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基于单片机的步进电机调速系统


平顶山学院本科毕业论文(设计)

基于单片机的步进电机调速系统设计

董煜明

PINGDINGSHAN UNIVERSITY

毕业设计

基于单片机的 题 目: 步进电机调速系统设计

院 ( 系 ): 专业年级: 姓 学 名: 号:

电气信息工程学院 电气工程及其自动化 11 级 董煜明 111220102 南亚明 助教

指导教师:

2015 年 4 月 28 日

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基于单片机的步进电机调速系统设计

董煜明

原 创 性 声 明

本人郑重声明:本人所呈交的毕业论文,是在指导老师的指导下独立进行研究所 取得的成果。毕业论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已 明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外,不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以 明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。

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本人在指导老师指导下所完成的论文及相关的资料(包括图纸、试验记录、原始 数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等) ,知识产权归属平顶山学院。本人完全 了解平顶山学院有关保存、使用毕业论文的规定,同意学校保存或向国家有关部门或 机构送交论文的纸质版和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权平顶山学院可以 将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用任何复制手段保 存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果,一定征得指导教师同意,且第一署名单位 为平顶山学院。本人离校后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时, 第一署名单位仍然为平顶山学院。

论文作者签名: 指导老师签名:

日 日

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基于单片机的步进电机调速系统设计
摘要
步进电机是一种数字控制电机,本设计是使用单片机对步进电机调速设计,采用 了 AT89C51 型单片机,并设计了相应的时钟电路,驱动电路等。实现了步进电机的速 度调整以及正转反转的设计目标。 利用单片机对步进电机进行调速设计, 具有成本低, 性价比高,系统相对简单等优点。 关键词:步进电机,单片机,调速系统

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Stepper motor speed control system design based on MCU step
ABSTRACT
Stepping motor is a kind of digital control of the motor, the electric pulse signal into angular displacement or linear displacement, compared with other types of motors, stepper motor without accumulated error and easy to open loop control. The stepper motor speed control using single chip computer, which has the advantages of low cost, high performance price ratio, has the advantages of relatively simple system etc.. This design uses the AT89C51 microcontroller to control the stepper motor, can adjust the speed of the stepper motor and the design goal is to reverse. Keywords: stepper motor, microcontrollers, speed control system

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目录
1 绪论 ............................................................................................................................. 1
1.1 学术背景及研究意义 ....................................................................................................... 1 1.1.1 步进电机的基本类型 ................................................................................................ 1 1.1.2 步进电机现有控制办法 ............................................................................................ 1 1.1.3 当前步进电机控制系统的缺点与未来发展趋势 .................................................... 1 1.1.4 国内外研究概况 ........................................................................................................ 2 1.1.4 研究意义及研究目的 ................................................................................................ 2 1.1.5 研究内容 .................................................................................................................... 2 1.2 论文内容安排 .................................................................................................................. 3

2 步进电机概述 ............................................................................................................. 4
2.1 步进电机的特点 .............................................................................................................. 4 2.2 步进电机的工作原理 ....................................................................................................... 4 2.3 步进电机的工作方式 ....................................................................................................... 4 2.4 三相步进电机 ................................................................................................................... 5 2.5 步进电机技术参数 ........................................................................................................... 6

3 硬件电路设计 ............................................................................................................. 7
3.1 系统结构图 ........................................................................................................................ 7 3.2 电路原理图 ....................................................................................................................... 7 3.3 AT89C51 型单片机 ............................................................................................................ 8 3.4 时钟电路 ........................................................................................................................... 9 3.5 显示电路 ......................................................................................................................... 10 3.6 驱动电路 ......................................................................................................................... 11

4 控制系统软件设计 ................................................................................................... 13
4.1 步进电机调速概述 .......................................................................................................... 13 4.2 主程序设计 ..................................................................................................................... 13 4.4 键盘程序设计 .................................................................................................................. 14 4.5 Proteus 仿真 .................................................................................................................... 14

