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1、 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;
2、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
3、恒流斩波AbstractSteeping motor is a kind of component using electric pulse signal to control winding elements to realize angular displacement. Comparing with other electric motor, it is easier to realize accurate control, no accumulated error and so on so forth. Thus, it is got extensive application. In
4、 order to gain excellent manipulative result, there appears a lot of stepping motor control system. Among them, the system using MUC as the core part of the control system is used widely. Many this kind of control systems have done absolutely good at the step motor drive, such as the technique of co
5、nstant current chopper. But some systems are a little bit complicated, which does not match with some comparatively simple control, causing some waste on investment. Some system is not easy to operate, weak in alternation. Furthermore, techniques in todays vocational teaching materials are entirely
6、different, leading to some kinds of chaos in the exercitation, not combining some techniques which should be. Consequently, this focuses on how to design a simple step motor control system, which has strong adaptability, easy to operate, high dependability, mixing electronic technique, MUC technique
7、 and motor control technique. This thesis will firstly introduce the development and application situation of stepping motor and some common control systems and drive techniques. Whats more, it will illustrate the working principle of step motor, then, using MUC as a main controller to put forward t
8、he whole system blue print of the hardware design. Based on this, all specific designs on electrical circuits in every module will be followed. Finally, illustrate the steps of how to develop the software of control system and programmed design.Key words: Stepping Motor, MUC, Constant Current Choppe
9、r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
10、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Stepping motor、Pu1se motor或 Stepper Servo，其应用发展己有约80年的历史。可以说步进电动机天生
11、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
12、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，
13、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
14、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
15、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Visual C+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
16、般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到:系统硬件结构简单，成本低;适应性强;操作方便;本论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，节约了单片机的端口，能做到一定的人机交换，因此具有一定
17、的应用价值。1.2 步进电机的应用步进电机应用非常广泛，具体应用如下：1.步进电机主要用于一些有定位要求的场合。例如：线切割的工作台拖动，植毛机工作台（毛孔定位），包装机（定长度）。基本上涉及到定位的场合都用得到。2.广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。 3.步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用，这类步进电机的特点是保持转矩不高，频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。目前用
18、于电脑绣花机的步进电机多数为五相混合式步进电机，目的是通过采用高相数的步进电机来减小步矩角和提高控制精度，但是采用该种方式获得的性能上的提高是有限的而且成本也相对较高。采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质，减少转矩波动，抑制振荡，降低噪音，提高步矩分辨率。若采用反应式步进电机，在性能明显提高的同时还能大大降低产品的成本。1.3 步进电机的发展现状1.3.1 国内外常见步进电机控制系统在步进电机的发展过程中，出现了多种控制方案1.基于电子电路控制步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动
