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武汉工程大学电气信息学院课程设计I摘要：步进电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、快速启停、正反转控制等。本设计的硬件电路包括最小系统、驱动电路、按键控制电路、状态显示电路四大部分。最小系统是为了使单片机正常工作，包括晶振电路和复位电路。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动按键控制电路由开关和按键组成，由操作者根据工作需要进行相应的操作。状态显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。关键词：步进电机；启停；正反转；调速Abstract：Steppermotoristheelectricpulsesignalcontrol,electricalpulsesignalwillbeconvertedintothecorrespondingangulardisplacementorlinedisplacementofthemicromotor,itsmostprominentadvantageiscaninabroadfrequencyrangebychangingthepulsefrequencytoachievethespeed,quickstartandstop,positivecontrol.Thedesignofthehardwarecircuitincludesfourparts:theminimumsystem,drivecircuit,controlcircuitandastatusdisplaycircuit.Minimumsystemistomakethecomputerwork,includingcrystalcircuitandresetcircuit.DrivecircuitismainlytoSCMpulsepoweramplifier,therebydrivingmotortorotatethekeycontrolcircuitbyswitchesandkeys.theoperatorcanoperatetheseswitchesandkeysaccordingtotheneedsofthework.Statusdisplaycircuitismainlyinordertodisplaytheworkingstatusofthemotorandthespeed.Keywords:Steppermotor；Start/stop；Positiveinversion；timing武汉工程大学电气信息学院课程设计-1-第一章绪论1.1课题研究的背景和意义步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为Stepmontor或Steppingmotor,Pulsemontor,Stepper等等。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机。从广义上讲，步进电机是一种脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电机。步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原如模型起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换中广泛使用了步进电机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电机在众多领域的应用。在近30年间，步进电机迅速地发燕并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机、以及同步电机并列，从而成为电机的一种基本类型。我国步进电机的研究及制造起始于本世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个·较高水平。70年代中期至80年年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。自80年代中期以来，由于对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利用。随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。直流电机广泛应用于计算机外围设备(如硬盘、软盘和光盘存储器)、家电产品、医疗器械和电动车上,无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢,并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。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。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，因此在机械、钢铁、化工等多个行业都有着重要作用，有效的电机控制，提高其运行性能有着十分重要的现实意义。因此，搭建基于Proteus的步进电机控制系统仿真平台，对步进电机控制系统作分块研究，给出丰富的实验观察接口，较好的分析研究步进电机控制系统中存在的问题，武汉工程大学电气信息学院课程设计-2-能武汉工程大学电气信息学院课程设计-2-够有效的提高其运行性能，对电机控制系统的修改和完善都起到重要作用。搭建基于proteus的步进电机控制系统硬件仿真平台，对步进电机控制系统作分块仿真研究，给出了丰富的实验观察接口，仿真验证了大部分程序模块运行效果，为实际硬件实验平台的搭建奠定基础。采用基于proteus步进电机控制运动仿真，不仅能真实的反映实际控制效果，也能很好的节约设计时间和成本，为科研开发过程提供有效的实践理论依据。1.2课程设计任务及要求任务：1.查阅资料，了解步进电动机的工作原理；2.通过单片机给步数控制电机的转动；3.通过按钮可控制启停及正反转；4.创新功能:顺时针加速旋转，顺时针减速旋转，逆时针加速旋转和逆时针减速旋转，喇叭提示音。要求：进行步进电机控制系统硬件电路设计，画出电路原理图、元器件布线图、实验电路图；绘制程序流程图，进行步进电机控制程序设计（采用C语言）。1.3软硬件运行环境及开发工具硬件：keilc和protues软件、PC机一台开发语言：C语言武汉工程大学电气信息学院课程设计-3-第二章步进电机简介2.1步进电机的结构原理步进电机本质上是一个数字角度转换器。以三相电机为例,其结构原理见图1。各相夹角为120°的定子磁极上均匀分布了5个矩形小齿,没有绕组的转子圆周上也均匀的分布着40个小齿（相邻齿夹角为9°）。利用电磁学的性质,在某相绕组通电时,相应的磁极产生磁场,与转子形成磁路如此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐,则在磁场作用下,转子就转动一定角度,达到齿的对齐。在单三拍控制方式下,若A相通电,B、C相不通电,在磁场作用下使转子齿和A相定子齿相对假设此时为初态并且令与A相中心对齐的转子齿为0号齿,因为B相与A相相差120°，可知120°/9°=133⁄9,不为整数,即此时转子齿与B相不对齐,只是13号齿靠近相的中心,且相差3°。如果此时突然变为B相通电,而A、C相都不通电,那么,13号齿会在磁场的作用下转到与相中心对齐的位置,这就是常说的走一步,此时,转子转了。这样,按照A一B一C一A顺序通电次,可以使转子转动9°。那么步进电机的步距角Q=(360/NZ)°（式中N=MC为运行拍数；M为控制绕组相数；C为状态系数,单三拍或双三拍时C=1,单六拍或双六拍时C=2为转子齿数）。2.2步进电机的特征及参数步进电机的特征如下：1、一般步进电机的精度为步进角的3%-5%，且不积累。2、步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于武汉工程大学电气信息学院课程设计-4-失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减少，从而导致力矩下降。4、步进电机低速时可以正常转动，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机的参数：（一）步进电机的静态指标术语1、相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。2、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.3、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。4、定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）5、静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。（二）步进电机动态指标及术语：1、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。2、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步3、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩武汉工程大学电气信息学院课程设计-5-频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。7、电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。8、电机正反转控制：当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，