. . . . 科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于AT89C51单片机的步进电机控制系统学生： 学 号：专 业：自动化班 级：自动化06-3班指导教师： / 基于AT89C51单片机的步进电机控制系统摘要步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，它能按照控制脉冲的要求，迅速起动，制动，正反转和调速。具有步距角精度高，停止时能自锁等特点，因此步进电机在自动控制系统中，特别是在开环的控制系统中得到了日益广泛的应用。本文以单片机和环形脉冲分配器为核心设计的步进电机控制系统，通过软硬件的设计调试，实现步进电机能根据设定的参数进行自动加减速控制，使控制系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象；同时它能准确地控制步进电机的正反转，启动和停止。硬件是以AT89C51单片机为核心的控制电路，主要包括：环形脉冲分配器、键盘显示电路、步进电机的驱动电路等。软件部分采用C语言编程，主要包括键盘显示程序、步进电机的调速程序、停止判断程序等。关键词：步进电机控制系统；调速；单片机目录摘要I第一章引言11.1 课题提出的背景和研究意义11.2 课题的主要研究容21.3 本章小结2第二章步进电机控制系统设计32.1 步进电机的原理32.1.1 三相单三拍通电方式32.1.2 三相双三拍通电方式52.1.3 三相六拍通电方式62.2 环形脉冲分配器82.3 续流电路122.3.1 二极管续流132.3.2 二极管电阻续流142.4 步进电机驱动电路152.5 步进电机的变速控制172.5.1 变速控制的方法192.6 步进电机在自动生产线中的应用202.7 本章小结22第三章控制系统硬件设计233.1 硬件系统设计原则233.2 控制系统组成233.3 主要元件的选择243.3.1 单片机的选择243.3.2 EPROM的选择253.3.3 可逆计数器的选择273.4 控制系统接口电路的设计273.4.1 环形脉冲分配器设计273.4.2 显示电路设计293.4.3 外部复位电路设计303.5 控制系统整体电路设计313.6 本章小结31第四章控制系统软件设计324.1 软件系统设计原则324.2 步进电机控制系统功能设计324.3 主程序设计334.3.1 主程序工作过程334.3.2 主程序工作流程图344.3.3 定时器T0中断程序流程图344.4 Proteus仿真374.5 显示程序设计394.6 键盘程序设计394.7 调速程序设计414.7.1 20BY步进电机参数414.7.2 步进电机转速与频率的关系414.8 本章小结42第五章结束语43参考文献44附录46附录A 系统程序（C）46附录B 20BY步进电机转速与定时器定时常数关系表59附录C 控制系统电路图62致63第一章 引言1.1 课题提出的背景和研究意义由于步进电机不需要位置传感器或速度传感器就可以实现定位，即使在开环状态下它的控制效果也是令人非常满意的，这有利于装置或设备的小型化和低成本，因此步进电机在计算机外围设备、数控机床和自动化生产线等领域中都得到了广泛的应用。对于一个步进电机控制系统而言，总希望它能以最短的时间到达控制终点。因此要求步进电机的速度尽可能地快，但如果速度太快，则可能发生失步。此外，一般步进电机对空载最高启动频率都是有所限制的。当步进电机带负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差。当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动时有一个加速的过程。从高速运行到停止也应该有一个减速的过程，防止步进电机因为系统惯性的原因，而发生冲过终点的现象。为此本文以单片机作为控制核心，实现步进电机的自动加减速控制，使系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象。因为步进电机的转速正比于控制脉冲的频率，所以调节步进电机的转速，实质上是调节单片机输出的脉冲频率1。由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接收数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。步进电机工作时，失步或者过冲都会直接影响其控制精度。研究步进电机的加减速控制，可以提高步进电机的响应速度、平稳性和定位精度等性能，从而决定了步进电机控制系统的综合性能。1.2 课题的主要研究容1、步进电机的工作原理通过查阅文献对步进电机的单拍运行、双拍运行、单双拍运行等各种运行方式进行研究，深入了解各种运行方式的特点和对步进电机控制性能的影响。2、环形脉冲分配器的设计研究环形脉冲分配器的作用和构成，并设计出可靠、灵活的环形脉冲分配器电路。3、步进电机的续流电路根据步进电机的控制特点，分析续流电路对步进电机控制性能的影响，并设计步进电机的续流电路。4、步进电机控制系统的软硬件设计根据步进电机的原理和控制特点，对步进电机控制系统的软硬件进行分析和设计。5、程序的调试与修改用Keil软件进行编程和调试，并且在Proteus环境下进行系统仿真。1.3 本章小结本章首先介绍了课题研究的背景，提出设计的思路。其次介绍了课题研究的目的和意义，最后介绍了课题的主要研究容。