步进电动机控制系统设计

安徽机电职业技术学院毕业论文步进电动机控制系统设计系（部）电气工程系专业电机与电器班级电机3091姓名徐亮学号1306093050指导教师陈莉娟2011～2012学年第1学期指导教师评语等级签名日期安徽机电职业技术学院2012届毕业生毕业设计（论文）成绩评定单成姓名专业电机与电器班级电机3091课题评分标准分值得分指导教师评语（40分）设计方案合理、实用、经济、原理分析正确、严密，内容完整。

10计算方法正确，计算结果准确，程序设计正确简洁，工艺合理。

5元器件（材料）选择合理，明细表规范。

5图面清晰完整，布局、线条粗细合理，符合国家标准。

5文字叙述简明扼要，书写规范。

5按时独立完成，同学相互关心，遵守制度，认真负责。

10合计得分：指导教师签名：日期：年月日评阅教师评分（30分）内容充实，有阶段性成果，有应用价值。

10图纸、论文如实反映设计成果，有理论分析，又有实践过程。

10语句通顺，思路清晰，符合逻辑。

5图标清晰，文字工整，字符和曲线标准化。

5合计得分：评阅教师签名：日期：年月日答辩评分（30分）自述条理明确，重点突出。

5基本概念清楚，回答问题正确。

15专业知识运用灵活，解决问题技术措施合理。

10合计得分：答辩组长签名：日期：年月日总得分：等级系主任签名：日期：年月日安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表题目基于过程控制的PID控制器设计学生姓名学号1305073059指导教师徐林系部电气系班级过自3071顺序号第1-6次学生完成毕业论文（设计）内容情况第一周:指导老师布置毕业设计课题，要求学生查阅有关毕业设计的相关资料；第二周：指导老师带领学生到实验室熟悉实验设备，并要求每个学生都能熟练掌握实验设备的使用方法；第三周：在指导老师的指导下，完成双容水箱的简单PID控制系统设计；第四周：在指导老师的带领下，到实验室完成双容水箱的简单PID 控制系统的实验并记录相关实验数据。

第五周:在指导老师的指导下，完成前馈—反馈控制系统的设计；第六周：在指导老师的带领下，到实验室完成前馈—反馈控制系统的实验并记录相关实验数据，并且和双容水箱的简单PID控制系统的实验数据相比较，得出结论：前馈-反馈控制系统不仅能够改善简单PID控制系统的控制效果，而且具有更大的灵活性、抗干扰性、适应性和更好的控制精度。

学生签名：时间：年月日教师指导内容记录教师签名：时间：年月日摘要单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，广泛应用于数控机床、机器人，定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域。

步进电机是数字控制电机，将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下，根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差，因此步进电机适用于单片机控制。

步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。

步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。

因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。

步进电机控制系统主要由单片机、键盘LED、驱动／放大和PC上位机等4个模块组成，其中PC机模块是软件控制部分，该控制系统可实现的功能：1)通过键盘启动／暂停步进电机、设置步进电机的转速和改变步进电机的转向；2)通过LED 管显示步进的转速和转向等工作状态；3)实现三相或四相步进电机的控制：4)通过PC上位机实现对步进电机的控制(启停、转速和转向等)。

为保护单片机控制系统硬件电路，在单片机和步进电机之间增加过流保护电路。

关键词：单片机数字控制电机PC机模块引言在现代工业控制中，过程控制技术是一历史较为久远的分支。

在本世纪30年代就已有应用。

过程控制技术发展至今天，在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。

在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段，它们是：分散控制阶段，集中控制阶段和集散控制阶段。

从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：开始到70年代为第一阶段，70年代至90年代初为第二阶段，90年代初为第三阶段开始。

其中70年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期，90年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的初期。

第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、PID策略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统。

第二阶段是发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。

由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法(几十至上百种)、较好的人—机界面和故障检测报告功能。

经过20多年的发展，它已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。

第三阶段是高级阶段，目前正在来到。

目录引言 (6)第1章绪论 (8)1.1步进电机的背景 (8)1.2步进电机的简介............................................................错误！未定义书签。

1.3本论文的设计原理........................................................错误！未定义书签。

第2章步进电机硬件设计....................................错误！未定义书签。

2.1单片机模块....................................................................错误！未定义书签。

2.2键盘／LED模块...........................................................错误！未定义书签。

2.3驱动／放大模块............................................................错误！未定义书签。

第3章步进电机软件设计....................................错误！未定义书签。

3.1单片机程序....................................................................错误！未定义书签。

3.2PC上位机模块..............................................................错误！未定义书签。

3.3本章小结.........................................................................错误！未定义书签。

第4章硬件与软件整合与调试............................错误！未定义书签。

参考文献...................................................................错误！未定义书签。

致谢...........................................................................错误！未定义书签。

附录...........................................................................错误！未定义书签。

第1章绪论微电子技术、电力计算机技术、电力电子技术和材料科学的飞速发展推动了特种电机的发展。

电机技术所依托的理论和技术基础已远不限于传统的电磁理论，还包括控制理论、系统理论、计算机控制技术、信号处理技术、电力电子技术等，形成了各科学互相渗透、互相交叉，甚至互相融合的现象。

可以说，现代特种电机技术是集电机技术、材料科学技术于一体的新技术。

其中以电脉冲控制的同步电机在实际中应用广泛。

1.1步进电机的背景随着电子技术，控制技术以及电机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。

笔者认为这是机电一体化元件组的必然趋势。

就传统的步进电机来说，步进电机可以简单地定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电机。

从广义上讲，步进电机是一种脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电机。

步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原如模型起源于1830年至1860年间。

1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中。

这被认为是最初的步进电机。

此后，在电话自动交换中广泛使用了步进电机。

不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。

20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电机在众多领域的应用。

在近30年间，步进电机迅速地发燕并成熟起来。

从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机、以及同步电机并列，从而成为电机的一种基本类型。

我国步进电机的研究及制造起始于本世纪50年代后期。

从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。

这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。

70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。

除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高水平。

70年代中期至80年年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。

自80年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。

1.2步进电机的简介步进电动机是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机，其作用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移。

因此，步进电动机又称脉冲电动机。

步进电动机可以实现信号转换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。

在实际生产中也广泛使用到，如在数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制、石英钟表等场合都有应用。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。