基于PROTUES的步进电机控制研究

本科毕业设计（论文）

作者姓名 指导教师

学科门类 所学专业 题 目（中、代分类号 学号 密级 提交论文日期 成绩评定

Based on PROTEUS

摘要

步进电动机是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机，其作用是将脉冲电信号转换为相应的角位移。它能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用单片机控制。本论文以反应式步进电机为研究对象，应用单片机控制技术，设计出一种以单片机为核心的步进电机控制系统。在论文中较详细地分析了步进电机的工作原理，研究了步进电机控制系统的原理和构成。设计出基于单片机的步进电机控制系统的硬件电路，其中包括单片机、驱动电路、复位电路、键盘电路、状态指示电路和时钟电路等。应用Keil软件编程环境进行单片机软件编程，并在PROTEUS里画出电路图进行仿真。此控制系统可实现步进电机四相单三拍、四相双三拍、四相八拍运行方式和正、反转的控制。

关键词:步进电机；单片机；PROTEUS

Abstract

Step motor is a kind of special synchronization motor controlled by pulse. One of its functions is to transform pulse into angle. It can directly change digital impulse signal into angle, so it adapts to be controlled by MCU (Microcomputer Unit). A kind of control system for steeping motor using MCU is designed in the paper. The principle of step motor is analyzed. The construction and principle of control system is studied. Including the single-chip microcomputer, driving circuit, power circuit, keyboard circuit, status indication circuit, clock circuit and so onThe software of Programming is Keil. The flow chart of programming and the result of software simulation are given . The control system can achieve three kind of function modes and positive and reversal rotation of step motor.

Key words:Step Motor; Microcomputer Unit; PROTEUS

目录

1引言 (1)

2步进电机 (1)

2.1 步进电机简介 (1)

2.2 步进电机的分类 (2)

2.3 三相步进电机工作原理 (2)

2.4四相步进电机工作原理 (2)

3四相步进电机的控制原理和组成 (3)

3.1步进电机的控制原理 (5)

3.2 步进电机的控制系统结构 (7)

3.3 步进电机的控制的设计原理 (8)

4硬件设计 (8)

4.1 系统总电路图 (8)

4.2 80C51单片机 (9)

4.3 驱动电路 (11)

4.4复位电路 (13)

4.5 震荡电路 (13)

4.6 按键模块 (14)

4.7 状态指示模块 (14)

5 软件设计 (15)

6电路仿真 (16)

6.1 程序编译 (17)

6.2调试 (17)

6.3 仿真结果 (17)

7 总结 (19)

参考文献 (20)

谢辞 (21)

基于PROTEUS步进电机的控制研究

1．引言

步进电动机是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就可以转动一个角度或前进一步。步进电动机也可以实现信号变换，在数字控制系统和自动控制系统有着非常广泛地应用，如在绘图机、打印机、绘图仪、机器人控制等场合都有应用。步进电动机的线位量或角位移量与脉冲数成正比，它的线速度与脉冲成正比。在负载能力范围内这些关系不因负载电压、电源电压、环境条件的变化而变化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速完成启动，反转和正转。它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制，即很适合单片机控制。本文的较详细地讲述了四相步进电动机的原理和多种工作方式，通过对单片机进行I/O扩展及编程来实现对单片机多种工作方式的编程驱动实现，并在PROTEUS中进行仿真和验证。通过本课题能够训练自己应用单片机对步进电动机进行控制，熟悉并理解应用单片机进行控制系统设计的多个环节与步骤，提高单片机的应用能力，为今后从事单片机应用或电机控制等相关工作打下较好基础。

2 步进电机工作原理

2.1 步进电机简介

步进电动机又称为脉冲电动机，它是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。在同一相脉冲持续输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于自锁状态。因此步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于单片机控制。

2.2 步进电机的分类

1）可以按励磁方式可以分类反应式步进电动机，永磁式步进电动机，永磁感应式电动机。

（1）反应式步进电动机：采用高导磁材料构成定子和转子，其结构非常简单，生产成本低，起动和运行频率高，步距角可以做的很小，但动态性能比较差，消耗功率比较大，

咸阳师范学院2013届本科毕业论文

断电后无定位力矩。反应式步进电动机是在实际中应用最多的一种步进电动机。

（2）永磁式步进电动机：转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧是齿状定子。应用定子和转子之间的排斥和吸引力产生转动，转动步的角度一般是7.5度。它的步距角大，内阻力矩强，但启动频率低，控制功率小断电时有定位力矩并需要正负电源供电。

