基于单片机的步进电机控制系统课程设计

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1、第1章 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位 移或线位移的微电动机，它最突出的优点是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、正反转控制及制动等，并且用其组成的 开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及 各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。同时，步进电机在工业控制 生产以及仪器上应用十分广泛。通常都要对一些机械部件平移和转动，对移 动的位移和角度控制要求较高，一般的电机很难实现对位置和角度的精确控 制，在一些智能化要求较高的场合，用模拟芯片控制器及信号发生器来控制 有一定局限性。而

2、用单片机控制步进电机可以改善性能，步进电机能实现精 确的角度和转数，具有良好的步进特性，最适合数字控制。在工控设备中得 到了广泛的应用。而单片机具有芯片体积小，兼容性强，低电压地，低功耗 等特点，使单片机成为驱动步进电机的最佳空盒子单元。所以单片机控制步 进电机系统控制精度高，运行稳定，得以广泛运用。随着微电子和计算机技 术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系 统具有十分重要的意义。 1.2 国内外研究概况 步进电机最早是在 1920 年由英国人发明的。 我国步进电机的研究及制造 起始于本世界 50 年代后期， 从 50 年代后期到 60 年代后期， 主要是高等院校

3、 和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。中国在文化大革命中已 经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行 业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件 构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。 70 年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面 的长足进步以外， 对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。 70 年代中期至 80 年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开 发。至 80 年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混 合式步进电机及驱动器作为产品广泛

4、利用。 国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机， 因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大 扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术 和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。 国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产 装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段 将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光 电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。 国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采 用交

5、流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机 的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制 器内部。总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低， 不适合在大功率的场合使用。 在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机， 就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。 步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电 动机的矢量控制相比，难度要低得多。 第2章 系统整体方案设计 2.1 设计目标 本设计采用 STC89C52 单片机作为主控芯片， 结合外设独立按键、 LCD1602 液

6、晶显示器和步进电机驱动模块组成的步进电机控制系统。按键负责控制步 进电机运动状态，液晶显示器负责显示步进电机的运动状态，驱动模块通过 单片机的控制从而驱动步进电机。独立按键共有 5 个，各自的功能分别为正 转启动、反转启动、加速、减速和停止。 系统整体设计框图如图 2-1 所示： 图 2-1 系统整体设计框图 2.2 步进电机驱动方式 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步 进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正 STC89C52 步 进 电 机 驱 动 液 晶 显 示 按 键 输 入 单 片 机 最 小 系 统 常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转 速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系， 不受电压波动和负载变化的影响。 由于步进电动机能直接接受数字量的控制， 所以特别适宜采用微机进行控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机 （PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。本设计采用两相四线 的混合步进电机。 步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必