2003 系列的接脚图图 3-6 ULN2003 IC 接 角 图ULN2003 是一种高电压、大电流驱动阵列芯片，内部包含7 组 NPN 型达林顿管，7 组 NPN 型达林顿单元电路都开路输出，以便适应 等多种电平的需要，每组驱动电路短