单片机之步进电机控制

1、 单片机课程设计题目名称 学 院 专业班级 姓 名 学 号 指导教师 2014年06月27日 目录一、设计要求3二、设计总体方案31、MCS51单片机原理32、步进电机工作原理：43、步进电机的分类与选择：5三、电路分析81、步进电动机脉冲序列信号与转速控制82、步进电机的驱动电路及状态显示9四、程序设计10五、 步进电机控制器仿真12六、参考文献1314单片机课程设计任务书一、设计要求 （1） 设计内容：用MCS51单片机设计一个步进电机控制器 （2） 设计要求： （1） 完成单片机与功率驱动电路及小功率步进电机的连接 （2） 控制步进电机的转动方向、转动速度及转过指定的角度（3） 通过按键

2、改变电机的转向、转速等参数 二、设计总体方案 1、MCS51单片机原理5l系列单片机中典型芯片(MCS8051)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时计数器TO和T1，4个8 b的工O端I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(EPROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图1所示。5l系列单片机提供以下功能：4KB存储器；256B RAM；32条工O线；2个16b定时计数器；

3、5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用它的片内资源，即可在较少外围电路的情况下让步进电机实现功能。图1 51系列单片机图2、步进电机工作原理： 步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(f)成正比，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。如下所示的步进电机为一四相步进电机，采用单

4、极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图2 四相步进电机步进原理图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B

5、、C、D方向转动。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2-2所示： 图3 步进电机工作时序波形图3、步进电机的分类与选择：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。反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩，但动态性能相对较差。永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。

6、用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，它是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便

7、确定下来了。1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

8、一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米P=2fM/400(半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS）方案 主要元器件清单序号材料名称规格型号数量1单片机MCS5112

9、晶振12MHz13电容CAP34电阻RES45步进电机MOTOR-STEPPER16运放ULN2003A17开关BUTTON48发光二极管LED2此方案的优点：电路简单，能够实现对电机的正转、反转、加速、减速、停止的控制。三、电路分析1、步进电动机脉冲序列信号与转速控制要步进电机可以“步进” 就得产生下图所示的脉冲序列。此脉冲序列是用周期、脉冲高度、通断时间来表征的。数字电路中，脉冲高度由元件电平决定，如TTL电平为05V，COMS电平为010V。步进电机的每一步的响应。都需要一定的时间，即一个高脉冲要保留一定的时间，以便电机完全达到一定的位置。通断的时间可以利用延时在软件中实现，这决定了步进

10、电机的实际工作速率。图4 脉冲序列2、步进电机的驱动电路及状态显示驱动电路2003输出集电极开路没有错，这个IC主要是接受灌电流，而不提供拉电流，也就是说当2003输入1时，输出0，这时可接受最大500MA的灌电流；当2003输入0时，输出的是虚高的1，没法提供电流，是没法带载的。而你要驱动步进电机，输出不需上拉的原因就是因为5线4相步进电机有一线是VCC，只要各相按照规定的步骤赋予低电平，2003就可以驱动步进电机了。其中1B、2B、3B、4B分别与P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相接。步进电机时序表步序控制位控制模型工作状态DCBA1001103HAB2001002HB3011006

11、HBC4010004HC511000CHCD6100008HD7100109HDA8000101HA单四拍也叫一相励磁，特点是精度好，功耗小，但输出转矩小，振动较大。 双四拍也叫二相励磁，特点是输出转矩大，振动小，但功耗大。四相双四拍的通电顺序为 AB-BC-CD-DA 。四、程序设计流程图：结 束开 始初始化判断是否通电？等待高电平 步进电机准备运转开始运转判断是否断开？按下按键调节主程序 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 1000HMAIN: MOV R4,#04H ;设置步进电动机运行方式四拍LOOP: JB P0.2,LOOP ;启停按钮是否按下 JB P0.1,POS

12、;是否为正转 AJMP NEG ;否则为反转POS: MOV DPTR,#TABLE1;正转LOOP1:CLR A MOVC A,A+DPTR MOV P1,A INC DPTR JNB P0.0,LOOP2 ;是否提速 MOV R5,#2 ACALL DELAYLOOP2:MOV R5,#1 ACALL DELAY DJNZ R4,LOOP1 AJMP MAINNEG: MOV DPTR,#TABLE2;反转LOOP3:CLR A MOVC A,A+DPTR MOV P1,A INC DPTR JNB P0.0,LOOP4 ;是否提速 MOV R5,#10 ACALL DELAYLOOP4:MOV R5,#1 ACALL DELAY DJNZ R4,LOOP3 AJMP MAINTABLE1:DB 03H,06H,0CH,09HTABLE2:DB 03H,09H,0CH,06HDELAY:MOV R7,#200 NOPDEL1: MOV R6,#123DEL2: DJNZ R6,DEL2 DJNZ R7,DEL1 DJNZ R5,DELAY ;延时 1+（1+1+2*123+2）*200+2*R5 um 即0.5s实现30r/min或0.05s实现 300r/