基于单片机的步进电机.

目 录

1. 设计要求 ....................................................................................................................... 1 2. 步进电机控制系统设计 ............................................................................................... 1

2.1 步进电机的原理 .................................................................................................. 1 2.2环形脉冲分配器 .................................................................................................. 4 2.3 续流电路 .............................................................................................................. 6 2.4 步进电机驱动电路 .............................................................................................. 9 2.5 步进电机的变速控制 ........................................................................................ 10 3. 控制系统硬件设计 ..................................................................................................... 13

3.1硬件系统设计原则 ............................................................................................ 13 3.2 控制系统组成 .................................................................................................... 13 3.3 控制系统接口电路的设计 ................................................................................ 14 3.4控制系统整体电路设计 .................................................................................... 16 4. 控制系统软件设计 ..................................................................................................... 17

4.1软件系统设计原则 ............................................................................................ 17 4.2步进电机控制系统功能设计 ............................................................................ 17 4.3 主程序设计 ........................................................................................................ 18 4.4 显示程序设计 .................................................................................................... 21 5. 结论 ............................................................................................................................. 22 参考文献 .......................................................................................................................... 23

1. 设计要求

1. 采用AT89C51单片机，完成对步进电机转速、方向的控制；

2. 运用功能指令进行单片机控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序； 3. 程序结构与控制功能自行创新设计； 4. 进行系统调试，实现步进电机的控制要求。 5. 给出电路原理图和软件程序源代码清单。

2. 步进电机控制系统设计

2.1 步进电机的原理

反应式步进电机的工作原理是与反应式同步电机一样，也是利用转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动，定子铁心为凸极式，共有三相，六个磁极，不带小齿，磁极上装有控制绕组，相对的两个磁极串联连接，组成一相控制绕组。转子用软磁材料制成，也是凸极结构，只有两个齿，齿宽等于定子的极靴宽。由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备—步进电机控制驱动器。

步进电机控制驱动器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍三种。 2.1.1 三相单三拍通电方式

这是步进电机的一种最简单的工作方式，所谓“三相”，即三相步进电机，具

有三相定子绕组；“单”指每次只有一相绕组通电；“三拍”指三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次情况。

A相通电时，转子对定子的相对位置不同，则磁路的磁阻也不同，使A相磁路的磁阻为最少的转子位置，就是该时的稳定平衡位置，即转子稳定在转子轴线和A相磁极轴线相重合的位置。同样道理，当A相断开，接通B相时，B相磁极对转子的电磁力将使转子顺时针转过60°，达到转子轴线和B相磁极轴线相重合的位置，即转子走过一步，然后B相电源断开，同时接通C相，同理将使转子按顺时针方向再走一步。如此按A-B-C-A的顺序使三相绕组轮流通电，则转子依顺时针方向一步一步地转动。如果改变三相绕组的通电顺序为A-C-B-A显然步进电机将按逆时针方向转动。上述三相三拍运行，表示三种通电状态为一个循环，即三次通电状态改变后，又恢复到起始状态，一拍对应转子转过的角度称为步距角，通常用θs表示。如图2-1所示，转子每步转过的步距角为60°。

（a）A相通电 （b）B相通电 （c）C相通电

图2-1 三相反应式步进电机原理

2.1.1三相双三拍通电方式

如果将步进电机的控制绕组的通电方式改为：AB-BC-CA-AB或AC-CB-BC-CA。这种通电方式每拍同时有两相绕组通电，三拍为一循环。转子每步转过的角度为30°，与单三拍运行方式相同，但其中有一点不同，即每拍使步进电机从一个状态转变为另一个状态时，总有一相绕组保持通电。如图所示，图2-2 (a) 为AB相同时通电的情况，图2-2 (b) 为BC相通电的情况。

(a) AB相通电 (b) BC相通电

图2-2 三相双三拍运行方式

2.1.3三相六拍通电方式

这是一种将一相通电和两相通电结合起来的运行方式，其具体通电方式为：A-AB-B-BC-C-CA-A 或A–AC-CB-B-BA-A，即一相通电和两相通电间隔轮流进行，六种不同的通电状态组成一个循环，这时步进电机的工作情况如图2-3所示：

(a) A相通电 (b) AB相通电

图2-3 A相通电三相六拍运行方式

图2-3(a)为A相通电时的情况，转子齿1、3磁轴与A相磁极轴线重合，当通电状态由A转为AB时，步进电机的状态如图2-3(b) 所示，转子齿1、3磁极离开A相磁极轴线，即转子逆时针转过15°。