基于51单片机控制步进电机毕业设计论文文档格式.doc
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步进电机驱动电路单片机仿真控制系统
Designofsteppingmotorcontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputer
Abstract
Steppingmotorisakindofbyelectricpulsesignaltocontrolactuator,becauseitiseasytocontrol,smallsizeandothercharacteristics,sointheCNCsystem,automaticproductionlines,automaticinstrument,drawingmachineandprinterhasawidelyapplication.Thepopularizationandapplicationofmicroelectronictechnologyandrapiddevelopmentofmicrocomputer,andgraduallyintotheapplicationfieldofthemotor,whichmakesbeforehardwarecircuitcontrolleroflargeandcomplexcannowbeusedsoftwaretoachieve.Thisnotonlyreducesthecostofhardware,butalsoimprovestheflexibility,reliabilityandfunctionalityofthecontrol.Becauseofthesteppermotorwithinstantaneousstart,rapidstop,highaccuracy,andwiththecompositionoftheopenloopsystemissimple,cheap,andverypractical.Therefore,thedesignofbasedonsingle-chipsteppermotorcontrolsystemhasgreatvalueandbroadapplication.
Thispapermainlystudiesthedesignofthesteppermotorsystembasedonsinglechipmicrocomputer.Thecontentofthesubjectincludestheprincipleofstepmotorandsinglechipmicrocomputer,thesteppermotordrivecircuitisanalyzed,andthesystemhardwarecircuitandprogramaredesignedandtested.Thedesignofsteppingmotorcontrolsystemadoptsthemethodofsoftwareandhardwarecosimulation,whichcaneffectivelyreducethetimeandcostofthesystemdevelopment.UsingProtuessimulationsoftwaretocompletethemotorpositiveinversion,decelerationandstopstartandotherbasicfunctions,usingsinglechipmicrocomputer,steppingmotordrivechip,charactertypeLCDandkeyboardarrayelementmodule,thedesignofthecontrollerandthedriverforonestepintothesimulationofmotorcontrolsystem,realizesthefunctionofthesteppermotorrangesetting,positioncontrolandreal-timedisplayofastepintotheworkingstateofthemotor.Thehardwareofthesystemconsistsofcontrolcircuit,displaycircuit,alarmfeedbackcircuitanddrivecircuit,thecorrespondingsoftwareprogramisdesignedaccordingtothehardwarecircuit,andthedebuggingandanalysisarecarriedout.Thedesignsystemhasthecharacteristicsofclearthinking,highreliability,strongstabilityandsoon.
Keywords:
steppingmotor;
drivecircuit;
singlechipmicrocomputer;
simulationandcontrolsystem
目录