5 结束语 ....................................................................................................................... 19 参考文献 ....................................................................................................................... 20 致谢 ............................................................................................................................... 21

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1 绪论
1.1 学术背景及研究意义
1.1.1 步进电机的基本类型
步进电机在励磁方式上进行分类的话, 大致可以分为三类, 分别是定子上有绕组、 的反应式步进电机,转子用永磁材料制成的永磁式步进电机,以及综合了反应式、永 磁式优点的混合式步进电机。在这三者当中,反应式的步进电机是最简单的,成本低 廉是它突出的优势。但是缺点也很明显,性能一般,可靠性较差。永磁式步进电机的 动态性能好,这是它最主要的优点。但缺点是精度较差。混合式步进电机由于综合了 反应式和永磁式的优点,所以不但动态性能好而且运行起来也十分稳定,但由于电机 结构相对复杂,所以混合式电机的成本较高,造价不菲。 以定子绕组分类,步进电机则能够分为:二相,三相,四相和五相步进电机。

1.1.2 步进电机现有控制办法
现在步进电机有多种控制方法,最为常用的大致有基于单片机控制步进电机、利 用 plc 控制步进电机,以及利用 VC++控制步进电机。 其中,利用单片机对步进电机进行调速,具有相对简单,操作方便,性能可靠并 且成本低廉的优点,相比于传统的步进电机控制器具有更好的性能。通过对基于单片 机步进电机调速系统的研究, 有助于把单片机技术、 步进电机技术有机的结合在一起, 对于学习实践有着重大的帮助。

1.1.3 当前步进电机控制系统的缺点与未来发展趋势
步进电机已经有了近 70 年的发展,与之前对比,在技术已经获得飞跃式的前进, 但依然存在很多不足之处,例如:步进电机如果使用开环应用系统,会存在一定的失 步、震荡、难以满载运行等问题。而闭环控制方法则难以阻止电机实际运行中的非线 性问题,难以实现精确控制。
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目前来看,混合式步进电机是发展潜力最好的步进电机,混合式步进电机的发展 方向大致有以下几点:1、向小型化发展 2、变圆形电机为方形电机 3、综合设计步进 电机使之成为一个整体 4、向三相、五相电动机发展。

1.1.4 国内外研究概况
步进电机的历史可以追溯到 1920 年的英国,近年来,随着科学技术的不断进步, 发达国家普遍采用了性能较好的混合式步进电机。目前来讲,世界上最大的步进电机 生产国当属日本。我国与发达国家相比,在这方面还存在一定的差距。 我国的步进电机研究始于 1958 年,最开始只有少数高校对此进行研究,后来,随 着技术的发展,以及数字控制机床技术的需要,对于步进电机的研究才逐渐为人们所 重视。 目前,由于步进电机的理论已经趋于完善,因此其发展已经较为缓和。

1.1.4 研究意义及研究目的
步进电机的应用广泛,尤其在数字控制中地位尤为重要。用步进电机组成的开环 系统相对简单,组装价格也颇为廉价,因此性价比高,随着科学技术的发展,对步进 电机的需求必将与日俱增,因此研究基于单片机的步进电机调速设计具有很重大的现 实意义。 同时进行本项毕业设计,也有助于把大学中学习过的《电机学》 、 《单片机原理与 应用》中的相关知识有机的结合在一起,通过实践加深对知识的理解,熟悉单片机的 原理,了解步进电机的相关结构,

1.1.5 研究内容
本设计主要研究基于单片机的步进电机调速设计, 设计采用了 AT89C51 型单片机, 并以此为基础,研究相应的驱动电路,时钟电路,最终实现控制步进电机自由的加速 减速,以及正转反转。

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1.2 论文内容安排
本论文具体安排如下: 第一章为绪论,初步交代本论文的学术背景及研究意义研究目的。以及目前国内 外的研究概况,未来研究的发展方向。 第二章为步进电机概述,对步进电机进行简要的分析,介绍步进电机的特点及工 作原理工作方式,并对步进电机的基本参数进行说明。 第三章为硬件部分设计,其次对主要元器件进行了选择和介绍,并对时钟电路、显 示屏、驱动电路进行了研究。 第四章为软件部分设计,介绍了主程序、显示程序、键盘程序等部分。并对仿真 验证的结果进行测试。 第五章为结束语,对本设计进行了最后的总结,

