毕业设计（论文）-单片机步进电机控制系统设计

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1、本科毕业（设计）论文第1章引　言1.1步进电机控制的现状步进电机是机电设备中广泛使用的一种电机，以控制、驱动装置构成的步进电机伺服系统在经济型数控机床、机器人、工业过程控制及仪器仪表等领域得到了广泛的应用。过去由纯电路设计的步进电机控制和驱动电路，往往电路结构复杂，使用元器件多而成本高且通用性差。如果采用微型计算技术，以及软件编程的方法，将会避免复杂电路的设计，降低元器件的成本，使步进电机控制更具有通用性和灵活性。这次设计是基于AT89C51单片机的步进电机伺服系统，是以单片机作为步进电动机的下位控制、微机作为

2、上位控制的一套系统，同时采用MAX232通讯模块将上位机和下位机两个部分连接，用以传输数据，实现对步进电机转向、转速及转角的有效控制。系统采用MCS-51系列单片机，电路简单可靠，结构紧凑，整个系统的性能优于传统的步进电机控制器。对于不同型号的步进电机的控制，不需改变硬件电路，通过修改软件，即能实现多种控制，灵活方便，通用性强，成本低，具有广阔的应用领域[1]。1.2步进电机的特点步进电动机区别于其他用途电动机的最大特点是，它接收数字控制信号（电脉冲信号），并转换成与之相对应的角位移或直线位移。它本身就是一个完

3、成数字/模拟转换的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整，因此，随着运动控制系统数字化到来，步进电动机的应用日益广泛。例如，在计算机外围设备（如打印机、磁盘驱动器、数字绘图仪、纸带穿孔机）、现代办公室设备（如复印机、传真机）、各种自动机、仪器设备、材料输送机、数控机床、工业机器人等中获得大量应用。与之相适应，各国半导体厂商开发生产了大量适用与步进电动机控制的专用集成电路。-45-本科毕业（

4、设计）论文1.3本设计需要解决的问题本设计主要解决如下三个问题：1、设计通过硬件实现脉冲分配，用脉冲分配器芯片实现单片机定时器控制脉冲的产生。2、控制电机的转速和方向的时候，单片机需向脉冲分配器发送步进脉冲和控制旋转方向的电平信号。3、为了提高电机在启动时的响应速度，通过高低压驱动电路,解决了电机绕组电感作用较强产生的脉冲范围内平均电流太小的问题。1.4本设计的优越性以往的步进电动机控制中，没有或极少对相绕组的阻尼问题加以解决，而直接利用单片机实现软件脉冲分配。在本设计中，通过方案论证、比较，从可行性，实用性等

5、方面加以考虑，使控制方案更加完善。以微机作上位控制、单片机作下位控制的步进电机伺服系统结构合理，可靠性和灵活性高，成本低，能较好地完成多种实时控制任务，具有较好的推广和应用前景。-45-本科毕业（设计）论文第2章步进电机控制原理2.1步进电机概述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，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。随着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[2]。步进电机和普通电动机不同之处是步进

6、电机接受脉冲信号的控制。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。2.2

7、步进电机基本原理步进电机两相邻磁极间的夹角60°。线圈绕过相对的2个磁极，构成一相(A-A′，B-B′，C-C′)。磁极上有5个均匀分布的矩形小齿，转子上没有绕组，而有40个小齿均匀分布在其圆周上，且相邻2个齿之间的夹角为9°。当某组绕组通电时，相应的2个磁极就分别形成N-S极，产生磁场，并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子没有对齐，则在磁场的作用下转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对齐，从而使步进电机向前“走”一步。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

8、制换相顺序-45-本科毕业（设计）论文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-A，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A-B-C-A相的通断。2．控制步进电机的转向如果给定工作方式正序通电换相，步进电机正转；如果按反序通电换相，则电机反转。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。