单片机课程设计-步进电机控制器设计.doc

摘要 步进电机是一种以脉冲信号控制转速的电机，它是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，很适合使用单片机来进行控制。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。 步进电机分为反应式、永磁式、混合式三类。其中混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，它的动态性能好，控制精度高，是目前应用最为广泛的一种。 目录 一 设计目的 3 二 硬件电路设计及描述 3 2.1 步进电机的基本特点 3 2.2 步进电机的工作原理 3 2.2.1 步进电机的启停控制 3 2.2.2 步进电机的转向控制 4 2.2.3 步进电机的速度控制 4 2.2.4 步进电机的换向控制 4 2.3 控制系统的硬件设计 4 2.3.1 步进电机控制工程方案 4 2.3.2 电路设计 5 3 系统软件设计 5 3.1总体设计 5 3.1.1步进电机的工作方式 5 3.2 程序流程图 7 3.3 程序清单 8 4 参考文献 19 5 结束语 20 一 设计目的 利用单片机来控制步进电机的转速、正转和反转，通过改变相序通电来实现正转和反转之间的转变，并且可通过显示步数的改变进一步调节步进电机的转速。 步进电机的运行控制涉及位置控制和加、减速控制，其中，位置控制是最主要的控制，本设计要求在位置上实现准确控制（要求转动步数有数字键直接输入）。 使步进电机具有运行步设置，在线正、反转以及启停控制，运行速度在线可调。 二 硬件电路设计及描述 2.1 步进电机的基本特点 步进电机之所以得到广泛应用的原因是由于步进电机有以下特性： （1）步进电机是在脉冲作用下工作，步进电机的速度与加在绕组上的脉冲频率成正比。 （2）步进马达具有瞬间启动与急速停止的特性。 （3）改变线圈励磁的顺序，就能改变马达的转动方向。 2.2 步进电机的工作原理 步进电机由定子和转子两部分组成，下面以两相反应式步进电机为例说明步进电机工作原理。 两相步进电机的定子上有两对磁极，按N、S、N、S分配，每两个相对的磁极组成一队。每对磁极都缠有同一个绕组，形成一相。转子是由软磁材料制成的，其外表面均匀分布着小齿，他们大小相同，间距相等。这些小齿与定子磁极上的小齿的锯齿相同，形状相似。 如果按下表的时序给步机绕组通电，步进电机将产生转动，改变相序通电，步进电机的转向将反相，停止发送脉冲，步进电机将停止运转。 图一 步进电机结构 通电相序 2.2.1 步进电机的启停控制 步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。 2.2.2 步进电机的转向控制 如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。其他方式情况类似。 2.2.3 步进电机的速度控制 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。2 个脉冲的间隔越短 ,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率 ,就可以对步进电机进行调速。 2.2.4 步进电机的换向控制 步进电机换向时 ,一定要在电机减速停止或降到突跳频率范围之内再换向 ,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1 个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求要有一定的脉冲宽度(一般不小于5μs)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了减速→换向→加速3 个过程。 2.3 控制系统的硬件设计 2.3.1 步进电机控制工程方案 基于单片机的步进电机控制方案如下图二所示，系统由键盘、微处理器和功率放大器三部分组成。键盘负责发布命令、输入数据，采用带中断的行列式键盘，微处理器负责将命令转化成控制信号。功率放大器具有信号放大的功能。 图二 单片机控制步进电机原理图 2.3.2 电路设计 在Proteus环境选用下列元器件，设计电路如图三所示 （1）IN4003、BUTTON：二极管