基于单片机的步进电机控制系统设计

学号________________密级________________武汉大学本科毕业论文基于单片机的步进电机控制系统设计院（系）名称：电子信息工程学院专业名称：电子信息工程学生姓名：指导教师：二○一三年三月摘要步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好，比如恒流斩波驱动技术，但是有的系统比较复杂，和一些相对比较简单的控制过程不相吻合，投入上也不经济;有的系统在操作上不是很方便，交互性不强。而且，有感于目前的职业教育的专业教材各种技术太过经渭分明，由此带来的实习也是比较零散，没有把一些在工程实践中应该结合在一起的技术有机结合起来，因此本文的研究内容就是设计一套硬件系统较简单、经济，但适应性强，操作方便，可靠性高的，能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来步进电机控制系统。本文首先简要描述了步进电机的发展、应用情况，而且还分析了步进电机的工作原理，然后以单片机为主控制器提出了整个系统的硬件设计方案，在此基础上对各个模块的电路进行详细的设计，接着阐述了步进电机软件控制开发的流程和程序设计。关键词:步进电机AT89C51单片机恒流斩波AbstractSteepingmotorisakindofcomponentusingelectricpulsesignaltocontrolwindingelementstorealizeangulardisplacement.Comparingwithotherelectricmotor,itiseasiertorealizeaccuratecontrol,noaccumulatederrorandsoonsoforth.Thus,itisgotextensiveapplication.Inordertogainexcellentmanipulativeresult,thereappearsalotofsteppingmotorcontrolsystem.Amongthem,thesystemusingMUCasthecorepartofthecontrolsystemisusedwidely.Manythiskindofcontrolsystemshavedoneabsolutelygoodatthestepmotordrive,suchasthetechniqueofconstantcurrentchopper.Butsomesystemsarealittlebitcomplicated,whichdoesnotmatchwithsomecomparativelysimplecontrol,causingsomewasteoninvestment.Somesystemisnoteasytooperate,weakinalternation.Furthermore,techniquesintoday’svocationalteachingmaterialsareentirelydifferent,leadingtosomekindsofchaosintheexercitation,notcombiningsometechniqueswhichshouldbe.Consequently,thisfocusesonhowtodesignasimplestepmotorcontrolsystem,whichhasstrongadaptability,easytooperate,highdependability,mixingelectronictechnique,MUCtechniqueandmotorcontroltechnique.Thisthesiswillfirstlyintroducethedevelopmentandapplicationsituationofsteppingmotorandsomecommoncontrolsystemsanddrivetechniques.What’smore,itwillillustratetheworkingprincipleofstepmotor,then,usingMUCasamaincontrollertoputforwardthewholesystemblueprintofthehardwaredesign.Basedonthis,allspecificdesignsonelectricalcircuitsineverymodulewillbefollowed.Finally,illustratethestepsofhowtodevelopthesoftwareofcontrolsystemandprogrammeddesign.Keywords:SteppingMotor,MUC,ConstantCurrentChopper目录1.绪论.....................................................................................................11.1引言…………………………………………………………………………….11.2步进电机的应用…………………..……………..…………………………….31.3步进电机的发展现状……....………………………………………………….31.3.1国内外常见步进电机控制系统...............................................................31.3.2步进电机驱动技术基本类型…………………………………………...52.基于单片机的步进电机控制系统的硬件设计…………………….72.1步进电机控制原理…………………………………………………………….72.1.1步进电机的特点………………………………………………………....72.1.2步进电机的分类………………………………………………………....72.1.3反应式步进电机的工作原理……………………………………………82.1.4步进电机的主要特性…………………………………………………....102.2基于单片机的步进电机控制系统总体设计……………………………….....112.2.1步进电机控制系统简介…………………………………………………112.2.2系统组成………………………………………………………………....132.3步进电机驱动电路设计……………………………………………………….142.4步进电机控制系统设计……………………………………………………….152.5键盘电路设计………………………………………………………………….152.6硬件总体实现………………………………………………………………….163.基于单片机的步进电机控制系统的软件设计……………………..173.1总体设计……………………………………………………………………..…173.1.1系统软件主流程………………………………………………………….173.1.2系统总体程序…………………………………………………………….183.2关键模块设计…………………………………………………………………..193.2.1脉冲发生器设计………………………………………………………….193.2.1.1定时器T0中断（步进脉冲输出）模块流程…………………..193.2.1.2定时器T0中断（步进脉冲输出）模块子程序………………..203.2.2正反转控制程序………………………………………………………....21结论……………………………………………………………………...22参考文献……………………………………………………………..….23致谢……………………………………………………………………...24第一章绪论1.1引言步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pu1semotor或StepperServo，其应用发展己有约80年的历史。可以说步进电动机天生就是一种离散运动的装置，是纯粹的数字控制电动机，步进电机驱动器通过外加控制脉冲，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。这些关系在负载能力范围内不随电源电压、负载大小、环境条件等的变化而变化。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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用。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国己经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。其中华中数控系统解决了“五轴联动”，为“神州”系列飞船顺列升空立下了汗马功劳。虽然与发达国家相比，我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。我国数控系统在初期就是以单板机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，只需一万元左右就可以装备一台经济型数控机床，很适合我国中小型企业使用。采用步进电机作为伺服执行元件，不仅可以应用于经济型数控伺服系统，而且也可以辅以先进的检测和反馈元件，组成高精度全闭环数控系列，从而达到很高的加工精度。除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。因而，对于步进电机控制的研究也就显得重要了。为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语或C语一言进行软件开发，在windows平台下利用VisualC++6.0提供的串行通信控件MSColnln来实现PC机与步进电机控制器之间的数据通讯，最终实现由PC机直接控制步电机的方法;在windows平台下和单片机配合控制步进电机;PLC控制的脉冲驱动方案等等。但是在有些应用场合，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