步进电机控制系统课程设计

自动控制原理课程设计说明书步进电机控制系统（一）院系航空航天工程学部（院）专业探测制导与控制技术班号探测1301学号2013040307027姓名李天竺指导教师刘昕沈阳航空航天大学2016年07月沈阳航空航天大学课程设计说明书摘要摘要本课程设计主要研究了基于AT89C52单片机和ULN2003驱动芯片的步进电机控制及驱动电路的设计。该系统可分为控制模块，驱动模块，显示模块，单片机最小系统四大部分。其中采用AT89C52单片机作为控制模块的核心，利用单片机编程实现了对步进电机启动停止，正转，反转，减速加速等功能的基本控制。驱动模块由芯片ULN2003对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动；显示部分由4段LED共阴数码管组成，主要是显示电动机的工作状态和转速；单片机最小系统由时钟电路和复位电路组成，保证单片机正常运行。通过实际测试表明本设计系统的性能优于传统步进电动机。具有结构简单，可靠性高，实用性强，简单方便，性价比高等特点。此外本文还介绍的了步进电机的基本原理及AT89C52单片机的性能特点。关键词步进电机ULN2003AT89C52沈阳航空航天大学课程设计说明书目录I目录第1章引言................................................................................................................11.1设计背景...............................................................................................................11.2步进电机及其发展................................................................................................11.3研究的内容............................................................................................................3第2章总体方案论证与设计......................................................................................42.1步进电机原理及控制技术................................................................................42.2方案论证............................................................................................................72.3总体硬件组成框图............................................................................................82.4元器件介绍........................................................................................................82.4.2AT89C52单片机...............................................................................................10第3章系统硬件设计................................................................................................143.1硬件设计..............................................................................................................143.2软件设计.............................................................................................................16第四章电路调试........................................................................................................18总结................................................................................................................................20参考文献........................................................................................................................21附录1程序....................................................................................................................22附录2整体结构图........................................................................................................29附录3元器件清单...........................................................................错误!未定义书签。沈阳航空航天大学课程设计说明书第1章引言1第1章引言1.1设计背景单片机是现代电子技术、计算机技术的新兴领域，以单片机为代表的嵌入式系统的出现标志着现代电子系统时代的到来。采用嵌入式系统集成器件，将电子系统的设计从单纯的硬件设计变为智能化的硬、软件设计，从而使现代电子系统软硬结合，具有智能化、系统功能，具有柔韧性及激励-运行-响应等特点。目前，单片机的价格己很低廉，这使得单片机的应用更为广泛，因此就有可能比较普遍地应用微机来控制各类电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制，例如在适当的时刻让小型电动机起动、制动或反转之类，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电动机的动作。至于复杂的控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。例如传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电动机的调速性能很好，但带有机械换向器。有机械磨损及换向火花等问题，交流电动机，不论是异步电动机还是同步电动机，结构都比直流电动机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而又经济地调节。交流电机采用正弦脉宽调制方式进行变频调速是比较理想的，但若要用普通的模拟电路或数电路完成这一任务，电路相当复杂，用微机控制就简单多了。若要进一步提高调速精度及动态性能，可采用矢量控制方案，它的调速性能将与直流电动机相当。但矢量控制比较复杂，用传统的模拟电路或数电路很难做到，而应用微机控制则能方便地实现。1.2步进电机及其发展沈阳航空航天大学课程设计说明书第1章引言2步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为Steomtor或Steppingmotor，Pulsemotor，Stepperservo，Stepper等等。目前，随着电子技术拉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。这是机电一体化元件组件的必然趋势。就传统的步进电机来说，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里而静止的电动机。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基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氮弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。不久又在缺乏交流电源的船泊和飞机等独立系统中广泛应用。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，步进电机迅速地发展并成熟起来，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。传统的步进电机一般可分为永磁式步进电机(PMStepMotor)，反应式步进电机(VRStepMotor)和混合式步进电机(HybridStepMotor)三种。永磁式步进电机类似于永磁转子的同步电机，转子上安装有永磁体，但定子一般为集中式绕组。反应式步进电机靠变磁阻原理运行，没有永磁体。混合式步进电机最初是作为一种低速驱动用的交流同步电机而设计的，后来发现如果各相绕组通以直流脉冲，这种电机也能步进运动。它的转子嵌有轴向充磁磁钢，主要依靠定转子磁场相互作用产生转矩，由于它特殊的结构，它的步距角远小于永磁式步进电机，也可看成是一种极对数很多的永磁式转子同步电机。我国步进电机的研究及制造始于本世纪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沈阳航空航天大学课程设计说明书第1章引言3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。自本世纪中叶，步进电机的应用渗进到数控制的各个领域，尤其在（数控）机械中广泛利用其开环拉制的特点。近十几年来，步进电机在FA机器(FactoryAutomation)和计算机外部设备等领域作为控制用电动机和驱动用电动机而广泛使用。1.3研究的内容本论文研究的是反应式步进电动机驱动控制系统，以AT89C52单片机为核心控制器，采用分频和频率选择控制电机速度，采用细分驱动控制方式，它可以驱动三相、四相反应式步进电动机。本设计内容主要是基于单片机的反应式步进电动机驱动控制系统硬件设计，包括控制部分硬件设计、驱动部分硬件设计、电源供电部分的设计和系统软件部分设计。沈阳航空航天大学课程设计说明书第2章总体方案论证与设计4第2章总体方案论证与设计2.1步进电机原理及控制技术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，典型步进电机控制系统如图2-1所示：图2-1步进电机运行过程中频率变化曲线控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以