19、电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成:脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图1.1所示。环形分配器脉冲控制器步进电机驱动电路图1.1 基于电子电路控制系统此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不
20、可能轻易失步。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。2.基于单片机控制采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法
21、实现脉冲的分配。本方案有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响;(2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性困;(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。3.基于PLC的控制PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动
22、控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。
23、步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。 1.3.2步进电机驱动技术基本类型步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区
24、别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪80年代以后，由于廉价的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。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低;缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它适用
25、于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作束和低压工作开始的衔接处呈凹形，
26、致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会
27、像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而避免产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。第二章 基于单片机的步进电机控制系统的硬件设计2.1 步进电机控制原理2.1.1 步
28、进电机的特点目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。就传统的步进电机来说，步进电机可以简单地定义为:根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与脉冲频率同步的同步电动机。步进电机具有其自身的特色，归纳起来有:1.可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价;2.直接接收数字信号，不必进行数模转换，使用方便。3.位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精
29、度的开环控制系统，也可以要求更高精度时组成闭环控制系统;4.无刷，电动机本体部件少，可靠性高;5.易于起动、停止、正反转及变速，响应性也好;6.停止时，可有自锁功能;7.步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下以高转矩运行，因而可以不经减速器直接驱动负载工作;8.速度可以相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步运行;9.不能直接使用普通的交流电源驱动2.1.2 步进电机的分类步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)
30、和混合式(HB)三大类;按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。(l)反应式步进电机（Variable Reluctance,简称VR）反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型;(2)永磁式步进电机（Permanent Magnet,简称PM）永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电
31、;(3)混合式步进电机(Hybrid，简称HB)混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机
32、结合，所以只采用反应式步进电机。2.1.3 反应式步进电机的工作原理图2.1 反应式步进电机的结构示意图图2.1是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上有绕组。两个相对的磁极组成一组，连法如图所示。下面介绍反应式步进电动机单、双六拍通电方式的基本原理。反应式步进电动机的工作原理是利用物理上的“磁通总是力图使自己所通过的路径的磁阻最小”所产生的磁阻转矩，使电机一步一步转动的。以三相反应式步进电动机为例。图2.3 单、双六拍通电时转子位置单、双六拍通电方式的基本原理如下：设A相首先通电，转子齿与定子A、A对齐（图2.3（a）。然后再A相继续通电的情况下接通B相。这时定子
33、B、B极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图2.3（b）所示，即转子从图2.3（a）位置顺时针转过了15。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B极对齐，（图2.3（c），转子从图2.3（b）又转过了15。其位置如图2.3（d）所示。这样，如果按A A、B B B、C C C、A A的顺序轮流通电，则转子遍顺时针方向一步一步地转动，步距角为15。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A A、C C C、B B B、A A的顺序通电，则电机转子逆时针转动。这种通电方式称