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2 步进电机概述
2.1 步进电机的特点
步进电机是一种直流电动机,步进电机相对普通电机来说,步进电机是可以实现 开环控制的,而且不需要反馈信号。步进电机的缺点是不适合使用在长时间同方向运 转的情况,容易烧坏产品,通常使用时都是短距离频繁动作较佳。步进电机具有以下 这些特点: (1)使用数字信号进行开环控制,系统简单而又价格低廉 (2)性价比高,可靠性好; (3)响应性优良,对于正转反转减速的反应都很好: (4)停止时,可有自锁功能: (5)不能使用普通交流电源直接驱动

2.2 步进电机的工作原理
步进电机能将电脉冲信号转换成相位移或角位移,当步进电机接收到一个电脉冲 信号的时候,它就会转动一个固定的角度(称之为“步距角”)步进电机的转动的特 点之一就是按照固定角度一步步运行的,因此可以通过控制电脉冲的信号量,来使步 进电机转过固定的角度。而控制脉冲的频率,则能够使步进电机加速或减速,从而对 步进电机进行调速。

2.3 步进电机的工作方式
(1)单三拍的通电顺序为 A B C (2)双三拍的通电顺序为 AB BC CA (3)六拍的通电顺序为 A AB B BC C CA
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这三种方式存在一定的差别,具体如下表所示:
表 2-1 步进电机工作方式的比较 工作方式 步进周期 每相通电时间 走齿周期 相电流 高频性能 转矩 电磁阻尼 振荡 功耗 单三拍 T T 3T 小 差 小 小 容易 小 双三拍 T 2T 3T 较大 较好 中 较大 较容易 大 六拍 T 3T 6T 最大 较好 大 较大 不容易 中

由上表可以得出结论,六拍的工作方式最好,双三拍的较为一般,单三拍的最差。

2.4 三相步进电机
本设计中,采用了三相步进电机进行研究,其结构图如下所示:

A 相通电

B 相通电 图 2-2 三相式步进电机

C 相通电

三相式步进电机的定子绕组被分为三相,如果以 A B C 的方式通电,步进电机就 会进行正转,如果以 C B A 的方式通电,则会进行反转。

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2.5 步进电机技术参数
步进电机的基本参数可以分为以下几项: (1) 步距角:指控制系统发出一个脉冲信号后,步进电机转动的角度, (2) 步距角精度: 指步进电机实际运行时的步距角与理论值的误差, 可以表示为误 差/步距角*100%。 (3) 失步:电机实际运转时的步数,与理论值不同,称之为失步。 (4) 最大空载起动频率: 指步进电机在不加负载的情况下, 就能直接启动的最大的 频率。 (5) 最大空载的运行频率:指电机不带负载的情况下,最高的转速频率。

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3 硬件电路设计
3.1 系统结构图
控制系统的硬件电路主要由 AT89C51 单片机, 按键控制电路, 显示屏, 时钟电路, 步进电机驱动电路,步进电机,这几部分组成。具体结构如图 3-1 所示。

显示屏

驱动电 路

步进 电机

按键控制电路 AT89C51

时钟电路

图 3-1 系统结构图

3.2 电路原理图
根据系统结构图,本人设计了基于单片机控制步进电机的电路原理图,用以控制 步进电机的正转反转和加速减速四种调速方案。具体原理如图 3-2 所示。

