【正文】 西南科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計計算說明書題 目：基于單片機(jī)的步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計專 業(yè)：機(jī)械制造與自動化姓 名：郭富仙指導(dǎo)教師：朱敏二零一二年十二月目錄第一章 緒論 5 課題研究的目的和意義 國內(nèi)外研究概況 論文的主要研究內(nèi)容第 二 章 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)簡介 6 步進(jìn)電機(jī)介紹 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)的分類與選擇 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)介紹 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)簡介 步進(jìn)電機(jī)繞組的電氣特性 單片機(jī)原理 AT89C51簡介第 三 章 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu) 19 系統(tǒng)整圖 電源部分 按鍵部分 驅(qū)動部分 狀態(tài)指示部分 時鐘部分第 4四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 24 系統(tǒng)開發(fā)軟硬件環(huán)境 系統(tǒng)主程序 查鍵部分 前進(jìn)部分 后退部分 加速部分 減速部分第 五 章 系統(tǒng)的調(diào)試與檢測 29 LM7812輸出電壓錯誤與解決方法 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動錯誤及解決方法 結(jié)論與展望參考文獻(xiàn) 30附 錄 31附錄1：源程序清單 簡介【摘要】：步進(jìn)電動機(jī)由于用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非常可行，因此在打印機(jī)等辦公自動化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。本文介紹的是一種基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計，用匯編語言編寫出電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止程序，通過單片機(jī)、電機(jī)的驅(qū)動芯片ULN2004以及相應(yīng)的按鍵實現(xiàn)以上功能，并且步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)要用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示出來。本文內(nèi)容介紹了步進(jìn)電機(jī)以及單片機(jī)原理、該系統(tǒng)的硬件電路、程序組成，同時對軟、硬件進(jìn)行了調(diào)試，同時介紹了調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題以及解決問題的方法。該設(shè)計具有思路明確、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點，通過調(diào)試實現(xiàn)了上述功能。【關(guān)鍵詞】：步進(jìn)電機(jī)；脈寬調(diào)制；驅(qū)動機(jī)構(gòu)；單片機(jī)；轉(zhuǎn)動序言步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。它是用電脈沖信號進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動機(jī)，它最突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚?，因此在打印機(jī)等辦公自動化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動機(jī)的需求量與日俱增，研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。本次畢業(yè)設(shè)計選用的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī)，通過軟件和硬件的結(jié)合實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速功能，并且步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài)用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示。主要通過三大塊來設(shè)計，包括驅(qū)動電路的設(shè)計、狀態(tài)顯示部分和按鍵部分是設(shè)計?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而精確地控制轉(zhuǎn)動角度；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 本次論文分為六章，序言簡要介紹了此次設(shè)計中有關(guān)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器的相關(guān)概念。第1章是緒論，主要探討了步進(jìn)電機(jī)的研究背景和本論文的主要研究內(nèi)容；第2章步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的原理；第3章系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)；第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計；第5章系統(tǒng)的調(diào)試與檢測；最后是參考文獻(xiàn)、附錄。通過幾章內(nèi)容的描述，詳細(xì)介紹了本次畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容、方法、以及設(shè)計中遇到的問題和解決問題的途徑。第一章 緒論 課題研究的目的和意義步進(jìn)電動機(jī)是用電脈沖信號進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動機(jī)，它最突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚校虼嗽诖蛴C(jī)等辦公自動化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動機(jī)的需求量與日俱增，研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。 國內(nèi)外研究概況 步進(jìn)電機(jī)是國外發(fā)明的。中國在文化大革命中已經(jīng)生產(chǎn)和應(yīng)用，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川都生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，驅(qū)動電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國產(chǎn)化的，當(dāng)時是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運(yùn)算電路，還有電容耦合輸入的計數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。國外在大功率的工業(yè)設(shè)備驅(qū)動上，目前基本不使用大扭矩步進(jìn)電動機(jī)，因為從驅(qū)動電路的成本，效率，噪音，加速度，絕對速度，系統(tǒng)慣量與最大扭矩比來比較，比較不劃算，還是用直流電動機(jī)，加電動機(jī)編碼器整體技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高。一些少數(shù)高級的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機(jī)，交流電機(jī)。國外在小功率的場合，還使用步進(jìn)電機(jī)，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，打印機(jī)，復(fù)印件，速印機(jī)，銀行自動柜員機(jī)。國外用許多現(xiàn)代的手段將步進(jìn)電機(jī)排擠出驅(qū)動應(yīng)用，除了前面提到的旋轉(zhuǎn)編碼器，打印機(jī)還使用光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動機(jī)，實現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制。國內(nèi)過去是用大力矩步進(jìn)電動機(jī)實現(xiàn)機(jī)床數(shù)控，有實力的公司現(xiàn)在也采用交流電動機(jī)驅(qū)動數(shù)控機(jī)床，在驅(qū)動設(shè)備的主要差距，是國外對交流電動機(jī)的控制理論與工程分析和應(yīng)用能力強(qiáng)，先進(jìn)的控制理論作為軟件，寫在控制器內(nèi)部?？偟膩碚f，步進(jìn)電機(jī)是一種簡易的開環(huán)控制，對運(yùn)用者的要求低，不適合在大功率的場合使用。在衛(wèi)星、雷達(dá)等應(yīng)用場合，中國在文化大革命后期，就生產(chǎn)了力矩電機(jī)，就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機(jī)，在高品質(zhì)的控制場合，有時還不能使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，在改革開放初期，國內(nèi)就已經(jīng)基本掌握，這與交流電動機(jī)的矢量控制相比，難度要低得多。 論文的主要研究內(nèi)容本論文所選的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī)，采用的方法是利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本次畢業(yè)設(shè)計就是通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度的，并且通過數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級別。另外通過單片機(jī)實現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。第二章 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)簡介 步進(jìn)電機(jī)介紹 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)： （一）步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語相數(shù)：產(chǎn)生不同對N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ABBCCDDAAB，四相八拍運(yùn)行方