基于51单片机控制步进电机毕业设计论文
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第二章
2.1步进电机பைடு நூலகம்构造
步进电机属于是无电刷电机[3]，因此需要较少的维护。由于它是通过脉冲输入进行增量步进驱动，这使得步进电机在许多角度与位移控制中非常受欢迎。根据他们内部结构的不同，可以分为下面三大类：
(1)反应式:它的定子由铜制绕组构成，组成转子的材料是软磁结构。其特点就是结构简单、成本低、步距角小，但动态性能差、效率低，适合精度要求不太高的场合。
1.3课题的内容
本论文所选的是四相步进电机，所用控制方法是由单片机CPU控制产生相序脉冲，再经过驱动电路形成对步进电机的驱动电流。步进电机的运行控制主要是通过外部的电脉冲的输入。当步进电机的驱动器接收到一个脉冲信号的时候，它会进行相应的电流信号分配以及功率放大，直到可以达到驱动步进电机的电流和电压[8]。这时步进电机的绕组开始具有电流，产生电磁力，拖动转子开始运动。步进电机的转子会根据一个固定的旋转角度来转动（称为“步距角”）。在驱动电路设计的过程中，通过对驱动电路设置保护线路[9]，反馈输出电流以达到过电流保护。由此可见，步进电机的旋转是以固定的角度增量驱动运行的。根据这个工作原理，就可以通过产生脉冲的个数来控制步进电机的角偏移量，从而达到准确定位的目的。在此基础上，系统可设计出角度定位控制与位移定位控制等功能仿真系统来模拟步进电机的实际应用[10]。此外，电机的运行速度和旋转方向可以通过控制脉冲频率与相序来改变，从而达到调节速度、控制方向的目的。
基于
第一章
1.1课题背景
步进电机作为控制执行器，广泛应用于各种控制领域[1]。当需要精确控制角度方位时，步进电机的使用将会很好解决实际问题。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展[2]，各行业对步进电机的需求日益增加，它已被普遍应用于各个经济领域。
步进电机是在国外发明的。中国在文化大革命中就已经开始应用和生产，例如北京、浙江、江苏、四川都可以生产，而且在各行业开始逐步使用，目前驱动电路的半导体器件大多能做到完全国产。当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路[3]，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。当前，国外对步进电机的控制和驱动研究的一个重要的发展方向，是大量的研发专用芯片，结果就是让驱动器的体积变得相当小，与此同时还可以明显提高驱动系统的整体性能。对于一类相对典型的芯片，其核心是采用硬件和微程序，用来保证步进电机能够实现合理的加速和减速过程。对于[4]像日本的ppmc101b这样的开环步进电机，能够具有一个适合实际情况的加减速过程，并且还可以使它的运行速度达到很高的水
四相步进电机结构示意图与工作时序波形图如下：
图2-2结构示意图
图2-3四相电机工作时序波形图
工作时序脉冲分配如下表所示：
5.测试各项系统功能，分析数据，得出结论。
本课题系统测试是使用protues软件作为仿真平台。Protues软件[11]是由英国Labcenter electronics公司研发的EDA工具软件，它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能有效仿真单片机及外围器件。这是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。依靠这个强大的仿真平台，可以很大程度上提高系统设计的进度。
本课题的主要研究内容如下：
1.分析步进电机的特点与工作原理，选择合理的驱动方式。
2.确定合适的系统控制器，即单片机型号，分析其各个引脚功能。
3.根据设计要求，提出设计方案，论证每个方案，达成最终方案。
4.设计本课题的控制系统硬件电路图，以及软件程序设计，要求系统稳定可靠，操作方便，满足各项系统要求。
步进电机主要由转子和定子两部分组成，它们均由磁性材料构成，如图2-1所示：
图2-1步进电机结构图
2.2步进电机的工作原理
步进电机是一种受脉冲驱动的电机。它的工作原理[4]是给电机的绕组按一定的相序分时输入直流电流。当一系列的脉冲信号产生，步进电机就会开始连续的转动。下面就以四相步进电机为例：