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图 3-2 系统电路原理图

3.3 AT89C51 型单片机
本次设计选用的是 89C51 作为步进电机的控制芯片.AT89C51 是一种低功耗,高 性能,适用于实时处理,实时控制的单片机。 其主要特点有: (2)能与 MCS-51 兼容,且具有 MCS-51 型单片机的功能 (3)集成了 4KB 的 FLASHROM,可满足大部分系统的要求 (4)具有 256 个字节的 RAM 和 3 个 16 位定时器,能够满足设计中时钟电路的需要 (5)正常工作范围为 0~24MHz 综合以上优点,本设计选取了 AT89C51 型单片机。 单片机的引脚功能设置如下: 1.VCC(40) :电源+5V。 2.VSS(20) :接地,也就是 GND。 3.XTAL1(19)和 XTAL2(18) :振荡电路。 4.PSEN(29) :片外 ROM 选通信号。 5.PROG/ALE(30) :EPROM 编程脉冲输入端/地址锁存信号输出端。
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6.RST(9) :复位信号输入端。 7.EA/VPP(31) :内/外部 ROM 选择端 8.P0 口(39-32) :双向 I/O 口。 9.P1 口(1-8) :准双向通用 I/0 口. 引脚图如下图所示:

图 3-3 AT89C51 的引脚图

3.4 时钟电路
本设计中,为了保证系统各部分同步工作,可以用时钟电路产生的时钟信号来实 现,其电路图如下所示,XTAL1,XTAL2 为单片机的两个外接引脚。

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图 3-4 时钟电路

3.5 显示电路
显示屏 LCD 与单片机的 P1.0-p1.7 以及 p2.0-p2.2 引脚相互连接,用于显示步进电 机正转反转的方向,以及转速情况。具体显示电路如下图所示:

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图 3-5 显示电路

3.6 驱动电路
由于单片机本身产生的脉冲信号太小,不足以驱动本设计中的步进电机,因此需 要在单片机和步进电机之间添加驱动电路,本设计中,采用了使用 L297,L298 的经 典设计,其设计相对简单,工作性能也较为稳定。驱动电路具体连线如下图所示:

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图 3-6 驱动电路连线示意图

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4 控制系统软件设计
4.1 步进电机调速概述
软件主要功能是使单片机能根据按下的按钮,实现对步进电机的加减速控制,使 控制系统尽快的完成预设的目标,其具体功能如下: 按下正转按键时,步进电机能够顺畅的进行正转运转;按下反转按键时,步进电 机能够顺畅的进行反转运转;按下加速按键时,步进电机立即加速运行,按下减速按 钮时,步进电机立即减速运转。如果直接将启动速率调的过大,会由于启动频率大于 极限启动频率而造成失步现象。而如果速度过小,则工作效率太低,因此步进电机的 调速过程可以大致用图 4-1 表示。从 A 运行到 D,步进电机需要经过加速、恒速、减 速阶段。
N 恒速

加速 升频控制 A B

减速 降频控制 C D L

图 4-1 步进电机调速过程图

4.2 主程序设计
根据前面设计的电路原理图,可以对软件的程序流程图进行设计:

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开始

初始化

键盘扫描程序

Y 有按钮按下?



是 键处理程序

显示程序

图 4-2 主程序流程图

4.4 键盘程序设计
键盘的控制方式大致可以分为程控扫描法、定时扫描法和中断扫描法,本设计采 用的是程序扫描法编程。先判断是否有键按下,没有按键按下就执行其他程序,有键 按下就返回键值,并送键值到按键处理函数,最后根据键值执行相应的功能,本设计 中总共设计了 4 个控制按键,分别对步进电机的加速减速,正转反转进行控制。由单 片机的 P3.2-p3.5 口输入。

4.5 Proteus 仿真
由于 Proteus 软件的优良性能,常常用来检验设计是否能够准确正常的运行 对设计开始进行仿真以后,运行情况如下图所示:
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图 4-3 Proteus 仿真图(1)

由图可知,此时步进电机处于正转状态(CW) ,速度为 120 转每分钟。此时,按 下加速按钮,运行变为如下情况:

图 4-4 Proteus 仿真图(2)

从显示屏中可以看到,步进电机速度提升到了 125 转每分钟,且步进电机依旧处 于正转状态(CW) ,故本设计成功的实现了用单片机控制步进电机加速。
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现在,再按下减速按钮:

