基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计.docx
《基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计.docx（123页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计
基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计
摘要
步进电机是将电脉冲信号转变成角位移的执行机构，其转速、停止位置只与脉
冲信号的频率和脉冲数有关，具有误差小，易控制等特点，广泛应用于机械、电子、
纺织、化工、石油等行业。
尤其是在医疗行业中，比如在X光扫描方面，都会用到
电机，步进电机的优点使其成为医疗行业里最为适用的电机。
本设计中的多轴控制
系统可以运用在X光扫描仪等多种仪器上。
本设计选用STC89C55RD+型单片机作为核心控制单元，实现M35SP-7型步进电
机的多轴运动控制，并通过RS232串口实现与上位PC机通讯功能。
设计中运用单
片机软件编程方式实现步进电机环形分配器功能，用P1.0口、P1.1口、P1.2口和
P1.3口分别控制四相步进电机的A相、B相、C相和D相绕组的通电顺序，软件上
采用查表方法实现单双八拍工作方式环形脉冲分配。
步进电机驱动部分采用
ULN2003A驱动芯片，实现功率放大，驱动步进电机。
最后使用Proteus软件绘制
了单片机控制步进电机多轴运动的原理图。
上述设计经实验验证是有效可行的。
关键词单片机，步进电机，多轴运动，串口通讯
IV
基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计
Abstract
Steppermotorisanimplementingmechanismthatconverttheelectronicpulseinto
angledisplacement.Itsspeedandthestoppositiononlyaboutthefrequencyandpulse
severalofthepulsesignal,itscharacteristicsareminorerror,easytocontrolandsoon,it
iswidelyappliedtomechanical,electronic,textile,chemical,oil,etc.Especiallyinthe
medicalindustry,suchasanx-rayscanning,needmotors.Steppermotor'sadvantages
makeitbecomethemostsuitablemedicalindustrymachine.Themulti-axiscontrol
systeminthedesigncanbeusedonavarietyofinstrumentssuchasanx-rayscanning.
ThisdesignchooseSTC89C55RD+SCMasthecoreofthecontrolunit,torealize
M35SP-7typesteppermotor'smulti-axiscontrol,anduseRS232serialtorealizePC
communicationfunction.ThisdesignuseSCMsoftwareprogrammingrealizestepper
motorcirculardistributionfunction,P1.0,P1.1,P1.2andP1.3respectivelycontrolling
A,B,CandDphases'electricityorderonthefourphasestepmotor's.Softwareisused
onlook-uptablemethodteakeightsingleworkingwaycircularpulsedistribution.This
designuseULN2003Arealizepoweramplifiertodrivesteppermotor.Finallyusing
ProteustodrawtheprinciplediagramoftheSCMcontrolsteppermotormulti-axis
motion.Theabovedesignexperimentsshowediseffectiveandfeasible.
Keywords：
SCM,StepperMotor,Multi-axismotion,serialcommunication
V
基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计
目
录
第一章引言..........................................................................................................................1
1.1 选题背景.......................................................................................................................1
1.2研究意义.............................................................1
1.3发展状况.............................................................2
1.4课题主要研究的内容...................................................3
第二章控制系统硬件设计...............................................................................................4
2.1单片机控制系统原理....................................................................................................4
2.1.1单片机的种类........................................................................................................4
2.1.2单片机的发展历程................................................................................................4
2.1.351单片机的引脚安排...........................................................................................5
2.1.4单片机的结构........................................................................................................7
2.2步进电机.....................................................................................................................11
2.2.1M35SP-7步进马达的性能参数............................................................................12
2.2.2步进电机原理......................................................................................................13
2.2.3驱动控制系统组成..............................................................................................18
2.2.4步进电机的应用..................................................................................................21
2.2.5步进电机的单片机控制......................................................................................22
2.2.6步进电机的多轴联动..........................................................................................23
2.3ULN2003A驱动芯片......................................................................................................24
第三章上位机通讯设计..................................................................................................26
3.1RS232通信..................................................................................................................26
3.1.1RS232的电气特性...............................................................................................27
3.1.2连接器的机械特性..............................................................................................28
3.1.3RS232的接口信号...............................................................................................30
第四章系统的软件设计..................................................................................................34
基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计