首先需要进行脉冲分配，脉冲分配作用就是产生不一样的通电顺序。单四拍的通电顺序为：A-B-C-D-A；双四拍的通电顺序为：AB-BC-CD-DA-AB。正常情况下，步进电机若要正常运行，就必须严格按照此通电顺序。当电机如需要反转时，则可以将通电顺序逆反。在反转状态下，单四拍通电顺序为：A-D-C-B-A；双四拍通电顺序为：BA-AD-DC-CB-BA。
(2)永磁式:此步进电机转子的材料是永磁体。这种步进电机[12]的转子和定子的两极数量是一样的。它的优点是有着良好的动态性能和较大的输出转矩；缺点是电机精度相对差，同时步进角较大。在这三种步进电机中，用途相对较少。
(3)混合式：混合式步进电机[4]整合了前面两个步进电机的结构优势。定子和转子上分布着多个小齿，能够显著提高步矩的精度。铜制绕组构成它的定子，永磁体组成它的转子。它的优点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，控制精度相对高，缺点就是结构相对复杂、设计成本较高，总的来说，适用于高精度的场合，具有突出的性能应用。
平，而不会导致过冲或失步。采用像这类专用集成电路可以驱动3～5相电路，其设定的转速范围、加减速的过渡时间及上升下降的陡度可根据负载选定，此外还有单步运转和不同的停止方式。
1.2课题的目的和意义
随着自动化控制技术的进一步应用和发展[5]，以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用。相应地，其控制系统也必定需要升级发展，特别是智能化技术应用方向的发展将会成为步进电机的下一步发展趋势。之前的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路或者集成电路，它不仅增加了安装调试的复杂度，还会消耗大量的组件，而且一旦改变了控制方案，就必须重新去设计系统，包括电路的设计与测试、元器件的更换与调试，从而不利于系统的升级。基于单片机的控制系统[6]，通过软件对步进电机进行控制，可以更好的发挥步进电机的潜力，能够用最低成本去优化系统，大大节约了系统升级的难度与成本。用微型单片机[7]控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求，因此，设计出一套稳健的基于单片机的步进电机控制系统对于各行业使用需求具有十分重要的意义。
2.1步进电机பைடு நூலகம்构造
步进电机属于是无电刷电机[3]，因此需要较少的维护。由于它是通过脉冲输入进行增量步进驱动，这使得步进电机在许多角度与位移控制中非常受欢迎。根据他们内部结构的不同，可以分为下面三大类：
(1)反应式:它的定子由铜制绕组构成，组成转子的材料是软磁结构。其特点就是结构简单、成本低、步距角小，但动态性能差、效率低，适合精度要求不太高的场合。
1.3课题的内容
本论文所选的是四相步进电机，所用控制方法是由单片机CPU控制产生相序脉冲，再经过驱动电路形成对步进电机的驱动电流。步进电机的运行控制主要是通过外部的电脉冲的输入。当步进电机的驱动器接收到一个脉冲信号的时候，它会进行相应的电流信号分配以及功率放大，直到可以达到驱动步进电机的电流和电压[8]。这时步进电机的绕组开始具有电流，产生电磁力，拖动转子开始运动。步进电机的转子会根据一个固定的旋转角度来转动（称为“步距角”）。在驱动电路设计的过程中，通过对驱动电路设置保护线路[9]，反馈输出电流以达到过电流保护。由此可见，步进电机的旋转是以固定的角度增量驱动运行的。根据这个工作原理，就可以通过产生脉冲的个数来控制步进电机的角偏移量，从而达到准确定位的目的。在此基础上，系统可设计出角度定位控制与位移定位控制等功能仿真系统来模拟步进电机的实际应用[10]。此外，电机的运行速度和旋转方向可以通过控制脉冲频率与相序来改变，从而达到调节速度、控制方向的目的。
基于
第一章
1.1课题背景
步进电机作为控制执行器，广泛应用于各种控制领域[1]。当需要精确控制角度方位时，步进电机的使用将会很好解决实际问题。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展[2]，各行业对步进电机的需求日益增加，它已被普遍应用于各个经济领域。
