步进电机控制

论文题目：步进电机控制

课程名称：电机现代控制技术

专业班级：电气1303班

学生姓名：司尧

学号：130301303

时间：2016年10 月24 日

一.课题的背景及意义

1.步进电机的发展情况

步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信写·转变为角位移或线位移的开环控制元件·。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。

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。

2.课题目的

课程设计任务根据给定的任务要求选择合适的单片机和其他电子元器件，进行系统硬件电路设计和软件编程，根据系统制作并调试系统电路板，使之实现任务要求。有关参数选择要求符合国家标准。具体设计内容如下单片机应用系统设计硬件电路——步进电机控制。

二.设计的内容及任务

1.步进电机的控制原理

以常用的永磁式步进电机为例，用单片机控制步进电机，其接线图如图1

所示：

图1 永磁步进电机接线图

从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，这样共有5根引出线，要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。将COM端标识为C,只要AC、BC或/AC、/BC,轮流加电就能驱动步进电机运转，加电的方式可以有多种，如果将C0M端接正电源，那么只要用开关元件(如三极管)将A、B或/A、/B轮流接地。不难设计出控制电路，因其1作电压为12V，因此用一块开路输出达林顿驱动器作为驱动，通过Pl.0、Pl.3来控制各线圈的接通与切断。开机时，Pl.0，Pl.3均为高电平，依次将Pl.0、Pl.2(或Pl.1、PI.3反向)切换为低电平即可驱动步进电机运行。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间。改变转速，只要改变Pl.0、P1.2(或Pl.1、Pl.3反向)轮流变低电平的时间即可达到要求，因为不会影响到其他功能的实现，这个时间可以用延时来实现。这里以定时的方式来实现。

2.单片机系统

本次设计选用STC89C51作为步进电机的控制芯片，STC89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上.使用方便等优点，而且完全兼容MC551系列单片机的所有功能。STC89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM-Flash Programmable AndErasableReadOnlyMemory)的低电压，高性能CM088位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

图2 单片机引脚图

3.键盘控制电路

键盘在中.片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质是一组按钮开关的集合。键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。

一个电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为5-10ms；两次抖动之间为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定；第一次抖动前和第二次抖动后为断开状态。

按键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或低电平。通过对输出电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。在本设计中，高电平表示按键断开状态，低电平表示按健闭合状态。并且，为了能直观形象的表示按键闭合与否，还为每个按键相应增加了发光二极管，按键断开时，发光二极管灭，当有键闭合时，相应的发光二极管变亮。

为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键。必须消除抖动的影响。消除按键抖动通常采用硬件、软件两种方法。由于硬件消抖电路设计复杂，本设计中没有采用，在此不再详细叙述；软件消抖适合按键较多的情况，方便简单。其原理是在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后在确认该键

电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。其原理图如图3所示：

图3 键盘控制模块原理图

4.步进电机驱动电路

本系统的设计的为了高效控制步进电机的转动，因此需要将单片机发出的脉冲转化为步进角度，才能控制步进电机转动，我们在这里采用ULN2003为步进电机提供脉冲信号。ULN2003七NPN达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路(如TTL，CMOS或PMOS/NMOS)和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其他类似负载间的接口的理想器件。广泛用于计算机，工业和消费类产品中。所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流二极管。ULN2003的设计与标准TTL系列兼容。它的管脚连接图如图4所示：

图4 ULN2003管脚连接图

5.控制系统软件分析与设计

步进电机控制系统的软件需要同时完成读取键盘、处理键盘、控制步进电机转动、控制数码管动态显示等任务，这就必须通过中断技术来实现。

在本设计中，主程序采用査询方式扫描键盘端口，检测按键动作是否发生，若有按键动作则处理键盘，根据按键值修改相应参数值，实现键盘的实时处理功能。定时器0中断服务程序控制步进电机的转动根据当前显示的速度进行键盘手动改变T0定时时间常数，设置TH0和TL0的值，达到对转速精确控制的目的；根据转动方向控制位的值，控制脉冲信号循环移动的方向，达到对转动方向控制

的目的。