第二章 步进电机控制系统设计2.1 步进电机的原理反应式步进电机的工作原理是与反应式同步电机一样，也是利用转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动，如图2.1 所示是一台反应式步进电机的工作原理，定子铁心为凸极式，共有三相，六个磁极，不带小齿，磁极上装有控制绕组，相对的两个磁极串联连接，组成一相控制绕组。转子用软磁材料制成，也是凸极结构，只有两个齿，齿宽等于定子的极靴宽2。2.1.1 三相单三拍通电方式这是步进电机的一种最简单的工作方式，所谓“三相”，即三相步进电机，具有三相定子绕组；“单”指每次只有一相绕组通电；“三拍”指三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次情况。当A相绕组通电如图2.1 (a) 所示，而B相和C相不通电时，A相的两个磁极被励磁，一个呈N极另一个呈S极，由于磁场对转子铁心的电磁吸力，使转子轴线对准A相磁极的轴线。这种现象也可以这样来理解，A相通电时，转子对定子的相对位置不同，则磁路的磁阻也不同，使A相磁路的磁阻为最少的转子位置，就是该时的稳定平衡位置，即转子稳定在转子轴线和A相磁极轴线相重合的位置。同样道理，当A相断开，接通B相时，如图2.1 (b) 所示，B相磁极对转子的电磁力将使转子顺时针转过60，达到转子轴线和B相磁极轴线相重合的位置，即转子走过一步，然后B相电源断开，同时接通C相如图2.1 (c) 所示，同理将使转子按顺时针方向再走一步。如此按A-B-C-A的顺序使三相绕组轮流通电，则转子依顺时针方向一步一步地转动。如果改变三相绕组的通电顺序为A-C-B-A显然步进电机将按逆时针方向转动。上述三相三拍运行，表示三种通电状态为一个循环，即三次通电状态改变后，又恢复到起始状态，一拍对应转子转过的角度称为步距角，通常用s表示，图2.1中转子每步转过的步距角为60。（a）A相通电 （b）B相通电（c）C相通电 图2.1 三相反应式步进电机原理如果将上图的反应式步进电机的转子制成四极（或称为四个齿）结构，如图2.2所示，则按三相单三拍运行时，转子的步距角也将发生变化。当A相通电时如图2.2 (a)所示，转子齿1、3对准A相磁极轴线重合，当B相通电时如图2.2 (b)所示，转子将逆时针转过30，稳定在转子齿2、4对准B相磁极轴线的位置，当C相通电时如图2.2 (c)所示，转子又将逆时针方向转动30，转子齿1、3对准C相磁极轴线的位置，由此可见，每通电一次转子转过的角度为30即每步转过的步距角为30。 (a) A相通电 (b) B相通电 (c) C相通电图2.2 转子为四极的三相步进电机2.1.2 三相双三拍通电方式如果将步进电机的控制绕组的通电方式改为：AB-BC-CA-AB或AC-CB-BC-CA。这种通电方式每拍同时有两相绕组通电，三拍为一循环，如图2.3所示，转子为四极的反应式步进电机。图2.3 (a) 为AB一样时通电的情况，图2.3 (b) 为BC相通电的情况，可见转子每步转过的角度为30与单三拍运行方式一样，但其中有一点不同，即在双三拍运行时，每拍使步进电机从一个状态转变为另一个状态时，总有一相绕组保持通电。例如由AB相通电变为BC相通电时，B相保持继续通电状态，C相磁极力图使转子逆时针转动，而B相磁极却起阻止转子继续向前转动的作用，即起到一定的电磁阻尼作用，所以步进电机工作比较平稳，三相单三拍运行时，由于没有这种阻尼用，所以转子到达新的平衡位置后会产生振荡，稳定性能远不如双三拍运行方式。(a) AB相通电 (b) BC相通电图2.3 三相双三拍运行方式2.1.3 三相六拍通电方式这是一种将一相通电和两相通电结合起来的运行方式，其具体通电方式为：A-AB-B-BC-C-CA-A或AAC-CB-B-BA-A，即一相通电和两相通电间隔轮流进行，六种不同的通电状态组成一个循环，这时步进电机的工作情况如图2.4 所示，图2.4(a)为A相通电时的情况，转子齿1、3磁轴与A相磁极轴线重合，当通电状态由A转为AB时，步进电机的状态如图2.4(b) 所示，转子齿1、3磁极离开A相磁极轴线，即转子逆时针转过15。通电方式由AB转为B时，步进电机的状态如图2.4(c) 所示，转子齿2、4磁极轴线和B相磁极轴线相重合，或转子齿1、3磁极轴线离开A相磁极轴线30角，即转子又逆时针方向运行了一步，相应的角度为15如此类推，可见步进电机每走一步，将转过15，恰好为三相单拍或双三拍通电方式的一半。六拍运行方式与双三拍一样，由一个通电状态转变为另一通电状态时，也总有一相继续保持通电，同样具有电磁阻尼作用，工作也比较平稳。(a) A相通电 (b) AB相通电(c) B相通电 (d) BC相通电图2.4 三相六拍通电方式通过分析可知一台步进电机可以有不同的通电方式，即可以有不同的拍数。拍数不同时，其对应的步距角大小也不同，拍数多则步距角小。通电相数不同也会带来不同的工作性能。此外，也可以看到同一种通电方式，对于转子磁极数不同的步进电机，也会有不同的步距角。步距角s可由式(1-1)求得3s=360/mKZR (1-1)式中 m 控制绕组相数；ZR 转子齿数；K 与通电方式有关的状态系数，当通电方式为单拍，即拍数与相数一样，K=1；为双拍时，即拍数为相数的两倍时，K=2。2.2 环形脉冲分配器要使步进电机正常工作，必须按照该种步进电机的励磁状态转换表所规定的状态和次序依次对各相绕组进行通电和断电控制。环形分配器的主要功能是把单片机发出的脉冲信号按一定的规律分配给步进电机