（3）永磁感应式电动机：也称混合式步进电动机，这种电动机可以像反应式步进电动机那样做成小步距角，并有较高的启动频率，同时它又具有控制功率小的优点。当然由于采用磁钢，转子铁心必须分成俩段，结构和工艺都比反应式复杂一些。在计算机相关的设备中多用此类电机。

2）按励磁相数可以把步进式电动机分为：三相、四相、五相、六相等。

2.3 三相步进电机工作原理

永磁式步进电动机和感应式永磁步进电动机的基本原理与反应式步进电动机基本相似，现以最基本三相反应式步进电动机为例来分析其工作原理与运行方式。

1）三相单三拍运行方式

图2.1是一台三相六极反应式步进电动机[2]，其定子上有六个极，每极上都绕有线圈，并将相对的极上的绕组连在一起组成电机的一个相。转子圆周上均匀的分布4个齿且齿上无绕组。当A相绕组通电时，因磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，故使转子齿l、3

和定子极A相对齐，如图2.1（a）所示。A相断电，B相绕组通电时，转子将在空间转过α角，α＝30°，使转子齿2、4和定子极B相对齐，如图2.1（b）所示。如果再使B断电，C相绕组通电时，转子又将在空间转过30°角，使转子齿l、3和定子极C相对齐，图2.1（c）所示。

如果按A-B-C-A………顺序不断地通电和断电控制绕组，电动机便按照一定的方向一步一步的转动，若按A-C-B-A………顺序通电，则电动机机就反向一步一步的转动。

在步进电动机中，控制绕组每改变一次通电方式，则称为一拍，每一拍转子就转过一个步进角，上述的运行方式每次只有一个绕组单独通电，控制绕组每换三次构成一个循环，故这种方式称为三相单三拍。

采用单三拍运行方式时，在绕组断、通电的间隙，转子有可能失去自锁能力，出现失步现象。另外，在转子频繁起动、加速、减速的步进过程中，由于受惯性的影响，转子在平衡位置附近有可能出现振荡现象。所以，三相步进电动机单三拍运行方式容易出现失

基于PROTEUS步进电机的控制研究

步和振荡，常采用三相双三拍运行方式.

图2-1

2）三相双三拍运行方式

如果按AB-BC-CA-AB………顺序通电,每次均有两个控制绕组通电,故称为三相双三拍正转。反之,按AB-CA-BC-AB-CA………顺序通电,就称三相双三拍反转方式运行时,其步矩角与三相单三拍一样,都是30度。

3）三相单、双六拍运行方式

若按A-AB-B-BC-C-CA-A………顺序通电，每次循环需换接6次，故称为三相六拍，因单相通电和两相通电轮流进行，故又称为三相单、双六拍。

图2-2

先接通A相绕组，转子齿l、3和定子极A相对齐，如图2.1（a）所示；接着再同时

接通A、B相绕组，转子的位置应使A，B两对磁极所形成的两路磁通，在气隙中所遇到的磁阻达到同样的最小，此时A，B两极与转子齿相互作用的磁拉力的大小相等且方向相反，转子将在空间转过α/2角即15°，如图2.2（a）所示；然后断开A相绕组，使B相绕组单独接通，如图2.1（b）所示；再同时接通B、C相绕组，如图2.2（b）所示，依此进行。在这种通电方式时，定子三相绕组需经过六次切换才能完成一个循环，故称为“六拍”，而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此亦称为“三相单、双六拍”。在这种通电方式时，三相步进电动机的步距角α应为15°，其具有带负载能

力增加，稳定性更好的优点。

依次类推，如果下面继续按照BC-C-CA-A………的顺序使绕组换接，那么步进电动机就不断就不断地按逆时针方向旋转，当接通顺序改为A-AC-C-CB-B-BA-A………时，步进电动机就反方向既按顺时针方向旋转。

由上面的分析可知，同一台步进电动机，其通电方式不同，步进角可能也就不一样，通电顺序不同，正反转也可能不同。采用双、单拍通电方式，其步进角是单拍或双拍的一

半；采用双极通电方式，其稳定性比单极要更好。

2.4 四相步进电动机

永磁式步进电动机和感应式永磁步进电动机的基本原理与反应式步进电动机基本相似，现以四相反应式步进电动机为例来分析其工作原理与运行方式。其典型结构如图2-3所示，这时一台四相电机，定子铁心有硅钢片叠成，定子上有8个磁极，每个磁极上有许多小齿，图中转子齿数50个，定子每个磁极上有5个。

图2-3 1）四相単四拍运行方式

电动机为四相単四拍运行时，通电方式为A-B-C-D-A …………当图2-3中的A 相控制绕组通电时，产生了沿A-A '极轴线方向的磁极，由于磁通力图通过磁阻最小路径，因而使转子受到反应转矩的作用而转动，直到转子齿周线和定子磁极A 和A '上的齿轴线对齐为止。因而转子共有50个齿，每个齿距角t θ=07.2，定子一个极距所占的齿数为