第一章绪论 1
1.1课题背景 1
1.2课题的目的和意义 1
1.3课题的内容 2
第二章步进电机的结构与特点 3
2.1步进电机的构造 3
2.2步进电机的工作原理 3
2.3步进电机的主要特征 5
2.4步进电机绕组的电气特性 6
2.5步进电机的选型 8
第三章设计原理分析 9
3.1设计目的 9
3.2设计要求 9
3.3总体设计方框图 9
3.4设计方案论证 10
3.4.1系统控制方案 10
3.4.2驱动模块方案选择 12
3.4.3最终方案确定 14
第四章步进电机控制系统硬件设计 15
4.1单片机最小系统 15
4.2控制电路 17
4.3驱动电路 18
4.4显示电路 19
4.5位移越界报警电路 20
4.6状态指示灯显示电路 21
第五章步进电机控制系统软件设计 22
5.1主程序设计 22
5.2LCD显示程序设计 24
5.3转速控制程序设计 26
5.4程序设计 27
5.5角度设定程序设计 27
5.6位移设定程序设计 29
第六章仿真结果与分析 33
6.1整体硬件设计图 33
6.2测试 33
6.3误差分析 37
第七章总结 39
参考文献 40
致谢 42
III
南京工业大学本科毕业设计（论文）
第一章绪论
1.1课题背景
步进电机作为控制执行器，广泛应用于各种控制领域[1]。
当需要精确控制角度方位时，步进电机的使用将会很好解决实际问题。
随着微电子技术和计算机技术的飞速发展[2]，各行业对步进电机的需求日益增加，它已被普遍应用于各个经济领域。
步进电机是在国外发明的。
中国在文化大革命中就已经开始应用和生产，例如北京、浙江、江苏、四川都可以生产，而且在各行业开始逐步使用，目前驱动电路的半导体器件大多能做到完全国产。
当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路[3]，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。
当前，国外对步进电机的控制和驱动研究的一个重要的发展方向，是大量的研发专用芯片，结果就是让驱动器的体积变得相当小，与此同时还可以明显提高驱动系统的整体性能。
对于一类相对典型的芯片，其核心是采用硬件和微程序，用来保证步进电机能够实现合理的加速和减速过程。
对于[4]像日本的ppmc101b这样的开环步进电机，能够具有一个适合实际情况的加减速过程，并且还可以使它的运行速度达到很高的水
平，而不会导致过冲或失步。
采用像这类专用集成电路可以驱动3～5相电路，其设定的转速范围、加减速的过渡时间及上升下降的陡度可根据负载选定，此外还有单步运转和不同的停止方式。
1.2课题的目的和意义
随着自动化控制技术的进一步应用和发展[5]，以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用。
相应地，其控制系统也必定需要升级发展，特别是智能化技术应用方向的发展将会成为步进电机的下一步发展趋势。
之前的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路或者集成电路，它不仅增加了安装调试的复杂度，还会消耗大量的组件，而且一旦改变了控制方案，就必须重新去设计系统，包括电路的设计与测试、元器件的更换与调试，从而不利于系统的升级。
基于单片机的控制系统[6]，通过软件对步进电机进行控制，可以更好的发挥步进电机的潜力，能够用最低成本去优化系统，大大节约了系统升级的难度与成本。
用微型单片机[7]控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求，因此，设计出一套稳健的基于单片机的步进电机控制系统对于各行业使用需求具有十分重要的意义。
1.3课题的内容
本论文所选的是四相步进电机，所用控制方法是由单片机CPU控制产生相序脉冲，再经过驱动电路形成对步进电机的驱动电流。
步进电机的运行控制主要是通过外部的电脉冲的输入。
当步进电机的驱动器接收到一个脉冲信号的时候，它会进行相应的电流信号分配以及功率放大，直到可以达到驱动步进电机的电流和电压[8]。
这时步进电机的绕组开始具有电流，产生电磁力，拖动转子开始运动。
步进电机的转子会根据一个固定的旋转角度来转动（称为“步距角”）。
在驱动电路设计的过程中，通过对驱动电路设置保护线路[9]，反馈输出电流以达到过电流保护。
由此可见，步进电机的旋转是以固定的角度增量驱动运行的。
根据这个工作原理，就可以通过产生脉冲的个数来控制步进电机的角偏移量，从而达到准确定位的目的。
在此基础上，系统可设计出角度定位控制与位移定位控制等功能仿真系统来模拟步进电机的实际应用[10]。
此外，电机的运行速度和旋转方向可以通过控制脉冲频率与相序来改变，从而达到调节速度、控制方向的目的。
本课题的主要研究内容如下：
1.分析步进电机的特点与工作原理，选择合理的驱动方式。
2.确定合适的系统控制器，即单片机型号，分析其各个引脚功能。
3.根据设计要求，提出设计方案，论证每个方案，达成最终方案。
4.设计本课题的控制系统硬件电路图，以及软件程序设计，要求系统稳定可靠，操作方便，满足各项系统要求。
