小功率步进电机位置控制系统设计

目录

第一章概述 (1)

1.1课题背景 (1)

1.2单片机应用发展简介 (1)

1.3主要研究工作 (2)

第二章步进电机原理及驱动 (3)

2.1步进电机的工作原理 (3)

2.2步进电机的驱动 (3)

2.2.1步进电机的驱动方式.................................................. 错误!未定义书签。

2.2.2步进电机的驱动特点.................................................. 错误!未定义书签。

2.2.3步进电机驱动器的直流供电电源的确定.................. 错误!未定义书签。

2.3步进电机控制系统构成 (5)

第三章单片机控制步进电机的方法 (6)

3.1步进电机控制方法 (6)

3.1.1 串行方式 (6)

3.1.2 并行方式 (6)

3.2PIC单片机介绍 (6)

3.2.1 PIC单片机介绍 ....................................................... 错误!未定义书签。

3.2.2 PIC系列单片机的结构 ........................................... 错误!未定义书签。

3.3步进电机的单片机控制 (7)

第四章系统硬件设计 (8)

4.1系统硬件结构 (8)

4.2模拟步进电机驱动电路 (8)

4.3LED显示接口电路 .......................................................... 错误!未定义书签。

4.4键盘接口设计................................................................... 错误!未定义书签。

4.5石英多谐振荡器电路设计............................................... 错误!未定义书签。

4.6光电编码器原理及分类 .................................................... 错误!未定义书签。第五章系统软件设计 (9)

5.1软件结构 (9)

5.2子程序模块 (10)

5.2.1 串行静态显示模块 (10)

5.2.2 键盘扫描模块 (11)

5.2.3 中断模块 (12)

结论 (13)

参考文献 (14)

致谢 (15)

附录1 ............................................................................................ 错误!未定义书签。附录2 ............................................................................................ 错误!未定义书签。

第一章概述

1.1 课题背景

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的机电执行元件，每外加一个控制脉冲，电机就运行一步故称为步进电机或脉冲马达。当步进电机接收到一个脉冲信号，它就按设定的方向转动一个固定的角度(步进角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的。同时可以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。

步进电机具有转子惯量低，定位精度高，无累积误差，控制简单等特点。实际操作时不受电源电压，负载，环境，温度的影响能够实现快速启动、制动和反转。步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制，步进电机作为控制执行元件，是机电一体化的关键产品之一，以广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。随着数字技术和计算机的发展，研究步进电机驱动电路，使步进电机的控制更加简便，灵活和智能化，使其应用更加广泛。

步进电动机的发展方向主要有如下三点:

（1）进一步完善和扩展驱动和控制功能。如采用SVPWM技术，采用电子齿轮比技术，扩展通讯网络功能等。

（2）高功率密度步进电动机系统。

（3）闭环控制步进电动机系统。为了彻底克服步进电动机系统一些根本性的弱点，如振荡的倾向及失步等，可改为闭环系统，但这种改变使步进电动机系统已起了质的变化，不再是本来意义上的步进电动机，而成为无刷直流电动机(BLDCM)，或交流伺服电机(AC SERVO）。

1.2 单片机应用发展简介

单片微型计算机（Single Chip Microcomputer)简称单片机，是在一块芯片体上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/O接口等部件，构成的一个完整的微型计算机。

自1971年Intel公司制造出第一块4位微处理器以来，发展十分迅猛，经历了4位机、低档8位机、高档8位机、16位机及最新一代的单片机。最新一代单片机在结构上采用双CPU或内部流水线，CPU有8位、16位、32位，时钟

频率高达20Hz，片内有PWM输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输、调制解调器等。芯片向高集成化，低功耗方向发展，使得单片机在大量数据的及时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。

单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，故在国民经济建设、军事及家用电器等领域有广泛的应用。按照单片机特点，单片机可分为单机应用和多机应用。

1.3 主要研究工作

硬件设计方面：通过单片机实验加深对步进电机的驱动电源和电机工作情况了解，测定并研究其在单步运行状态，角位移和脉冲数关系，平均转速和脉冲频率的关系。观察转子振荡状态，并且掌握步进电机的基本特性和指标。根据功能需要选择电路元器件和型号，设计电路并能解决现实抗干扰问题。画出电路原理图。

软件设计方面：通过汇编语言编写核心模块对步进电机进行控制。最终编写出一个完整步进电机控制程序，能够调节步进电机的转向和速度。由于转速是通过调节脉冲频率实现的，因此设计脉冲分配采用完全软件方式，既按照给定的通电换向顺序，通过单片机I/O口向驱动电路发出控制脉冲，这样就避免采用复杂脉冲分配芯片，来实现单片机对步进电机的控制。程序设计按照掌握计算机相序控制方法，采用适合三相单四拍、双四拍和单、双八拍的循环移位法，并且在现实操作中解决堵转和启动失步等问题。