课程设计步进电机

摘要

本设计采用STC89C52单片机对步进电机继续控制，以IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过ULN2803集成芯片驱动步进电机，然后，通过键盘来对电机的状态进行控制，并用LED数码管来显示电机的工作状态。从单片机输入信号，经系统调试时序步进电机的启动、停止、正反转和加速减速，从而达到要求。通过对步进电机的软件设计和硬件设计包括步进电机的结构、原理及应用，根据原理和硬件的设计利用c语言编写程序，在proteus软件上经过反复运行和调试，实现单片机对步进电机的控制。

关键词步进电机 ; ULN2803集成芯片 ; LED数码管 ; proteus软件

目录

目录 (1)

第1章引言 (2)

第2章电路基本原理及方案设计 (5)

2.1 电路基本原理 (5)

2.2方案设计 (5)

第3章硬件电路原理 (6)

3.1步进电机 (6)

3.2 LED显示 (9)

3.3 按键控制模块 (11)

第4章软件编程 (12)

4.1程序流程图 (12)

4.2 单片机引脚功能 (12)

第5章调试结果 (15)

总结 (17)

参考文献 (18)

附录1 (19)

附录2 (25)

第1章引言

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。步进电机可以直接接受数字信号,不需要进行数字与模拟量的转换,具有高精度快速启停能力。

在非超载的情况下，步进电机的转速、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的非常的简单。

图1.1 步进电机实物图

步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。步进电机的最大特点是其“数字性”，对于微电脑发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度（简称一步），如下图所示。如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离。同时可通过控制脉冲频率，直接对电机转速进行控制。步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式(Hybrid Stepping,HS)。

•反应式

定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

•永磁式

永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其

特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。

•混合式

混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步矩角小，但结构复杂、成本相对较高。

混合型，因具有高精度、高转矩、微小步进角和数个优异的特征，所以刚开始在OA关系，其它的分类上也大幅的被使用，特别是在生产量上大半是使用在盘片记忆关系的磁头转送上。

按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。

图1.2 单定子径向分相反应式步进电机结构原理

最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占 97% 以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步矩角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步矩角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步矩角可细分达256倍（0.007°）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

图1.3 混合式步进电机

相数：产生不同对极N、S 磁场的激磁线圈对数，是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。目前应用最广泛的是两相和四相，四相电机一般用作两相，五相的成本较高。

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.步：当某组绕组通电时,每来一个脉冲电压,如果这时定子的小齿与转子没有对齐，则在磁场的作用下转子将转动一个步距角(称为一步)，使转子齿与定子齿对齐，从而使步进电机向前“走”一步。

第2章 电路基本原理及方案设计

2.1 电路基本原理

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。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，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。控制步进电机的速度，即给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。同时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。

2.2方案设计

步进电机控制电路原理图如图2.1所示。

图2.1 步进电机控制电路原理图

根据设计要求，采用的方案如下。硬件部分实现电机转动和速度显示功能，包括控制开关模块；电机转动模块和速度显示模块。软件部分实现对步进电机的控制功能，主要设计思想通过控制台控制程序的开关来控制电机的转动，由电机反馈回来的数据经单片机控制显示器显示数据。

控制台 单片机 步进电机 LED 显示器