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基于单片机的步进电机控制系统.doc
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基于单片机的步进电机控制系统.doc
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基于单片机的步进电机控制系统
摘要
步进电机是一种通过电磁脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元
件,其有易于开环精确控制、无累积误差等特点,在各个领域中获得了广泛的应
用。
目前步进电机控制技术已经比较成熟,在高校教学中也越来越得到重视。有
感于目前高校步进电机实验系统通常过于复杂昂贵,很难有效地使学生了解步进
电机的控制方法并且亲自动手完成实验,因此本文研究的内容就是一套硬件系统
比较简单、经济,但功能齐全、适应性强、操作方便,能够把数字电路、模拟电
路、单片机技术、电机控制技术结合起来的步进电机教学实验系统。本文首先描
述了步进电机的发展应用情况,以及常见的控制方式。然后以单片机为主控制器
设计了一整套的控制方案,以及完整的程序流程以及设计。
关键词:步进电机 单片机 教学平台 控制方式
2
The Stepping Motor Control System Based on SCM
Abstract:
Stepping motor is a kind of component using electric pulse signal
to control winding elements to realize angular displacement. It is easy
to realize accurate control, no accumulated error an so on. Thus, it is
got extensive application.
Stepper motor control technology has now more mature.And it
more and more taken seriously in teaching in college. Feeling the
stepper motor test system in college are usually too expensive and
complicated. It is difficult to make students understand the principle
of stepper motor and fulfill the experiment. Therefore, the contents of
this paper is design a simple step motor control system, which has
complete function, strong adaptability, easy to operate, high
dependability, missing electronic technique, SCM technique and
motor control technique. This paper describes the stepper motor
application development, and common control first. Then, using SCM
as a main controller to put forward the whole system, and the
complete process flow and design.
Key words: Stepping Motor,SCM, Education Platform, Control
3
目录
1.1 步进电机的应用及发展前景 .....................................................................................................4
1.2 国内步进电机发展现状.............................................................................................................5
1.3 课题背景及意义.........................................................................................................................7
1.4 主要技术指标.............................................................................................................................7
第二章 总体方案设计 .....................................................................................................................7
2.1 系统工作原理 ...............................................................................................................................8
2.1.1
步进电机工作原理
................................................................................................................8
2.1.2
步进电机控制方式
................................................................................................................8
2.2 系统控制方案论证 ........................................................................................................................9
2.2.1
控制系统选择
......................................................................................................................9
2.2.2
控制电路选择
........................................................................................................................9
2.2.3
单片机控制信号方式选择
..................................................................................................10
2.2.4
外围设备方案选择
..............................................................................................................11
2.2.5
键盘的选择
..........................................................................................................................11
第三章 系统硬件设计 ...................................................................................................................12
3.1 系统框图 .....................................................................................................................................12
3.2 硬件选择与设计 .........................................................................................................................12
3.2.1
控制器选择
........................................................................................................................12
3.2.2 AT89S51
外部电路
................................................................................................................15
3.2.3
步进电机驱动芯片
..............................................................................................................18
3.2.4
光电编码器
..........................................................................................................................20
3.2.5
光电编码器与单片机间数据传输单元
..............................................................................22
