步进电机控制器设计

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1、单片机原理课程设计题目步进电机控制器设计学院物联网专业自动化姓名学号综合得分2011年6月16目录摘要3一、涉及内容介绍41.1步进电机工作原理41.2设计目的51.3设计要求61.4仪器设备6二、设计思路及相关内容62.1设计思路62.2总体设计框图及电路原理图72.3单片机及其最小系统82.4按键电路82.5步进电机状态显示电路92.6步进电机驱动电路9三、程序设计113.1程序设计思路113.2程序设计流程图113.3主程序设计12四、总结15五、参考文献1616摘要：随着现代科学技术的迅猛发展，尤其是微型计算机的出现，

2、给电机控制带来了革命性的变革。作为电机家族的重要组成部分，步进电机从一出现就得到了广泛的应用。由于步进电机能直接接受数字信号，所以特别适宜采用微机进行控制。本文以“数控机床工作台的直线位移量控制”为应用背景，提出了一套可行的利用步进电机控制工作台精确位移的控制方案。在常见的数控机床中X-Y工作台是非常重要的组成部分，如图1所示图1X-Y工作台及内部结构本文只以工作台在X轴方向的直线位移量控制为研究对象。Y轴方向可以采取相同的控制方案。步进电机通过丝杠将旋转运动变换为工作台的直线运动，从而实现工作台的位置控制。根据使用步进电机的

3、情况，可采用齿轮减速，亦可直接驱动。本文采取直接驱动的方式，步进电机带动滚珠丝杠进而带动工作台位移。工作台在X轴方向的最大行程定为300mm，定位精度为Q=0.01mm,滚珠丝杠的螺距为t=2mm,则可得到步进电机每转当量数(步进数)为N=t/Q=200,则步进电机的步距角为θ=360/N=1.8°所以选择步距角为1.8°的混合式步进电机，利用了混合式步进电机输出力矩大，动态性能好的特点。对于步进电机采取“最佳点—位控制”16的方案，由上位机发出控制命令，通过串行通讯(RS-232总线)发送给AT89S51单片机，后者根据期望

4、的工作台位移量采取对应的控制策略，保证工作台的精确定位。每次运行完毕后，AT89S51单片机都向上位机发送相应的状态标志字符，以使操作人员随时能够了解工作台目前的状态，为下一步动作做好准备。在工作台移动过程中，随时可以通过上位机控制步进电机锁定，以防止误操作。工作台的移动速度，采用单片机内部定时器记数的方式设定。单片机的软件系统加入了‘越限’检测程序，可以在步进电机开始运行之前就完成‘越限’检查。同时，系统加入了LED数码管，适时显示工作台的剩余位移量。一、涉及内容介绍1.1步进电机工作原理步进电机是一种感应电机，它的工作原理

5、是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器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。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。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

6、用。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。16四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转

7、动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.1所示：（a）（b）（c）图2.1步进电机的工作方式时序图步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生,其基本原理作用如下:(1)控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。(2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正

8、序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。(3)控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。1.2设计目的16通过具体小型