基于单片机的步进电机开环控制

基于单片机的步进电机开环控制《计算机测控系统》课程设计信息工程课程设计报告书课程名称计算机测控系统课程设计课程设计总评成绩学生姓名、学号学生专业班级指导教师姓名课程设计起止日期课程设计基本要求课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。

课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析《计算机测控系统》课程设计能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。

为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。

1. 课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。

2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。

课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。

3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。

项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。

4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。

项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。

5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。

文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。

6. 答辩是课程设计中十分重要的环节，课程设计指导教师向答辩学生提出2～3个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。

答辩考核成绩占25%左右。

7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。

课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩，最后将百分制评分成绩转换为五级分制总评成绩。

8. 课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。

《计算机测控系统》课程设计课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：初始条件：1，2，运用所学的单片机原理及应用知识；单片机原理及应用实验设备。

题目: 基于单片机的步进电机开环控制要求完成的主要任务: 使用汇编语言或C语言外加K0-K7等一系列的开关实现对步行电机转速与方向的控制：1.了解单片机的基本原理，学会使用单片机实现基本应用；2.熟悉C语言和汇编语言，实现在单片机上编程； 3.掌握步进电机的工作原理及程序实现方案；4.程序实现步进电机启动与停止控制，方向的控制，速度控制与显示；5.严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。

时间安排：序号 1 2 3 阶段内容设计思路、原理电路设计编程,调试撰写课程设计报告合计所需时间 1 3 1 5 指导教师签名：年月日系主任签名：年月日《计算机测控系统》课程设计一、课程设计项目名称基于步进电机控制器的开环控制二、项目设计目的及技术要求1．实验目的运用所学的单片机原理及应用知识；运用所学的步进电机的知识用C 语言编程控制。

2．实验技术要求使用C语言外加K0-K6等开关实现对步行电机启动，停止，转速和方向的控制：(1)了解单片机的基本原理，学会使用单片机实现基本应用；(2)熟悉C语言，在单片机上实现C语言编程；(3)掌握步进电机的工作原理及程序实现步进电机的控制；用C语言实现步进电机启动与停止控制，方向的控制，速度控制与显示；(5)严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。

《计算机测控系统》课程设计三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、工作原理，硬件设计，软件程序设计、硬件电路原理图，流程图) 1.可行性方案选择与论证方案一：采用单片机89C51和脉冲分配器PMM8713控制步进电机的启停，正反转和加减速控制。

步进电机控制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，控制系统的CP。

驱动器步进电机单片机接口负载图1微型机控制步进电机系统框图与传统步进控制器相比较有以下优点：1. 用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。

2. 只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。

3. 根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。

加减速控制。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度输入脉冲数决定，而电机的转速脉冲信号频率决定。

使用、控制步进电机必须环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其图2所示：方案二：通过改变输入脉冲信号和开关量来实现步进电机的启停，正反转，《计算机测控系统》课程设计脉冲发生器脉冲分配器方向控制器图2典型步进电机控制系统框图功率放大器步进电机脉冲发生器用于产生频率变化的脉冲信号; 方向控制器用于控制脉冲信号的变化达到改变电机方向的目的；脉冲分配器根据方向控制信号将脉冲信号转换成有一定逻辑关系的环形脉冲;功率放大器将脉冲分配器输出的环形脉冲放大,用于控制步进电机的运转，这些部分都可以专门的电路来实现。

如果用单片机加上专门的驱动芯片来控制步进电机，可以简化电路，提高可靠性。

方案三：采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

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(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以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。

次课程设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速的级别。

另外通过单片机实现它的正反转，步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

液晶显示器单片机89C51 驱动电路复位电路键盘控制电路电源及时钟电路步进电机图3基于单片机的步进电机控制系统框图最佳方案是方案三：采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。

步进电机的工作原理：步进电机介绍《计算机测控系统》课程设计步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

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得非常的简单。

正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。

于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。

本次课程设计采用的是步距角为度的四相八拍永磁式步进电机。

步进电机的基本参数：步进电机的静态指标术语1）相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。

常用m表示。

2）拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 3）步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。

θ=360度，以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。

四拍运行时步距角为θ=360度/=度，八拍运行时步距角为θ=360度/=度。

4）定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩5）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

步进电机动态指标及术语：1）步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。

用百分比表示：误差/步距角*100%。

不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2）失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

称之为失步《计算机测控系统》课程设计3）失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4）最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情下，能够直接起动的最大频率。

5）最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

6）运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流，平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。

要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。

7）电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间或在400pps左右，电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

8）电机正反转控制：当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转。

步进电机的特征如下：1）一般步进电机的精度为步进角的3%-5%，且不积累。

2）步进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。