【正文】 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 題 目：基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：專(zhuān) 業(yè)：自動(dòng)化班 級(jí)：自動(dòng)化093班指導(dǎo)教師： 基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)摘要步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，它能按照控制脈沖的要求，迅速起動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。具有步距角精度高，停止時(shí)能自鎖等特點(diǎn)，因此步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，特別是在開(kāi)環(huán)的控制系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。本文以單片機(jī)和環(huán)形脈沖分配器為核心設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)能根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)加減速控制，使控制系統(tǒng)以最短的時(shí)間到達(dá)控制終點(diǎn)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象；同時(shí)它能準(zhǔn)確地控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，啟動(dòng)和停止。硬件是以AT89C51單片機(jī)為核心的控制電路，主要包括：環(huán)形脈沖分配器、鍵盤(pán)顯示電路、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路等。軟件部分采用C語(yǔ)言編程，主要包括鍵盤(pán)顯示程序、步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速程序、停止判斷程序等。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)；調(diào)速；單片機(jī)Based on AT89C51 Singlechip ComputerStepping Motor Control SystemAbstractStepping motor is a kind of digital control system ponents. It can achieve quick startup, positive inversion, stopping and speed control, according to the control pulse. It has high precision step angle, and can be selflocking when it keeps still. As these characteristics, stepping motor in automatic control system, especially in the open loop control system has been widely applied.This article mainly focuses on taking Singlechip Computer and cycle pulse distributor as the core, and designing the stepping motor control system. Through the design of the software and hardware debugging, it realizes controlling the step motor’s acceleration and deceleration automatically, according to parameter setting. Making the system arrive the end point with the shortest time, but not occur outing of step. Besides it can accurately achieve startup, positive inversion and shutdown. Hardware takes AT89C51 as the core of control circuit, mainly including: cycle pulse distributor, keyboard and display circuit, stepping motor driving circuit, etc. Software part adopts the C language programming, mainly including keyboard and display program, stepping motor speed control program, stop judging program, etc.Key words: Stepping motor control system。 speed control。 Singlechip Computer目錄摘要 IAbstract II第一章 引言 1 課題提出的背景和研究意義 1 課題的主要研究?jī)?nèi)容 2 本章小結(jié) 2第二章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 步進(jìn)電機(jī)的原理 3 三相單三拍通電方式 3 三相雙三拍通電方式 5 三相六拍通電方式 6 環(huán)形脈沖分配器 8 續(xù)流電路 12 二極管續(xù)流 13 二極管—電阻續(xù)流 14 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 15 步進(jìn)電機(jī)的變速控制 17 變速控制的方法 19 步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)生產(chǎn)線中的應(yīng)用 20 本章小結(jié) 22第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 23 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 23 控制系統(tǒng)組成 23 主要元件的選擇 24 單片機(jī)的選擇 24 EPROM的選擇 25 可逆計(jì)數(shù)器的選擇 27 控制系統(tǒng)接口電路的設(shè)計(jì) 27 環(huán)形脈沖分配器設(shè)計(jì) 27 顯示電路設(shè)計(jì) 29 外部復(fù)位電路設(shè)計(jì) 30 控制系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì) 31 本章小結(jié) 31第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 32 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 32 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 32 主程序設(shè)計(jì) 33 主程序工作過(guò)程 33 主程序工作流程圖 34 定時(shí)器T0中斷程序流程圖 34 Proteus仿真 37 顯示程序設(shè)計(jì) 39 鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì) 39 調(diào)速程序設(shè)計(jì) 41 20BY步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 41 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系 41 本章小結(jié) 42第五章 結(jié)束語(yǔ) 43參考文獻(xiàn) 44附錄 46附錄A 系統(tǒng)程序（C） 46附錄B 20BY步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時(shí)器定時(shí)常數(shù)關(guān)系表 59附錄C 控制系統(tǒng)電路圖 62致謝 63第一章 引言 課題提出的背景和研究意義由于步進(jìn)電機(jī)不需要位置傳感器或速度傳感器就可以實(shí)現(xiàn)定位，即使在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下它的控制效果也是令人非常滿(mǎn)意的，這有利于裝置或設(shè)備的小型化和低成本，因此步進(jìn)電機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)而言，總希望它能以最短的時(shí)間到達(dá)控制終點(diǎn)。因此要求步進(jìn)電機(jī)的速度盡可能地快，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。此外，一般步進(jìn)電機(jī)對(duì)空載最高啟動(dòng)頻率都是有所限制的。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，它的啟動(dòng)頻率要低于最高空載啟動(dòng)頻率。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性可知，啟動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，帶負(fù)載的能力越差。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作頻率又遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。由此可見(jiàn)，一個(gè)靜止的步進(jìn)電機(jī)不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)加速的過(guò)程。從高速運(yùn)行到停止也應(yīng)該有一個(gè)減速的過(guò)程，防止步進(jìn)電機(jī)因?yàn)橄到y(tǒng)慣性的原因，而發(fā)生沖過(guò)終點(diǎn)的現(xiàn)象。為此本文以單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)加減速控制，使系統(tǒng)以最短的時(shí)間到達(dá)控制終點(diǎn)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出的脈沖頻率【1】。由于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響小，方向和轉(zhuǎn)角控制簡(jiǎn)單，并且步進(jìn)電機(jī)能直接接收數(shù)字量的控制，非常適合采用微機(jī)進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，失步或者過(guò)沖都會(huì)直接影響其控制精度。研究步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，可以提高步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)速度、平穩(wěn)性和定位精度等性能，從而決定了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能。 課題的主要研究?jī)?nèi)容步進(jìn)電機(jī)的工作原理通過(guò)查閱文獻(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的單拍運(yùn)行、雙拍運(yùn)行、單雙拍運(yùn)行等各種運(yùn)行方式進(jìn)行研究，深入了解各種運(yùn)行方式的特點(diǎn)和對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制性能的影響。環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計(jì)研究環(huán)形脈沖分配器的作用和構(gòu)成，并設(shè)計(jì)出可靠、靈活的環(huán)形脈沖分配器電路。步進(jìn)電機(jī)的續(xù)流電路根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的控制特點(diǎn)，分析續(xù)流電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制性能的影響，并設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的續(xù)流電路。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的原理和控制特點(diǎn)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。程序的調(diào)試及修改用Keil軟件進(jìn)行編程和調(diào)試，并且在Proteus環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)仿真。 本章小結(jié)本章首先介紹了課題研究的背景，提出設(shè)計(jì)的思路。其次介紹了課題研究的目的和意義，最后介紹了課題的主要研究?jī)?nèi)容。第二章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的原理反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理是與反應(yīng)式同步電機(jī)一樣，也是利用轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)， 所示是一臺(tái)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理，定子鐵心為凸極式，共有三相，六個(gè)磁極，不帶小齒，磁極上裝有控制繞組，相對(duì)的兩個(gè)磁極串聯(lián)連接，組成一相控制繞組。轉(zhuǎn)子用軟磁材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，只有兩個(gè)齒，齒寬等于定子的極靴寬【2】。 三相單三拍通電方式這是步進(jìn)電機(jī)的一種最簡(jiǎn)單的工作方式，所謂“三相”，即三相步進(jìn)電機(jī)，具有三相定子繞組；“單”指每次只有一相繞組通電；“三拍”指三次換接為一個(gè)循環(huán)，第四次換接重復(fù)第一次情況。 (a) 所示，而B(niǎo)相和C相不通電時(shí)，A相的兩個(gè)磁極被勵(lì)磁，一個(gè)呈N極另一個(gè)呈S極，由于磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心的電磁吸力，使轉(zhuǎn)子軸線對(duì)準(zhǔn)A相磁極的軸線。