5.测试各项系统功能，分析数据，得出结论。
本课题系统测试是使用protues软件作为仿真平台。
Protues软件[11]是由英国Labcenterelectronics公司研发的EDA工具软件，它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能有效仿真单片机及外围器件。
这是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
依靠这个强大的仿真平台，可以很大程度上提高系统设计的进度。
第二章步进电机的结构与特点
2.1步进电机的构造
步进电机属于是无电刷电机[3]，因此需要较少的维护。
由于它是通过脉冲输入进行增量步进驱动，这使得步进电机在许多角度与位移控制中非常受欢迎。
根据他们内部结构的不同，可以分为下面三大类：
（1）反应式:
它的定子由铜制绕组构成，组成转子的材料是软磁结构。
其特点就是结构简单、成本低、步距角小，但动态性能差、效率低，适合精度要求不太高的场合。
（2）永磁式:
此步进电机转子的材料是永磁体。
这种步进电机[12]的转子和定子的两极数量是一样的。
它的优点是有着良好的动态性能和较大的输出转矩；
缺点是电机精度相对差，同时步进角较大。
在这三种步进电机中，用途相对较少。
（3）混合式：
混合式步进电机[4]整合了前面两个步进电机的结构优势。
定子和转子上分布着多个小齿，能够显著提高步矩的精度。
铜制绕组构成它的定子，永磁体组成它的转子。
它的优点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，控制精度相对高，缺点就是结构相对复杂、设计成本较高，总的来说，适用于高精度的场合，具有突出的性能应用。
步进电机主要由转子和定子两部分组成，它们均由磁性材料构成，如图2-1所示：
图2-1步进电机结构图
2.2步进电机的工作原理
步进电机是一种受脉冲驱动的电机。
它的工作原理[4]是给电机的绕组按一定的相序分时输入直流电流。
当一系列的脉冲信号产生，步进电机就会开始连续的转动。
下面就以四相步进电机为例：
首先需要进行脉冲分配，脉冲分配作用就是产生不一样的通电顺序。
单四拍的通电顺序为：
A-B-C-D-A；
双四拍的通电顺序为：
AB-BC-CD-DA-AB。
正常情况下，步进电机若要正常运行，就必须严格按照此通电顺序。
当电机如需要反转时，则可以将通电顺序逆反。
在反转状态下，单四拍通电顺序为：
A-D-C-B-A；
双四拍通电顺序为：
BA-AD-DC-CB-BA。
四相步进电机结构示意图与工作时序波形图如下：
图2-2结构示意图
图2-3四相电机工作时序波形图
工作时序脉冲分配如下表所示：
表2-1四相单四拍脉冲分配表
A
B
C
D
N
1
N+1
N+2
N+3
表2-2四相双四拍脉冲分配表
2.3步进电机的主要特征
（1）步距角
指每给一个电脉冲信号对应步进电机转子转动的角度。
θb=θz/NZ=
2π/NZ（N是工作拍数，Z是转子的齿数）。
（2）保持转矩[13]
保持转矩（HOLDINGTORQUE）是指步进电机的绕组已经开始通电流，但转子还没有转动，此时定子锁住转子的力矩。
一般来说，在低速时，步进电机的力矩会近似保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，所以保持转矩是作为步进电机非常重要的衡量参数之一。
比如，平时指步进电机为2N.m，一般而言就是指它的保持转矩是2N.m。
（3）定位转矩[14]
定位转距是指电机绕组各相在不通电的情况下，同时作为开路状态，所产生的磁场所形成的转距。
对于混合式步进电机，它的转子是永磁材料，其定位转距一般远小于保持转距。
而就反应式步进电机而言，因为转子不带磁性，所以没有定位转矩。
这是混合式与反应式步进电机重要区别的参数。
（4）响应频率
指在无负载时，突然给电机加上某一个频率的脉冲使转子从静止状态启动，保证转子不失步且正常运行的最高脉冲频率，也被称为启动频率[16]。
当脉冲频率比这个值大的时候，电机会启动不正常，从而可能出现堵转或者丢步。
当出现堵转的时候，会时时发出啸叫声。
在有负载的情况下，响应频率应更低，它反映了步进电机跟踪的快速性。
（5）运行矩频特性
反映的是电机的运行扭矩与频率[15]的关系。
当步进电机运行时，各相绕组在电磁感应的作用下，此时会出现反向电动势。
运行频率越快，反向电动势就会越大。
反向电动势会使绕相电流减小，而且运行速度越快，这样的作用越明显。
绕相电流减小的直接作用就是让电磁力矩也随之减弱。
图2-4表示它们之间的关系曲线。
图2-4运行矩频特性图
由此可见，步进电机都会有一个不丢步的极限频率，被称为最高工作频率。
当此时运行频率超过极限频率，就会出现脉冲转换的时间间隔比电磁与机械过渡过程的时间间隔小，这样是导致失步的重要原因。
作连续运行的步进电机，电磁力矩的下降同时影响着负载转矩的变化，在相同负载惯量的情况下，电机随着运行频率的增加，所带负载的能力会不断衰减。
当运行频率增加到一定值时，转矩会变得特别小，电机控制系统也就失去实际意义。
由上所述，最高工作频率是研究步进电机的一个重要参数。
2.4步进电机绕组的电气特性