3.2.6
电源设计
..............................................................................................................................22
第四章 系统的软件设计................................................................................................................23
4.1 总体设计思想 ..............................................................................................................................23
4.1.1
系统的工作过程
...................................................................................................................23
4.1.2
程序设计方法选择
...............................................................................................................23
4.1.3
编程语言的选择
...................................................................................................................24
4.2 程序的设计.................................................................................................................................26
4.2.1
各功能程序设计方案
..........................................................................................................26
4.2.2
主程序
..................................................................................................................................37
总 结..............................................................................................................................................38
致 谢..............................................................................................................................................39
参考文献 ........................................................................................................................................40
附录 1:部分程序清单 ..................................................................................................................41
附录 2:硬件电路原理图...............................................................................................................47
第一章 绪论
4
1.1 步进电机的应用及发展前景
步进电机最早是在 1920 年代由英国人所开发。1950 年代后期晶体管的发
明也逐渐应用在步进电机上,对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改
良,使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信
赖性等灵活控制性高的机械系统中。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动
机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置,在人类的生产和生
活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天,
传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的
要求。为适应这些要求,发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统,其中较
有自己特点,且应用十分广泛的一类便是步进电动机。在生产过程中要求自动化、
省人力、效率高的机器中,我们很容易发现步进电机的踪迹,尤其以重视速度、
位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。
步进电机的特征:
1) 高精度的定位:步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控
制。以 5 相步进电机为例:其定位基本单位(分辨率)为 0.72°(全步
级)/0.36°(半步级),是非常小的;停止定位精度误差皆在±3 分(±0.05°)以
内,且无累计误差,故可达到高精度的定位控制。(步进电机的定位精度是取决
于电机本身的机械加工精度)
2) 位置及速度控制: 步进电机在输入脉冲信号时,可以依输入的脉冲数做
固定角度的回转进而得到灵活的角度控制(位置控制),并可得到与该脉冲信号周
波数(频率)成比例的回转速度。
3) 步进电机在停止状态下(无脉波信号输入时),仍具有激磁保持力,故即
使不依靠机械式的剎车,也能做到停止位置的保持。
4) 动作灵敏:步进电机因为加速性能优越,所以可做到瞬时起动、停止、正
反转之快速、频繁的定位动作。
5) 开环系统控制、不必依赖传感器定位:步进电机的控制系统构成简单,
不需要速度感应器(ENCODER、转速发电机)及位置传感器(SENSOR),就能以输入
的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制,故最适合于短距离、高频度、
高精度之定位控制的场合下使用。
6) 中低速时具备高转矩:步进电机在中低速时具有较大的转矩,故能够较
同级伺服电机提供更大的扭力输出。
7) 高信赖性:使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它
装置相较,步进电机的故障及误动作少,所以在检查及保养时也较简单容易。
8) 小型、高功率:步进电机体积小、扭力大,尽管于狭窄的空间内,仍可
5
顺利做安装,并提供高转矩输出。
由于不仅电机的以上特点,使得步进电机控制成本低廉,硬件简单并可靠,
因此在需要精确控制角度的 大量应用,如数控机床、绘图仪等。
1.2 国内步进电机发展现状
步进电机 行业整体运行态势良好.国产步进电机产业经过 40 多年的发展,
特别是改革开放 20 多年以来的快速发展,取得了长足进步。目前, 国步进电机
生产及配套厂家在 1000 家以上,并且以每年 8%的速度递增,产量已占世界产量
的 60%以上,已成为国民经济和国防建设中不可缺少的基础性工业。国民经济与
科学技术的发展,为电机传统产业提供了无限的发展空间。世界电机制造基地正
在快速地向中国转移。当前,经济全球化和科技高新化这两大趋势正向 们迎面
扑来,全球步进电机年需求量在 50 亿台以上,随着全球经济一体化进程的加快,
步进电机生产的国际化已基本形成。加入 wto 后,国家对中小企业的保护政策如
进口关税逐步降低,直到取消关税,国外电机凭借其优越的品质和低廉的价格进
入国内市场,而出口到国外的电机各国行业协会或政府纷纷设置了许多技术壁垒,
更让国产的电机全面卷入与世界电机的争夺战之中。因此,质量将成为竞争的核
心和焦点。目前,步进电机在国内的生产厂家主要集中在东南沿海的江、浙、沪、
闽、粤等五省市和华北地区,全国步进电机企业约 1000 多家,由国有企业、民
营企业、外资或合资企业等多种经营成分共同组成,其中 85%以上为中小型民营
企业和部分外资或合资企业。经过多年的发展和技术改造,企业的整体实力得到
了增强,生产技术水平有较大提高,质量管理体系比较健全,产品质量明显提高,
在国内外市场上具有较强的竞争力,发展势头强劲。步进电机产业在 国的发展
分两个阶段。第一阶段,顺应 国家电业发展的需要,应用于风扇、空调器、冰
箱、洗衣机、排油烟机、小家电、保健器具等产品的步进电机,国内企业通过技
术引进、设备引进吸收,已缩小了同发达国家的差距,部分产品的技术水平已达
到国际先进水平,企业具有了很强的自主研发能力、自主知识产权,也形成了一
些具有广泛市场知名度的产品品牌。电机产品在自身大量出口欧美等国际市场的
同时也随着风扇、空调器等家电主机产品畅销国际市场,成为 国机电出口业务
的主要部分。第二阶段,随着汽车工业的快速发展,车用步进电机的需求也迅速
增长,带动了以永磁直流和无刷直流电机为主体的车用功能型步进电机的兴起。
但是,由于这些产品具有相对技术难度大、设备投入大、品种规格变化大的
特点,另外,电机本身产品的技术质量直接关系到整车的可*性及品牌声誉。针
对这种情况,国内一些步进电机主导企业主动出击,通过技术引进、国际合作和
技术攻关,逐步掌握了这类产品的生产技术,其产品已逐渐被世界知名汽车制造
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