步进电机是在国外发明的。中国在文化大革命中就已经开始应用和生产，例如北京、浙江、江苏、四川都可以生产，而且在各行业开始逐步使用，目前驱动电路的半导体器件大多能做到完全国产。当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路[3]，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。当前，国外对步进电机的控制和驱动研究的一个重要的发展方向，是大量的研发专用芯片，结果就是让驱动器的体积变得相当小，与此同时还可以明显提高驱动系统的整体性能。对于一类相对典型的芯片，其核心是采用硬件和微程序，用来保证步进电机能够实现合理的加速和减速过程。对于[4]像日本的ppmc101b这样的开环步进电机，能够具有一个适合实际情况的加减速过程，并且还可以使它的运行速度达到很高的水
四相步进电机结构示意图与工作时序波形图如下：
图2-2结构示意图
图2-3四相电机工作时序波形图
工作时序脉冲分配如下表所示：
5.测试各项系统功能，分析数据，得出结论。
本课题系统测试是使用protues软件作为仿真平台。Protues软件[11]是由英国Labcenter electronics公司研发的EDA工具软件，它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能有效仿真单片机及外围器件。这是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。依靠这个强大的仿真平台，可以很大程度上提高系统设计的进度。
本课题的主要研究内容如下：
1.分析步进电机的特点与工作原理，选择合理的驱动方式。
2.确定合适的系统控制器，即单片机型号，分析其各个引脚功能。
3.根据设计要求，提出设计方案，论证每个方案，达成最终方案。
4.设计本课题的控制系统硬件电路图，以及软件程序设计，要求系统稳定可靠，操作方便，满足各项系统要求。
步进电机主要由转子和定子两部分组成，它们均由磁性材料构成，如图2-1所示：
图2-1步进电机结构图
2.2步进电机的工作原理
步进电机是一种受脉冲驱动的电机。它的工作原理[4]是给电机的绕组按一定的相序分时输入直流电流。当一系列的脉冲信号产生，步进电机就会开始连续的转动。下面就以四相步进电机为例：
首先需要进行脉冲分配，脉冲分配作用就是产生不一样的通电顺序。单四拍的通电顺序为：A-B-C-D-A；双四拍的通电顺序为：AB-BC-CD-DA-AB。正常情况下，步进电机若要正常运行，就必须严格按照此通电顺序。当电机如需要反转时，则可以将通电顺序逆反。在反转状态下，单四拍通电顺序为：A-D-C-B-A；双四拍通电顺序为：BA-AD-DC-CB-BA。
(2)永磁式:此步进电机转子的材料是永磁体。这种步进电机[12]的转子和定子的两极数量是一样的。它的优点是有着良好的动态性能和较大的输出转矩；缺点是电机精度相对差，同时步进角较大。在这三种步进电机中，用途相对较少。
(3)混合式：混合式步进电机[4]整合了前面两个步进电机的结构优势。定子和转子上分布着多个小齿，能够显著提高步矩的精度。铜制绕组构成它的定子，永磁体组成它的转子。它的优点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，控制精度相对高，缺点就是结构相对复杂、设计成本较高，总的来说，适用于高精度的场合，具有突出的性能应用。
平，而不会导致过冲或失步。采用像这类专用集成电路可以驱动3～5相电路，其设定的转速范围、加减速的过渡时间及上升下降的陡度可根据负载选定，此外还有单步运转和不同的停止方式。
1.2课题的目的和意义
随着自动化控制技术的进一步应用和发展[5]，以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用。相应地，其控制系统也必定需要升级发展，特别是智能化技术应用方向的发展将会成为步进电机的下一步发展趋势。之前的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路或者集成电路，它不仅增加了安装调试的复杂度，还会消耗大量的组件，而且一旦改变了控制方案，就必须重新去设计系统，包括电路的设计与测试、元器件的更换与调试，从而不利于系统的升级。基于单片机的控制系统[6]，通过软件对步进电机进行控制，可以更好的发挥步进电机的潜力，能够用最低成本去优化系统，大大节约了系统升级的难度与成本。用微型单片机[7]控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求，因此，设计出一套稳健的基于单片机的步进电机控制系统对于各行业使用需求具有十分重要的意义。