图 4-5 Proteus 仿真图(3)

从显示屏中可以看到,步进电机速度下降到了 120 转每分钟,且步进电机依旧处 于正转状态(CW) ,故本设计成功的实现了用单片机控制步进电机减速。 此时按下反转按钮,仿真情况如下图所示:

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图 4-6 Proteus 仿真图(4)

从图中可以看到,步进电机的速度没有变化,但是步进电机已经从正转(CW) 变为了反转状态(CCW) 。故本设计成功的实现了用单片机控制步进电机反转。 最后,按下正转按钮,情况如下图所示:

图 4-7 Proteus 仿真图(5)
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从图中可以看到,步进电机的速度没有变化,但是步进电机从反转(CCW)变为 了正转状态(CW) 。故本设计成功的实现了用单片机控制步进电机正转。 结果证明,通过 Proteus 的仿真,软件实现了预期的效果,达成了用单片机控制步 进电机正转、反转、加速、减速的预期目标。

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5 结束语
通过本人几个月以来的努力,以及老师的监督指导,终于完成了基于 AT89C51 单 片机的步进电机调速系统设计的软硬件设计与研究。本次毕业设计中,把大学中学习 过的《电机学》 、 《单片机原理与应用》中的相关知识有机的结合在了一起,通过实践 加深对知识的理解,熟悉单片机的原理,了解步进电机的相关结构,在系统设计的过 程中。我做了如下几点工作: 1、查阅相关资料。根据课题,通过在图书馆查阅相关资料,在期刊网站查看相关 资讯,有针对性的学习相关知识,并进行深化理解和研究。 2 、根据设计的要求,对控制系统的总体设计方案进行了研究。最终实现了以 AT89C51 型单片机为控制核心,并依靠与之相应的时钟电路、显示电路、驱动电路等, 驱动了步进电机的正常运行。 3、根据设计要求设计了相应的软件,其中有包含主程序设计、键盘程序设计、调 速程序设计等内容。最后使用 Proteus 建立仿真模型,进行仿真验证得出设计结果。

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参考文献
[1]张航鲜. 新型步进电机驱动电路的研制[D].西安电子科技大学,2007. [2]章烈剽. 基于单片机的高精度步进电机控制研究[D].武汉理工大学,2007. [3]温鹏俊,戴终勇. 步进电机驱动系统细分驱动波形修正[J]. 2007,10:1-3+13. [4]丑灿,许建明. 步进电机驱动电路的设计[J]. 电子世界,2013,07:56. [5]古志坚. 基于单片机的步进电机控制系统研究[D].华南理工大学,2013. [6]仝建,龙伟,李蒙,孙少杰. 高精度高可靠步进电机控制系统的设计及应用[J]. 电子 技术应用,2013,12:41-44. [7]高琴,刘淑聪,彭宏伟. 步进电机控制系统的设计及应用[J]. 2012,01:150-152. [8]吴文英. 基于单片机控制的步进电机[J]. 电子世界,2012,07:55-56. [9]郑宇. 步进电机细分控制的单片机实现[J]. 贵州师范大学学报,2012,02:106-109. [10]王邦继,刘庆想,周磊,周一飞,李向强,张健穹. 步进电机速度曲线的设计与 FPGA 实现[J]. 微电机,2012,08:67-71.

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致谢
论文的顺利完成, 首先我要感谢我的指导老师南亚明老师以及周围同学朋友 的帮助,感谢他们提出宝贵的意见和建议,尤其是南老师,他以丰富的阅历和严 谨的治学态度在繁忙的工作期间,指导我的论文写作,在毕业设计过程中不断地 帮助我进一步完善设计方案, 在整个毕业设计和论文写作过程中给予我很大的帮 助。 论文采用单片机技术, 使单片机能根据按键, 实现步进电机的自动调速控制, 完成对控制系统的硬件设计和应用软件的设计。论文虽然已经完成,但是由于本 人经验上知识上的不足, 系统难免存在错漏之处,尤其是程序编写方面有待进一 步的研究和进步。

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