单片机三相单三拍步进电机

《单片机原理及应用》课程设计报告书

课题名称单片机控制步进电机

姓名

学号

专业

指导教师

机电与控制工程学院

2014 年5月30 日

任务书

单片机控制步进电机

步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一，它可以在机械结构中把丝杠的角度变成直线位移，也可以用它带动螺旋电位器，调节电压和电流，从而实现对执行机构的控制。在数字控制系统中，由于它可以直接接受计算机输出的数字信号，而不需要进行D/A 转换，所以使用起来十分方便。步进电机具有快速的启停能力和精度高的显著特点，在定位场合得到了广泛的应用。

步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。因此，需把并行的二进制转换成串行的脉冲序列，并实现方向控制。每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲，它便沿着特定的方向走一步。

设计要求：

采用单片机来控制一个三相单三拍的步进电机工作。步进电机的旋转方向由正反转控制信号来控制。步进电机的步数由键盘输入，可输入的步数分别为3，6，9，12，15，18，21，24，27步。并且键盘具有键盘锁的功能，当键盘上锁的时候，步进电机是不接受输入步数的，也不会运转。只有当键盘锁打开并输入步数的时候，步进电机才开始工作。电机运转的时候有正转和反转指示灯指示。当电机在运转的过程当中，如果过热，则电机停止运转，同时红色指示灯亮.，同时警报响。

目录

1、绪论 (4)

2、方案论证（规划、选定） (7)

3、方案说明（设计） (7)

4、硬件方案设计 (8)

5、软件方案设计 (12)

6、调试 (13)

7、技术小结（结束语） (14)

8、参考文献 (15)

9、附录（源程序代码、电路图等） (16)

1.绪论

1.1 步进电机是用电脉冲信号控制，以实现对生产过程或设备的数字控制，它是过程控制中一种十分重要和常用的功率执行器件，它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器或角位移发生器等，近年来由于计算机应用技术的迅速发展，步进电机常常和计算机一起组成高精度的数字控制系统。由于它是由数字脉冲控制，因此非常适合于用单片机控制，本设计便是在此基础上，AT89C51型单片机为核心，并结合外围电路以步进电机为控制对象的控制系统。

1.2单片机控制步进电机原理

步进电机的不同驱动方式，都是在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到三相绕组上，从而实现不同的工作状态。由于通电顺序不同，其运行方式有三相单三相拍、三相双三拍和三相单、双六拍三种（注意：上面“三相单三拍”中的“三相”指定子有三相绕组；“拍”是指定子绕组改变一次通电方式；“三拍”表示通电三次完成一个循环。“三相双三拍”中的“双”是指同时有两相绕组通电）。

1.2.1三相单三拍运行方式：下页图所示为反应式步进电动机工作原理图，若通过脉冲分配器输出的第一个脉冲使A相绕组通电，B,C相绕组不通电，在A相绕组通电后产生的磁场将使转子上产生

反应转矩，转子的1、3齿将与定子磁极对齐，如果图（a）所示。第二个脉冲到来，使B相绕组通电，而A、C相绕组不通电；B相绕组产生的磁场将使转子的2、4齿与B相磁极对齐，如图（b）所示，与图（a）相比，转子逆时针方向转动了一个角度。第三个脉冲到来后，是C相绕组通电，而A、B相不通电，这时转子的1、3齿会与C组对齐，转子的位置如图（c)所示，与图（b)比较，又逆时针转过了一个角度。

图1.1 反应式步进电机工作原理图

当脉冲不断到来时，通过分配器使定子的绕组按着A相--B相--C 相--A相……的规律不断地接通与断开，这时步进电动机的转子就连续不停地一步步的逆时针方向转动。如果改变步进电动机的转动方向，只要将定子各绕组通电的顺序改为A相--C相--B相--A相，转子转动方向即改为顺时针方向。

单三拍分配方式时，步进电动机由A相通电转换到B相通电，步进电动机的转子转过一个角度，称为一步。这时转子转过的角度是30度。步进电动机每一步转过的角度称为步距角。

1.2.2三相双三拍运行方式三相双三拍运行方式：每次都有两个

绕组通电，通电方式是AB--BC--CA--AB……，如果通电顺序改为AB--CA--BC--AB……则步进电机反转。双三拍分配方式时，步进电动机的步距角也是30度

1.2.3三相单，双六拍运行方式：三相六拍分配方式就是每个周期内有六个通电状态。这六中通电状态的顺序可以使A--AB--B--BC--C--CA--A……或者A-- CA--C--BC--B--AB--A……六拍通电方式中，有一个时刻两个绕组同时通电，这时转子齿的位置将位于通电的两相的中间位置。在三相六拍分配方式下，转子每一步转过的角度只是三相三拍方式下的一半，步距角是15度。

单三拍运行的突出问题是每次只有一相绕组通电，在转换过程中，一相绕组断电，另一相绕组通电，容易发生失步；另外单靠一相绕组通电吸引转子，稳定性不好，容易在平衡位置附近震荡，故用的较少。

双三拍运行的特点是每次都有两相绕组通电，且在转换过程中始终有一相绕组保持通电状态，因此工作稳定，且步距角与单三拍相同。

六拍运行方式转换时始终有一相绕组通电，且步距角较小，故工作稳定性好，但电源较复杂，实际应用较多。

2.方案论证

2.1本设计由于需要实现9个不同部数的输入以及其他功能的输入，所以可以采用键盘输入，实现步进电机的步数由键盘输入且具有键盘锁功能。而本实验单片机的端口数量充足，最后决定直接采用键盘输入。

2.2在步进电机方面由于此次设计的软件采用proteus，在此软件中只有一个四相步进电机的模型，然后考虑到步进电机控制方法的难易度最后决定采用四相八拍控制法，由于单片机不能直接驱动步进电机，通过芯片放大控制电压。

2.3在测量温度方面一开始打算用一个温度传感器开关去实现监测电机的温度，当温度过高的时候就断开开关；但考虑到系统的可操作性，准确性，编程的难以度及仿真软件的限制，最后决定用

DS18B20代替电机的测量系统，实现电机在运动过程中，如果过热，则电机停止运转，同时红色指示灯亮，同时报警。而转向方面用不同的指示灯指示正转和反转。当温度超过安全温度时，报警灯会亮和报警铃会鸣响，并让电机停止运转同时锁住键盘。

3.方案说明

步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。即步进电机是将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件。步进电机的控制可以用硬件，也可以用软件通过单片机实现。硬件方法是采用