5024?=61

4

，不是整数，因而当A ，A '极下的定、转子齿轴数对其时，相邻,,B B 和D, ,D 极下的齿和转

子齿必然错开1

4

齿距角，这时，各相磁极的定子持与转子齿相对位置如图2-5所示。如果

断开A 相而接通B 相，这时磁极沿,,B B 极轴线方向，同样在反应转矩的作用下，转子按顺时针方向应转过01.8，使转子齿轴线和定子磁极,,B B 下的齿轴线对齐。这时，,,A A 和,,C C 极下的齿和转子齿又错开01.8。依此类推，控制绕组按A-B-C-D-A …………顺序循环接通

使，转子就按顺时针一步一步连续的转动起来。每换接一次绕组，转子转过1

4

齿距角。显

然，如果要使步进电机反转，那么只要改变通电顺序，即按A-D-C-B-A………顺序循环接

通时，则转子便按反时针方向一步一步地转动起来，步进距角同样为1

4

齿距角。

A B C D

图2-4

2）四相双四拍运行

当步进电机运行方式为四相双四拍，即AB-BC-CD-DA-AB………方式通电时，步距角

与四相单四拍运行时一样为1

4

齿距角，即0

1.8。

3）四相单双八拍

当步进电机改为四相八拍运行方式时，其通电方A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A………即单相通电和两相通电时，与上面三相步进电机道理完全一样，当A相通电转到A、B两相位置相同时定、转子齿的相对位置由图2-4所示的位置变为图2-5那样的位置，转子只按顺

时针方向只转过1

8

齿距角，A极和B既下的齿轴线与转子齿轴线还错开

1

8

齿距角。转子受

到两个极的作用力矩大小相等，但方向相反，故仍处于平衡。当B相一通电时，转子齿线

与B极下齿轴线相重合，转子按顺时针又转过1

8

齿距角。这样继续下去，每换接依次绕组，

转子转过1

8

齿距角。可见八相八拍运行时的步距角比四相四拍运行时小一半。

图2-5

3 四相步进电机的控制原理和组成

3.1步进电机控制原理

根据步进电动机的工作原理，可知步进电动机的角位移量与控制脉冲的个数成正比，角速度与控制脉冲的频率成正比，旋转方向与各相绕组通电顺序有关。因此步进电动机的驱动电路，必须能控制步进电动机各相励磁绕组电信号的通电断电变化频率、脉冲数和通电顺序。步进电动机的控制方式如果通过按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字脉冲——角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比。

转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向与脉冲顺序有关。以转子带有四个齿的三相步进电机为例，列表说明步进电机的控制原理。

表一四相相四单拍方式

表二四相双四拍方式

表三四相八拍方式

注意：T1-T8表示脉冲周期；A、B、C、D表示电机各相；1表示此时有一个脉冲（对应电机绕组接通），0表示没有脉冲（对应电机绕组断开）。

3.2步进电动机控制系统结构

步进电机控制系统结构图如图3.1所示，各个部分的功能如下：

图3-1 步进电机控制系统结构框图

(1) 脉冲发生器：产生频率从nHz到10nkHz的连续脉冲信号。

(2) 脉冲分配器：又叫环形分配器。它由门电路、触发器等基本逻辑功能元件等组成。它根据指令将脉冲按一定的顺序加在功率放大电路的控制极上来控制步进电机各个相绕

组的通断，以实现电机的速度、正转与反转控制。

(3) 功率放大电路：由于从环形分配器中输出的电流只有几毫安，而一般的步进电机需要几安到几十安的电流。因此只有对环形分配器的输出信号进行适当的放大才能去驱动

步进电机。

3.3 步进电机控制系统的设计方法

常用的步进电机控制系统的设计方法有如下几种：

(1) 应用专用集成电路的方法采用内部含有脉冲分配器、功率放大电路、电流控制以及保护电路的专用集成电路，如MOTOROLA公司的SAA1042C。专用集成电路的稳定性好，抗干扰能力强，但是其通用性差、应用成本比较高，一般用户难以承受。

(2) 单片机的方法单片机的时钟信号由晶体振荡器产生，故可得到相当精确脉冲。通过编写单片机延时程序或设置单片机内部定时器工作来控制输出端的ON/OFF动作即产生脉冲。这种方法的优点是：输出脉冲的稳定度很高。如果要改变输出脉冲，只要对程序进简单的修改就可以。且此这种电路硬件结构简单。其系统结构框图如图2.4所示：

