基于单片机的步进电机控制毕业设计论文

基于单片机的步进电机控制江宁校区08机电二姓名周峰指导教师丁红【摘要】当今社会发展的脚步愈变愈快，科学技术也是日新月异。

同时，对于生活工作要求简单化、智能化、系统化。

对于各个领域的应用设备要操作简单，功能齐全应用自如等等苛刻的要求。

在众多条件的促使下，引入了步进电机，而且使之被系统化操作。

现今已有如步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控AT89C51 和脉冲分配器PMM8713 完成步进电机的各种运行控制。

整个系统采用模块化设计，结构简单，可靠，通过人机交互换接口能设置，操作简单，易于掌握。

该系统可应用于步进电机在机电一体多数场合。

更多的实践证明，基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更加简单、方便、可靠。

本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最器件——步进电机。

【关键词】步进电机，单片机，正反转控制，加减速控制，XY工作台目录第一章绪论 (3)1.1 步进电机的发展 (3)1.2 本文研究内容............. ............. ............. (3)第二章步进电机的工作原理、分类、特性及指标 (3)2.1反应式步进电机原理 (4)2.2感应子式步进电机特点： (4)2.3分类 (5)第三章步进电机的驱动............. ............. .. (5)3.1 脉冲信号的产生 (5)3.2 信号分配 (5)3.3 功率放大 (5)3.4 细分驱动器 (6)第四章步进电机的单片机控制 (7)4.1 步进电机控制系统组成 (7)4.2 步进电机控制系统原理 (7)4.3 脉冲分配 (7)4.4 步进电机与微型机的接口电路 (9)第五章步进电机的运行控制............. ............. (10)5.1 步进电机的速度控制 (10)5.2 步进电机的位置控制 (10)5.3 步进电机的加减速控制 (10)第六章步进电机的XY工作台............. ............. .. (12)6.1 设计目标 (12)6.2 X、Y工作台的传动方式 (12)6.3 程序框图 (13)6.4 汇编程序 (14)设计总结............ ............. ............. (16)参考文献............. ............. ............. .. (17)第一章绪论1.1 步进电机的发展步进电机的原始模型起源于1830年至1860年，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，这被认为最早的步进电机。

1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。

到 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。

步进电机往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。

在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

图1.1 步进电机的外观图1.2 本文研究内容本设计主要是研究基于单片机的步进电机控制，采用单片机AT89C51和脉冲分配器PMM8713 控制步进电机在三相六拍工作方式下的启停控制，正反转控制和加减速控制，以实现基于步进电机的XY工作台两点间的位移控制。

第二章步进电机的工作原理、分类、特性及指标2.1反应式步进电机原理2.1.1结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

0、1/3T、2/3T,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以T表示），即A 与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3T，C与齿3向右错开2/3T，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：图2.1 定转子的展开图2.1.2、旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。

如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3L，此时齿3与C偏移为1/3T，齿4与A偏移（T-1/3T）=2/3T。

如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3T，此时齿4与A偏移为1/3T对齐。

如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3T，样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3T,向右旋转。

如按A，C，B，A……通电，电机就反转。

由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。

而方向由导电顺序决定。

不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。

往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3T改变为1/6T。

甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3T变为1/12T，1/24T，这就是电机细分驱动的基本理论依据。

不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。

并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。

只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

2.1.3力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比S图2.2转子与定子错开角度图其磁通量Ф=Br×SBr为磁密，S为导磁面积F与L×D×Br成正比L为铁芯有效长度，D为转子直径Br=N×I/RN·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。

力矩=力×半径力矩与电机有效体积×安匝数×磁密成正比（只考虑线性状态）。

因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

2.2感应子式步进电机特点：感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。

因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。

感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。

一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。

（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。

例如：四相，八拍运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=A,D=B.为了方便使用，灵活改变电机的一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。

2.3分类感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。

以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。

第三章步进电机的驱动使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：图3.1 步进电机控制系统3.1脉冲信号的产生脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

3.2信号分配很多生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为A AB -A B -B -B A ,步距角为1.8度；二相八拍为A B AB --B -A -A B -B -A B -AB A -,步距角为0.9度。

四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。

3.3功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。

步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。

平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。

因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。

为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。

像SH 系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：图3.2 硬件接线示图说明：CP 接CPU 脉冲信号（负信号，低电平有效）OPTO 接CPU+5VFREE 脱机，与CPU 地线相接，驱动电源不工作DIR 方向控制，与CPU 地线相接，电机反转VCC 直流电源正端GND 直流电源负端 A 接电机引出线红线A 接电机引出线绿线B 接电机引出线黄线接电机引出线蓝线步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。

步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。

电压对力矩影响如下：图3.3电压频率特性图3.4 细分驱动器在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。

图3.4 细分驱动器原理图第四章步进电机的单片机控制4.1 步进电机控制系统组成图4.1 用微型机控制步进电机原理系统图与传统步进控制器相比较有以下优点：一、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。

二、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。

三、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。

4.2 步进电机控制系统原理4.2.1 脉冲序列的生成图4.2 脉冲的生成图脉冲幅值：由数字元件电平决定。

TTL 0 ～ 5VCMOS 0 ～ 10V接通和断开时间可用延时的办法控制。

要求：确保步进到位。

4.2.2 方向控制步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。

三相六拍，通电顺序为:正转: A→AB→B→BC→C→CA反转: A→AC→C→CB→B→BA改变通电顺序可以改变步进电机的转向4.3 脉冲分配实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法4.3.1 通过软件实现脉冲分配软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O向驱动电路发出控制脉冲，下面以三相六拍为例：上面提到了三相六拍工作方式通电换相得正序为A-AB-B-BC-C-CA-A,，反序为A-AC-C-CB-B-BA-A图4.3 用软件实现脉冲分配的接口示意图注：P1.0：A相驱动P1.1：B相驱动P1.2：C相驱动三相六拍控制字如下表所示：表4.1 三相六拍工作方式的控制字注：0代表使绕组断电，1代表使绕组通电在程序中，只要依次将这 10 个控制字送到 P1 口，步进电机就会转动一个齿距角，每送一个控制字，就完成一拍，步进电机转过一个步距角。