這種現(xiàn)象也可以這樣來(lái)理解，A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子對(duì)定子的相對(duì)位置不同，則磁路的磁阻也不同，使A相磁路的磁阻為最少的轉(zhuǎn)子位置，就是該時(shí)的穩(wěn)定平衡位置，即轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子軸線和A相磁極軸線相重合的位置。同樣道理，當(dāng)A相斷開(kāi)，接通B相時(shí)， (b) 所示，B相磁極對(duì)轉(zhuǎn)子的電磁力將使轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)60176。，達(dá)到轉(zhuǎn)子軸線和B相磁極軸線相重合的位置，即轉(zhuǎn)子走過(guò)一步，然后B相電源斷開(kāi)， (c) 所示，同理將使轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蛟僮咭徊健Ｈ绱税碅BCA的順序使三相繞組輪流通電，則轉(zhuǎn)子依順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)。如果改變?nèi)嗬@組的通電順序?yàn)锳CBA顯然步進(jìn)電機(jī)將按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。上述三相三拍運(yùn)行，表示三種通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)，即三次通電狀態(tài)改變后，又恢復(fù)到起始狀態(tài)，一拍對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為步距角，通常用θs表示，176。（a）A相通電 （b）B相通電 （c）C相通電 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理如果將上圖的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子制成四極（或稱(chēng)為四個(gè)齒）結(jié)構(gòu)，則按三相單三拍運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的步距角也將發(fā)生變化。 (a)所示，轉(zhuǎn)子齒3對(duì)準(zhǔn)A相磁極軸線重合， (b)所示，轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)30176。，穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子齒4對(duì)準(zhǔn)B相磁極軸線的位置， (c)所示，轉(zhuǎn)子又將逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)30176。，轉(zhuǎn)子齒3對(duì)準(zhǔn)C相磁極軸線的位置，由此可見(jiàn)，每通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度為30176。即每步轉(zhuǎn)過(guò)的步距角為30176。 (a) A相通電 (b) B相通電 (c) C相通電 轉(zhuǎn)子為四極的三相步進(jìn)電機(jī) 三相雙三拍通電方式如果將步進(jìn)電機(jī)的控制繞組的通電方式改為：ABBCCAAB或ACCBBCCA。這種通電方式每拍同時(shí)有兩相繞組通電，三拍為一循環(huán)，轉(zhuǎn)子為四極的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 (a) 為AB相同時(shí)通電的情況， (b) 為BC相通電的情況，可見(jiàn)轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度為30176。與單三拍運(yùn)行方式相同，但其中有一點(diǎn)不同，即在雙三拍運(yùn)行時(shí)，每拍使步進(jìn)電機(jī)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)狀態(tài)時(shí)，總有一相繞組保持通電。例如由AB相通電變?yōu)锽C相通電時(shí)，B相保持繼續(xù)通電狀態(tài)，C相磁極力圖使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而B(niǎo)相磁極卻起阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以步進(jìn)電機(jī)工作比較平穩(wěn)，三相單三拍運(yùn)行時(shí)，由于沒(méi)有這種阻尼用，所以轉(zhuǎn)子到達(dá)新的平衡位置后會(huì)產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性能遠(yuǎn)不如雙三拍運(yùn)行方式。(a) AB相通電 (b) BC相通電 三相雙三拍運(yùn)行方式 三相六拍通電方式這是一種將一相通電和兩相通電結(jié)合起來(lái)的運(yùn)行方式，其具體通電方式為：AABBBCCCAA 或A–ACCBBBAA，即一相通電和兩相通電間隔輪流進(jìn)行，六種不同的通電狀態(tài)組成一個(gè)循環(huán)， 所示，(a)為A相通電時(shí)的情況，轉(zhuǎn)子齒3磁軸與A相磁極軸線重合，當(dāng)通電狀態(tài)由A轉(zhuǎn)為AB時(shí)，(b) 所示，轉(zhuǎn)子齒3磁極離開(kāi)A相磁極軸線，即轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15176。通電方式由AB轉(zhuǎn)為B時(shí)，(c) 所示，轉(zhuǎn)子齒4磁極軸線和B相磁極軸線相重合，或轉(zhuǎn)子齒3磁極軸線離開(kāi)A相磁極軸線30176。角，即轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行了一步，相應(yīng)的角度為15176。如此類(lèi)推，可見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)每走一步，將轉(zhuǎn)過(guò)15176。，恰好為三相單拍或雙三拍通電方式的一半。六拍運(yùn)行方式與雙三拍相同，由一個(gè)通電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪煌姞顟B(tài)時(shí)，也總有一相繼續(xù)保持通電，同樣具有電磁阻尼作用，工作也比較平穩(wěn)。(a) A相通電 (b) AB相通電(c) B相通電 (d) BC相通電 三相六拍通電方式通過(guò)分析可知一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)可以有不同的通電方式，即可以有不同的拍數(shù)。拍數(shù)不同時(shí)，其對(duì)應(yīng)的步距角大小也不同，拍數(shù)多則步距角小。通電相數(shù)不同也會(huì)帶來(lái)不同的工作性能。此外，也可以看到同一種通電方式，對(duì)于轉(zhuǎn)子磁極數(shù)不同的步進(jìn)電機(jī)，也會(huì)有不同的步距角。步距角θs可由式(11)求得【3】θs=360176。/mKZR (11)式中 m — 控制繞組相數(shù)；ZR — 轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K —與通電方式有關(guān)的狀態(tài)系數(shù)，當(dāng)通電方式為單拍，即拍數(shù)與相數(shù)相同，K=1；為雙拍時(shí)，即拍數(shù)為相數(shù)的兩倍時(shí)，K=2。 環(huán)形脈沖分配器要使步進(jìn)電機(jī)正