电机绕组进行通电时，绕组的电流由于受到电感所形成的反电动势的影响，使得绕组电流变化速度的上升过程变得缓慢，从而减少绕组电流的额定值，电机的电磁力矩也会因此下降。
[18]作为磁性导体材料的步进电机绕组，电阻与电感是其固有特性。
此外，影响电流的还有绕组线圈的电阻，根据电阻温度的关系，电阻值随着电机运行温度上升而变化，在电压没有做相应的变化情况下，绕组电流也会出现与理论情况的偏差值。
图2-5等效电路电流波形图
根据电路原理，步进电机的相绕组在一般情况下相当于Circuit-Resistance串联电路。
图2-5是其等效电路的电气特性。
初始时刻，当给电路施加电压V时：
此时电流的变化规律为[29]:
I（t）=V（1-e-Rt/L）/R
通电瞬间绕组电流上升速率为:
di（0）/dt=V/t
经过一段时间，电流达到最大值:
Imax=V/R
L/R定义为该电路的时间常数，是电路中的电流达到最大电流Imax的63%所需要的时间。
在t时刻，电流开始以初始速率V/L减小，电路中电流的变化规律为:
I（t）=Ve-R（t-t1）/L/R
为了提高电机的高速状态时的运行性能，这里会得出两种方法。
一是提高电流上升的速率V/t，二是减少时间常数L/R；
电流上升速率的提高可以通过增加绕组电压来实现。
为了减少时间常数L/R，可以用电阻，构成一个串联电路，这样就可以有效减少时间常数。
2.5步进电机的选型
步进电机的选型主要包括两个方面：
步进电机控制精度和工作负载力矩。
（1）电机控制精度
根据实际控制系统的控制精度要求，来确定步进电机的步距角的范围，从而去选择相应的步进电机，以及驱动器的选择，可由设计要求，计算出步距角需要的细分等级，以得到更小的步距角来满足需求。
对应系统要求的控制精度，一般情况下，步进电机的步距角的选择参考是实际要求精度的二分之一以及更小。
（2）电机负载力矩
选择适合步进电机控制系统要求的负载力矩，是非常重要的一环，它直接影响接下来的工作效率和系统可靠性。
由于步进电机具有运行矩频特性，所以实时运行状态的负载力矩不易确定，通常这里先确定步进电机的保持转矩。
保持转矩一般在电机参数里很容易看到，当它确定好了，负载力矩的大致范围也就有了。
第三章设计原理分析
3.1设计目的
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，放大电路来驱动电机运行。
因此设计出合理的步进电机驱动电路，对于改善运行特征，提高控制精度具有重要的意义。
本课题解决的问题是利用单片机控制步进电机的驱动器，通过设计步进电机的驱动电路，从而实现对步进电机的控制。
该设计系统需要实现对步进电机的启动停止、旋转方向及运行速度等状态进行实时控制与显示，同时利用它的工作原理，实现对固定角度的转动锁定，对目标位置进行位移控制。
整个设计系统采用模块化设计，主要特点是可靠性强，层次简单，方便维护升级。
3.2设计要求
（1）步进电机工作方式为四相八拍，初始转速60r/min；
（2）能够实现电机的启/停功能；
（3）能够实现电机的正/反转、加/减速功能；
（4）对步进电机能够进行角度定位控制；
（5）实现步进电机的位移定位控制，能够让它转动相应的方位及位移；
（6）实时显示系统状态，包括步进电机的速度、方向、设定的角度以及位置坐标，LED发光二极管可以正确显示系统目前的工作状态。
3.3总体设计方框图
图3-1系统方框图
如图3-1，整个设计以STC89C51单片机为控制中心，组成部分有复位电路，时钟电路，电机驱动，步进电机，显示电路等。
对相应的参数设定是通过系统输入按键，通过对输入信号的处理，执行相应的功能函数，并且将在LCD显示系统状态。
3.4设计方案论证
3.4.1系统控制方案
由设计要求可知，系统的控制方案需要分为五个部分，即步进电机的启动停止控制、加减速控制、旋转方向控制、角度定位控制以及位移定位控制。
（1）步进电机的启动停止
当系统需要启动步进电机的时候，这里会需要一个等待操作，所以在单片机程序设计中，系统程序会一直循环在启动函数内。
硬件设计中，设置了一个“启动”按键，按下即可以跳出启动函数的循环，这样确保了功能的实现和系统的稳定性。
由于停止功能具有随时性，所以在系统中采用中断的方法，可随时终止运行。
两者设计充分考虑了系统的每种运行情况，具有高效性和实用性。
（2）步进电机速度控制
由步进电机运行特征[19]可知，脉冲频率决定电机转速。
在此电路中，电机的转速控制主要是通过外部中断来实现的，分别是通过“加速”“减速”按键控制中断，从而改变了步进电机的输出脉冲频率。
（3）步进电机方向控制
方向控制主要是操纵相位序列的变化，若给定的是正序通电换相的工作方式，步进电机就会正向旋转；
如果给定的是反序通电换相的工作方式，则电机就会反向旋转。
比如，当步进电机的运行方式是四相八拍，则正序的通电换相顺序是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，此时电机就会正转；
若通电换相转换成反序，其顺序就是A-AD-D-DC-C-CB-B-BA-
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