34、为单、双六拍方式。2.1.4 步进电机的主要特性1）步距角步距角是决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数。步距角越小，脉冲量越小，控制精度就越高。步距角：式中：定子绕组的相数 转子的齿数 步进电机的通电方式，为相拍时，=1；为相拍时，=2；依此类推。2）每一齿距的空间角（也称齿间夹角）为：式中为转子齿数。3）每一极距的空间角（也称极间夹角）为：式中为步进电机相数。4）每一极距所占的齿数为5）转子齿数应符合以下条件，式中正整数；反应式步进电动机的定子磁极数；定子相数。图2.4 步进电机各相定子与转子的齿距对应关系实际步进电机的定子磁极与转子圆周上都有齿，如图2.4所示。定子磁极的齿距与转子的齿距相
35、同，只是定子磁极的齿依次与转子的齿错开齿距的（为步进电机相数）。这样，每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿间夹角的（三相三拍）或(三相六拍)角度。若在三相定子的每个磁极上有5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9，小齿在空间位置上一次错开1/3齿距。转子上均匀分布40个小齿，齿槽等宽，齿间夹角也为9。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿1/3齿距（即3），C相磁极齿超前（或滞后）转子齿2/3齿距角。按三相单、双六拍通电方式工作时，步距角为：也可求得步进电机的转速为：式中步进电动机的脉冲频率，或。2.2 基于单片机的步进电机控制系统总体设计2.2.1 步进电机控
36、制系统简介步进电机控制系统是一个有机的完整的整体，由运动控制系统和操作控制系统组成。由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号，运动控制系统随之作出反应，完成规定动作。运动控制是一门有关如何对物体位置和速度进行控制的技术。典型的运动控制系统应由三部份构成:控制部分、驱动部分、执行部分。如图2.5所示。在步进电机控制系统中运动执行部件为步进电机。步进电机是一种将电脉转机械装置运动执行部件驱动部件运动控制部件图2.5运动控制系统组成转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过
37、控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。因此典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成:步进控制器、驱动器(把控制器输出的脉冲加以放大，来驱动步进电机)、步进电机。不同的控制方案，步进控制器、驱动器也有不同的类型。在本论文第一章，已经对此作了介绍。下面着重介绍以单片机为控
38、制器的步进电机控制系统。步进电机是数控式电机，其最大特点是通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。它具有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征，将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。采用单片机作为控制核心的控制系统如图2.6所示。步进电机驱动电路单片机系统机械装置 外围电路图2.6 单片机控制步进电机控制系统整个系统以单片机为核心，设计出硬件系统。以其中的几个口控制驱动电路，由于步进电机工作时，电机绕组内的电流值一般都能达到数安培，而控制电机绕组内电流变化的控制信号一般都是由逻辑电路产生的数
39、字信号，电压一般比较低，为了防止单片机或控制信号等受到后级模拟电路的干扰，通常在驱动电源的设计时都要设计电压隔离接口，以便把数字信号和模拟信号隔离开.所以将光电隔离电路接在驱动电路和单片机出口之间。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，和单片机端口连接，设置了步进电机正转、反转等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。驱动电路按照控制要求有多种选择，在本论文的第一章就介绍了几种常见的驱动电路。待驱动、晶振、复位、键盘各个电路的设计完成之后，进行硬件合成，就是
40、一个完整的步进电机控制系统。系统的软件设计通常采用模块化结构，软件系统总体框架一般包括三部分:主程序、中断服务子程序以及其他相应的辅助子程序(包括正转子程序、反转子程序、键盘子程序以及延时子程序)。2.2.2 系统组成系统的组成方框图如图2.7所示：电机驱动电路MCU步进电机按键图2.7系统框图本系统由电源、单片机(MCU)、按键电路和电机驱动电路等组成。系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制。基于单片机的步进电机控制系统硬件连接图如图2.8
41、所示。2.3 步进电机驱动电路设计 系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。本设计中采用恒流斩波驱动。单相驱动电路如图2.9所示。 在图2.9中，L1为步进电机的单相绕组。 三相反应式步进电机的三相驱动电路如图2.10所示。图2.8基于单片机的步进电机控制系统硬件连接图图2.9 单相驱动电路2.4 步进电机控制系统设计 三相反应式步进电机必须接有驱动电路。控制电路如图2.10所示。图2.10 三相反应式步进电机驱动电路与控制电路2.5 键盘电路设计键盘是两个按键组成的开关组，是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现人机对话，键盘电路如图2.11所示。键盘
42、电路是采用中断电路，能获得所需数量的按键。如果按下“正转按钮”则向单片机INT0申请中断，T0开始计时，执行正转程序； 图2.11 键盘电路 若按下“反转按钮”，则向单片机INT1申请中断，T0开始计时，执行反转程序。2.6 硬件总体实现以上各单元电路分别设计论证通过后，对电路进行总和，分为系统主体和驱动电路两大块。系统整体硬件连接图如图8所示。在绘制电路时，利用了Proteus。第三章 基于单片机的步进电机控制系统的软件设计3.1 总体设计本系统的软件设计主要分为系统初始化、按键及控制脉冲输出几部分，事实上每一部分都是紧密相关的，每个功能模块对于整体设计都是非常重要，单片机AT89C51通过
43、软件编程才能使系统真正的运行起来，软件设计的好坏也直接决定了系统的运行质量。本程序主要由键盘程序、步进电机驱动程序两部分部份组成，主程序首先初始化各变量，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，便进入待机状态，等待键入相应操作。然后调用键盘程序，并作判断，如果有键按下，则调用键盘处理程序。3.1.1 系统软件主流程系统上电复位过，先经过必要的参数初始化后，便进入按键查询，等待操作，当有按键按下后，程序便调用相应的子程序运行。如图3-1所示。图3-1 系统主流程图3.1.2 按键查询部分查键程序用于判断P3.2口与P3.3口的值，当p3.2口为0时，电机正转，当p3.2口为1时，继续判断p3.3口的值，p3.3口为0时，电机反转。如图3-2所示。NNYY调按键子程P3.2是否为0P3.3是否为0前进后退 图3-2 按键查询流程图3.1.3 正向转动部分通过给P2口送不同的值，根据电机转动的相序，使电机正向转动，P2口的值分别为01H，03H，02H，0CH，04H，05H。流程图如图3-3所示。开始（R0）+1R0延