第1章
1.1引言 ..................................................... 1 1.2 步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 ................... 2
1.2.1 常见的步进电机控制方案 ............................ 2 1.2.2 步进电机驱动技术 ................................... 4 1.3 本文研究的内容 .......................................... 6
第2章 步进电机概述
2.1 步进电机的分类 ......................................... 6 2.2 步进电机的工作原理 ..................................... 7
2.2.1 结构及基本原理 .................................... 7 2.2.2 两相电机的步进顺序 ................................ 8 2.3 步进电机的工作特点 .................................... 11
第3章 系统的硬件设计
3.1 系统设计方案 ........................................... 12
3.1.1 系统的方案简述与设计要求 ......................... 12 3.1.2 系统的组成及其对应功能简述 ...................... 13 3.2 单片机最小系统 ........................................ 15
3.2.1 AT89C51简介 ...................................... 15 3.2.2 单片机最小系统设计 ............................... 20 3.2.3 单片机端口分配及功能 ............................. 21 3.3 串口通信模块 .......................................... 22 3.4 数码管显示电路设计 .................................... 22
3.4.1 共阳数码管简介 ................................... 23 3.4.2 共阳数码管电路图 .................................. 24 3.5 电机驱动模块设计 ....................................... 24
3.5.1 L298简介 ........................................ 25 3.5.2 电机驱动电路设计 ................................. 26 3.6 驱动电流检测模块设计 .................................. 27
3.6.1 OP07芯片简介 .................................... 28 3.6.2 ADC0804芯片简介 ................................. 29 3.6.3 电流检测模块电路图 ............................... 32 3.7独立按键电路设计 ........................................ 33
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第4章 系统的软件实现
4.1 显示子程序的设计 ...................................... 35 4.2 键盘子程序的设计 ..................................... 36 4.3 驱动程序流程的设计 .................................. 37 4.4 正反转程序流程图 .................................... 38
4.4.1 正反转程序流程图 .................................. 38 4.4.2 转速快慢程序流程图 ............................... 39 4.4.3定时中断流程图 ..................................... 40
第5章 实验结果与分析
5.1 有关参数的计算与分析 .................................. 41 5.2 理论与实际的分析 ...................................... 42
附 录 总 结 参考文献
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第1章
1.1引言
动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。
在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。本论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值。
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1.2 步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 1.2.1 常见的步进电机控制方案
1、基于电子电路的控制
步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图1.1所示。
脉冲控制器环形分配器功率放大驱动电路步进电机 图1.1 基于电子电路控制系统
此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步[4]。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。
2、基于PLC的控制
PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的
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工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。
采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。
3、基于单片机的控制
采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。
本方案有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动
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