4.1单片机程序设计..........................................................................................................34
4.2程序实现与调试..........................................................................................................34
第五章结论与展望...........................................................................................................37
5.1结论.............................................................................................................................37
5.2展望.............................................................................................................................37
参考文献................................................................................................................................38
致谢.........................................................................................................................................40
附录.........................................................................................................................................41
声明.........................................................................................................................................48
基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计
第一章引言
1.1选题背景
不仅在大型工业中，在医疗过程中也需要机械的帮助，利用步进电机的多轴控
制可以让医疗设备精确的扫描人体的各个部位，为治疗带来更精确的数据来正确、
快速的治疗病人。
[1]
步进电机是将电脉冲信号转变成角位移的执行机构，其转速、停止位置只与
脉冲信号的频率和脉冲数有关，具有误差小，易控制等特点，广泛应用于机械、电
子、纺织、化工、石油等行业。
本课题拟采用51单片机系统作为核心控制单元，
实现多轴步进电机的运动控制，同时扩展串口通讯功能（RS232），实现上位计算机
对多轴运动系统的远程控制。
1.2研究意义
步进电机是一种重要的执行装置，广泛用于工业控制和各种办公设备中，步进
电机运行的稳定可靠直接关系到工业控制的精度和设备的质量，特别是在高精度数
控系统中更是要求步进电机能够精确运行。
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。
虽然步进电机已被广泛地应用，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、电子及计算
机等许多专业知识。
如何实现对步进电机的精确可靠控制成为工业控制等系统中的
关键技术。
多年来很多专家学者研制出很多性能较好的步进电机控制系统，然而，
早期的步进电机控制系统体积大，使用的元器件多，这给系统的可靠运行带来了较
大的隐患。
随着电子技术的发展，许多功能单元都走向模块化和数字化，并且具有
体积小，重量轻，工作可靠性高，成本低等优点，而且能够实现多轴控制，这给步
进电机控制系统的设计带来了很大的方便。
步进电机实现多轴控制后会带来很多方
便，多个轴同时运动可以减少操作时间，增加操作精度，这将为医疗等行业提供很
大的方便。
1
基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计
1.3发展状况
步进电机最早在1920年由英国人开发，20世纪50年代后期晶体管的发明也
逐渐应用在步进电机上。
步进电动机的发展与计算机工业和数字控制技术密切相
关，产品按结构划分有磁阻式、永磁式和混合型等多种形式。
近年来，伴随着微电
子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步，发达国家已普遍使用性能优越的混
合式步进电机，最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1．80／0．90（全
步／半步）；还有五相十极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相
电动机主要用于运行性能较高的场合。
驱动技术采用恒相电流与细分驱动相结合，
使步进电机在中、小功率控制系统内的精度提高，并逐步向高速大功率应用领域渗
透。
步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYODENKI
和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量还是
生产手段，都是世界上最好的。
我国对步进电动机的研究从1958年开始，20世纪
70年代以前受苏联的影响，以三相磁阻式步进电动机为主，如20世纪60年代末
为快走丝数控线切割机床研制的BFl840-75，一直延续生产到现在。
20世纪70年
代受到国内研制生产数控机床和其他数控设备的推动，并受到当时日本数控机床系
统的影响，开始发展磁阻式步进电动机的系列产品，以定子6个极、转子40齿的
三相磁阻式电动机为主，还有定子10个极、转子100齿的五相磁阻式电动机和四
相电动机等。
20世纪80年代开始发展混合式步进电动机，以定子8极、转子50
齿的二相（四相）混合式步进电动机为主。
1987年开始自行设计定子10极、转子50
齿的五相混合式步进电动机，同时还发展了一些不同于国外的非典型产品，如定子
8极、转子60齿的二相（四相）混合式步进电动机。
这是为了与磁阻式步进电动机
的步距角相一致。
转子200齿的五相混合式步进电动机，转子100齿的九相（--相）
混合式步迸电动机，主要特点是具有高分辨率和可变步矩角。
经过多年的发展，
步进电机形成一种品种规格繁多的局面，如表1-1所示。
[3]
2
基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计
步进电机
按工作原
理区分
按输出转
速区分
按相数区
分
按运动方
式区分
按结构区
分
电反永永
磁应磁磁
式式式感
应
子
式
快
速
型
功三四五六M旋直切滚
率相相相相相转线面动
型
运运运运
动动动动
单多印
段段刷
式式绕
线
式
表1-1步进电机分类
其中最主要的产品系列，一是20世纪70年代形成的磁阻式步进电动机系列产
品在低端应用仍有较多的市场；二是混合式步进电机的系列产品，包括引进技术和
生产设备，按照国外的设计生产的二相和五相混合式步进电机，以及国内自行开发
生产的混合式步进电动机，仍然拥有各自不同的应用领域，短期内很难统一到几个
限定的规格品种上。
1.4课题主要研究的内容
本课题拟采用51单片机系统作为核心控制单元，实现多轴步进电机的运动控
制，同时扩展串口通讯功能（RS232），实现上位计算机对多轴运动系统的远程通讯。
设计中包括设计基于单片机的步进电机多轴控制系统硬件原理图，完成单片机软件
程序调试，实现上位机通过串口通讯步进电机运动功能。
3
基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计
第二章控制系统硬件设计
2.1单片机控制系统原理
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。
单
[2]
片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：
中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要和适当的软件及外部
设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
2.1.1单片机的种类
Intel公司8位：
MCS-48、MCS-5116位MCS-96、MCS-196；Motorola公
司、68系列68HC系列；TI公司MSP系列等。
其中MCS-51系列、AT89系列被
誉为"控制领域中最佳8位单片机"。
MCS-51系列具有特性：
①集成度高②系统结构简单③可靠性高④处理功能
强，速度快。
可分为：
8031、8051、8751、8951。
8051是MCS-51系列单片机的典型产品
8051单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计
数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总
线等三大总线。
2.1.2单片机的发展历程
单片机大致经过4个阶段，
第一阶段（1971-1974）1974年11月美国Intel公司首先设计出Intel4004接
后设计出Intel8008从此拉开了研制单片机的序幕
第二阶段（1974-1978）初级单片机阶段
第三阶段（1978-1983）好性能单片机阶段
第四阶段（1983-现在）8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段
纵观单片机近30年的发展历程，认为单片机今后将向多功能、共性能、高速
度、低电压、低功耗、低价格、外围电路内装化以及片内存储容量增加的方向发展。
此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对某一用途的专用单片机将会越来越
多。
4
基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计
2.1.351单片机的引脚安排
8051单片机的引脚安排如图2-1所示。
这些器件具有以下的特点：
1.采用HMOS工艺,单5V电源供电；
2.有4K字节片内程序存储器（ROM）；
3.有128个字节的片内数据存储器（RAM）；
4.4组通用寄存器,每组8个（R0-R7）；
5.128个可由用户定义的软件标志位；
6.64K字节外部程序存储器空间和64K字节外部数据存储器空间的寻址能力；
7.晶振为12MHz时，指令周期为12s；
升级会员 