单片机之步进电机控制.docx
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单片机之步进电机控制
单片机课程设计
题目名称
学院
专业班级
姓名
学号
指导教师
目录
一、设计要求3
二、设计总体方案3
1、MCS51单片机原理3
2、步进电机工作原理：
4
3、步进电机的分类与选择：
5
三、电路分析8
1、步进电动机脉冲序列信号与转速控制8
2、步进电机的驱动电路及状态显示9
四、程序设计10
五、步进电机控制器仿真12
六、参考文献13
单片机课程设计任务书
一、设计要求
（1）设计内容：
用MCS51单片机设计一个步进电机控制器
（2）设计要求：
（1）完成单片机与功率驱动电路及小功率步进电机的连接
（2）控制步进电机的转动方向、转动速度及转过指定的角度
（3）通过按键改变电机的转向、转速等参数
二、设计总体方案
1、MCS51单片机原理
5l系列单片机中典型芯片（MCS8051）采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，内部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8b的工／O端I：
IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。
特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器（E~PROM），使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。
该系列单片机引脚与封装如图1所示。
5l系列单片机提供以下功能：
4KB存储器；256BRAM；32条工／O线；2个16b定时／计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。
5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。
充分利用它的片内资源，即可在较少外围电路的情况下让步进电机实现功能。
图151系列单片机图
2、步进电机工作原理：
步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。
步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率（f）成正比，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。
如下所示的步进电机为一四相步进电机，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，就能使步进电机步进转动。
图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图2四相步进电机步进原理图
开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推，A、B、C、D
四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2-2所示：
图3步进电机工作时序波形图
3、步进电机的分类与选择：
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（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。
反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩，但动态性能相对较差。
永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。
用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。
一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
这种步进电机的应用最为广泛，它是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。
此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。
一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
1、步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。
电机的步距角应等于或小于此角度。
目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。
2、静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。
静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。
单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。
直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。
一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。
3、电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。
4、力矩与功率换算
步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：
P=Ω•MΩ=2π•n/60P=2πnM/60
其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿•米
P=2πfM/400（半步工作）
其中f为每秒脉冲数（简称PPS）
方案
主要元器件清单
序号
材料名称
规格型号
数量
1
单片机
MCS51
1
2
晶振
12MHz
1
3
电容
CAP
3
4
电阻
RES
4
5
步进电机
MOTOR-STEPPER
1
6
运放
ULN2003A
1
7
开关
BUTTON
4
8
发光二极管
LED
2
此方案的优点：
电路简单，能够实现对电机的正转、反转、加速、减速、停止的控制。
三、电路分析
1、步进电动机脉冲序列信号与转速控制
要步进电机可以“步进”就得产生下图所示的脉冲序列。
此脉冲序列是用周期、脉冲高度、通断时间来表征的。
数字电路中，脉冲高度由元件电平决定，如TTL电平为0～5V，COMS电平为0～10V。
步进电机的每一步的响应。
都需要一定的时间，即一个高脉冲要保留一定的时间，以便电机完全达到一定的位置。
通断的时间可以利用延时在软件中实现，这决定了步进电机的实际工作速率。
图4脉冲序列
2、步进电机的驱动电路及状态显示
驱动电路
2003输出集电极开路没有错，这个IC主要是接受灌电流，而不提供拉电流，也就是说当2003输入1时，输出0，这时可接受最大500MA的灌电流；当2003输入0时，输出的是虚高的1，没法提供电流，是没法带载的。
而你要驱动步进电机，输出不需上拉的原因就是因为5线4相步进电机有一线是VCC，只要各相按照规定的步骤赋予低电平，2003就可以驱动步进电机了。
其中1B、2B、3B、4B分别与P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相接。
步进电机时序表
步序
控制位
控制模型
工作状态
D
C
B
A
1
0
0
1
1
03H
AB
2
0
0
1
0
02H
B
3
0
1
1
0
06H
BC
4
0
1
0
0
04H
C
5
1
1
0
0
0CH
CD
6
1
0
0
0
08H
D
7
1
0
0
1
09H
DA
8
0
0
0
1
01H
A
单四拍也叫一相励磁，特点是精度好，功耗小，但输出转矩小，振动较大。
双四拍也叫二相励磁，特点是输出转矩大，振动小，但功耗大。
四相双四拍的通电顺序为AB-BC-CD-DA。
四、程序设计
流程图：
主程序
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG1000H
MAIN:
MOVR4,#04H;设置步进电动机运行方式四拍
LOOP:
JBP0.2,LOOP;启停按钮是否按下
JBP0.1,POS;是否为正转
AJMPNEG;否则为反转
POS:
MOVDPTR,#TABLE1;正转
LOOP1:
CLRA
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
INCDPTR
JNBP0.0,LOOP2;是否提速
MOVR5,#2
ACALLDELAY
LOOP2:
MOVR5,#1
ACALLDELAY
DJNZR4,LOOP1
AJMPMAIN
NEG:
MOVDPTR,#TABLE2;反转
LOOP3:
CLRA
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
INCDPTR
JNBP0.0,LOOP4;是否提速
MOVR5,#10
ACALLDELAY
LOOP4:
MOVR5,#1
ACALLDELAY
DJNZR4,LOOP3
AJMPMAIN
TABLE1:
DB03H,06H,0CH,09H
TABLE2:
DB03H,09H,0CH,06H
DELAY:
MOVR7,#200NOP
DEL1:
MOVR6,#123
DEL2:
DJNZR6,DEL2
DJNZR7,DEL1
DJNZR5,DELAY;延时[1+（1+1+2*123+2）*200+2]*R5um
即0.5s实现30r/min或0.05s实现
300r/min
RET
END
5、步进电机控制器仿真
在完成了步进电机控制硬件设计和软件设计以后，便进入系统的调试阶段。
系统的调试步骤和方法基本上是相同的，但具体细节和所采用的开发系统以及用户系统选用的单片机型号有关，如可选用Keil软件进行软件调试，用Proteus软件完成硬件调试。
六、参考文献
1、汪贵平《新编单片机原理及应用》机械工业出版社
2、冯清秀邓星钟《机电传动控制》第五版华中科技大学出版社
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