基于单片机的步进电机控制器的设计论文

内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书题目：搅拌机（步进电机）调速控制系统学生姓名：常国斐学号：1167112207专业：测控技术与仪器班级：2011-2指导教师：王金明摘要在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。

步进电机作为最常见的一种电机，作为一种数字伺服执行元件，步进电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。

为了实现步进电机的简易运动控制，一般以单片机作为控制系统的微处理器，通过步进电机专用驱动芯片实现步进电机的速度和位置定位控制。

第一章绪论1.1步进电机的概念步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：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（及步进角）。

我们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；同时我们也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。

在非超载的情况下，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。

从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。

1.2 步进电机的特点1. 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。

2. 步进电机外表不允许较高的温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3. 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。

5. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。

同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

6. 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。

7. 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。

8. 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。

1.3 步进电机及其发展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，将电脉冲信号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。

图1.1 步进电机的外观图1.4 步进电机在我国的发展应用及前景我国步进电机的研究及制造起始于本世界50年代后期，从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。

我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。

中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。

70年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。

70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。

至80年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。

目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。

仅仅处于一种盲目的仿制阶段。

这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

1.4.1步进电机驱动技术步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。

上世纪80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。

步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。

到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。

第2章总体设计方案2.1系统设计方案2.1.1控制器的选择方案一：采用CPLD为控制核心，适合复杂逻辑控制和高速运算系统；方案二：使用51单片机为核心,适合系统控制。

综合分析，本系统采用AT89C51单片机，方便了程序的调试和运行。

2.1.2电子驱动电路与细分的方案选择方案一：由分立元件制作TA8435h驱动电路。

优点是成本低廉、易于控制。

缺点是电路体积大,TA8435H在实体店很难购买，再者网购的TA8435H大多数是拆机件很难保证芯片的可用性和可靠性。

方案二：使用ULN2003做驱动电路简单，性能稳定，调试方便，而且芯片很容易购买，可靠性强。

根据电路要求分析，本系统采用ULN2003做驱动电路2.1.3显示器的选择方案方案一：选用LED数码管显示电机转速的各种信息，LED显示信息量小、功耗大，同时还需要制作相应硬件驱动电路。

显示效果明显。

方案二：选用字符点阵LCD模块显示小车的各种信息，LCD信息量大、功耗低，，它提供标准的并行或者串行接口，驱动简单，使用方便。

2.1.4转速信号采集方案方案一：光码盘测速方法是通过测出转速信号的频率或周期来测量转速的一种无接触测速发。

光电码盘安装在转子轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个光源照射在码盘上，则可利用光电模块来接收到的光的次数就是码盘的编码数，使用光电码盘。

优点;测量比较精确。

方案二：采用光电开关。

优点：调试简单，只需要MCU在单位时间内计算输入MCU的脉冲数，就能通过简便的程序计算出转速。

缺点：误差较大，码盘的缺口很难控制宽度。

综上，采用光电码盘开关进行转速信号采集较为合理。

2.1.5开发软件的选择方案一：汇编语言。

比较直接、简洁，不适合复杂运算。

不易读。

方案二：C语言。

比较灵活，适合复杂判断和运算。

根据实际，选择用C语言进行编程。

2.2系统的方案简述与设计要求本设计采用单片机AT89C51来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了电机驱动芯片ULN2003及其外围电路构成了整个系统的驱动部分，再加上作为执行部件的步进电机来构成了一个基本的步进电机控制系统。

2.2.1 系统的组成及其对应功能简述整个系统的组成包括单片机最小系统，电机驱动模块，串口下载模块，数码管显示模块等模块组成。

具体框图如图2.1所示图2.1系统总体框图2.2.2 单片机最小系统单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺序有关。

与此同时，单片机将会把电机转速，电机的转动方向，通过数码管显示出来。

2.2.3 电机驱动模块电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机工作。

2.2.4 串口下载模块串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。

2.2.5 数码管显示模块数码管显示模块就主要是显示电机转速，电机转向，和通过电机的电流等系统的实时信息。

2.2.6 独立按键独立按键作为一个外部中断源，和单片机端口连接，通过它设置了电机的正转，反转，加速，减速，显示电机电流等功能。

采用了中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成了对步进电机的最佳的及时的控制。

第三章硬件设计与仿真3.1 系统硬件组成及结构框图3.1.1系统硬件组成1.AT89C51单片机2.ULN2003A驱动芯片3.1602LCD显示屏4.74lS164移位寄存器5.MOTOTECH S35L5-A004 步进电机6. OMRON E6A2-C编码器3.2.1 AT89C51型单片机AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

主要性能参数：·与MCS-51产品指令系统完全兼容·4k字节可重擦写Flash闪速存储器·1000次擦写周期·全静态操作：0Hz－24MHz·三级加密程序存储器·128×8字节内部RAM·32个可编程I／O口线·2个16位定时／计数器·6个中断源·可编程串行UART通道·低功耗空闲和掉电模式3.2.2 ULN2003驱动芯片ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。