图3-2片机控制系统框图

比较以上2种方案，可得出应用单片机的方法，硬件电路结构简单，能准确实现功能，符合“尽量使用软件实现硬件”的原则，可以大大降低了外设硬件的成本。

4．硬件设计

4.1系统总硬件电路

在该论文设计的步进电机控制系统中，由于完全用软件来实现脉冲分配器的功能，因而单片机的P1口直接与驱动电路的接口耦合，实现步进电机的正转、反转和停止。总之，硬件电路由单片机驱动电路、时钟电路、复位电路和键盘电路组成。系统总电路如图4.7所示。

4.2 80C51单片机

1).简介

80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘（MUL）、除（DIV）、减（SUBB）、比较（CMP）、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源。采用40引脚双列直插式DIP（Dual In Line Package），内有128个RAM单元及4K的ROM。80C51有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。80C51内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接，本系统中采用12MHz的晶振频率。由于80C51的系统性能满足系统数据采集及时间精度的要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，故采用来作为控制核心。

2).80C51单片机的封装与信号引脚

(1）.总线型双列直插式40引脚封装

a. 电源引脚有俩个

VCC：接+5伏电源

VSS：接地口

b. 外接晶体引脚有俩个

XTAL1：外接晶振输入口

XTAL2：外接晶振输入口

c. 并行输入输出引脚有32个，分4个8个位口

P0.0-P0.7：通用I/O引脚或数据/低8位地址总线复用引脚

P1.0-P1.7：通用I/O引脚

P2.0-P2.7：通用I/O引脚或高8位地址总线复用引脚

P3.0-P3.7：通用I/O引脚或第二功能引脚

d. 控制引脚有四个

RST/VPD：复位信号输入引脚/备用电源输入引脚

ALE/ ：地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚 /VPP ：内外存储器选择引脚/片内EPROM （或FlashROM ）编程电压输入引脚 : 片外程序存储器读选通信号输出引脚 (2）．非总线型双列直插式P2 .0引脚封装

a. 电源引脚（2个）

VCC ：接+5V 电源

GND ：接地端

b.外接晶体引脚有俩个

XTAL1：外接晶振输入端

XTAL2：外接晶振输入端

c. 并行输入输出引脚有十五个

P1.0-P1.7：通用I/O 引脚

（ P1.0和P1.1兼作模拟信号输入引脚AIN0、AIN1）

P3.0-P3.5、P3.7：通用I/O 引脚或第二功能引脚

d. 控制引脚有一个

RST ：复位信号输入引脚

4.3.驱动电路

此电路是步进电机的驱动部分，我选用的是ULN2003芯片来驱动的，ULN2003系列是一款高耐压，大电流达林顿管驱动器，也是一个七路放大器电路，即放大信号的功能，也可以作为一些器件。如图3-2。

EA PROG

PSER

4.4 复位电路

复位电路用于产生复位信号，通过RST引脚送入单片机，进行复位操作。复位电路的好坏直接影响单片机系统工作的可靠性，目前，在单片机中共使用四种类型的复位电路，分别为：积分电路型，微分电路型比较器型和看门狗型。在此论文中运用微分电路型，是为了产生高电平复位信号。

4.5 振荡电路

80C51芯片中的高增益反向放大器，其输入端为引脚XTAALL1，输出端为引脚XTAALL2。通过这俩个引脚在芯片外并接石英晶体振荡器和两只振荡器（C1和C2，一般取30PF）。石英晶体为一感性元件，与电容构成震荡回路，为片内提供正反馈和震荡所需要的相移条件，从而构成一个稳定的自激振荡器，如图3-5所示。

4.6 按键模块

键盘输入电路主要通过对P3口进行I/O扩展来完成，即按键k1与单片机P3.0相连，按键k2与单片机P3.1相连，和按键K3与P3.2相连，当P3.0=0，P3.1=0,P3.2=0时，输入有效。按键电路如图：

4.7.状态指示模块

状态指示用P0口控制发光二极管的显示,如果相应端口是低电平，相应的发光二极管就会亮,用它来表示步进电机正转，反转和停止所处的状态。

图 4-7

5．软件设计

1）.软件坏境

编程软件是使用德国Keil公司的Keil C51软件仿真器，在新版的Keil C51软件中，Keil uVision2把集成开发环境和模拟调试器完美的结合在一起，其软件界面简洁，使用简单方便，支持ATMEL单片机、PIC单片机等多种单片机。其仿真软件是用PROTEUS, PROTEUS 软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，该软件有十多年的历史，在全球广泛使用

2）软件设计

通过分析我们能看出，主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。若系统上电后在没有操作的情况下，则步进电机不旋转，主程序流程图如图4-1所示。

通电方式流程图如图4-2所示