【正文】 單片機（ singlechip microputer）是把微型計算機主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計算機。因為步進電機轉(zhuǎn)矩的大小與繞組的電流成正比，所以電機低速運行時，電機能夠達到其額定轉(zhuǎn)矩，而在某一特定頻率以上運行時，繞組電流隨著頻率的提高逐漸下降，電機轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)逐漸減小，從而降低了高速運轉(zhuǎn)時帶負載能力。在 t=0 時刻，電壓 V 施加到該電路上時，電路中的電流變化規(guī)律為 : I(t)=V(1eRt/L)/R 通電瞬間繞組電流上升速率為 : di(0)/dt=V/t 經(jīng)過一段時 間，電流達到最大值 : Imax=V/R L/R 定義為該電路的時間常數(shù)，是電路中的電流達到最大電流 Imax的 63%所需要的時間。繞 組通電時，電感使繞組電流上升速度受到限制，因此影響電機繞組電流的大小。控制電路輸出的信號功率很低，不能提供步進電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅(qū)動器的功率驅(qū)動部分。步進電機轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低。n/60 P=2πnM/60 其 P為功率單位為瓦， Ω 為每秒角速度，單位為弧度， n為每分鐘轉(zhuǎn)速， M為力矩單位為牛頓 一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負載的 23倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸） 。 靜力矩的選擇 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 度。 永磁式步進電機轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。依次類推， A、 B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著 A、 B、 C、 D方向轉(zhuǎn)動。圖 1是該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖。 步進電機的工作原理 步進電機的工作就是步進轉(zhuǎn)動，其功用是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或是直線位移，就是給一個脈沖信號，電動機轉(zhuǎn)動一個角度或是前進一步。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。 當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。 步進電機的特征如下 ： 一般步進電機的精度為步進角的 3%5%，且不積累。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。稱之為失步 失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。 （二） 步進電機動態(tài)指標及術(shù)語： 步距角精度： 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。四拍運行時步距角為θ=360 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運行時步距角為 θ=360 度 /（ 50*8） =度（俗稱半步）。 步進電機的基本參數(shù)： （一） 步進電機的靜態(tài)指標術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對 N、 S磁場的激磁線圈對數(shù)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。另外通過單片機實現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn)， 步進電機可以作為一種控制用的特種電機，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。 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。 總的來說，步進電機是一種簡易的開環(huán)控制，對運用者的要求低，不適合在大功率的場 第 6 頁 共 40 頁 合使用。一些少數(shù)高級的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機，交流電機。 隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機的需求量與日俱增， 研制步進電機驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有 十分 重要的意義。 本次論文分為六章，序言簡要介紹了此次設(shè)計中有關(guān)步進電機及其驅(qū)動器的相關(guān)概念。 隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機的需求量與日俱增， 研制步進電機驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有 十分 重要的意義。30 附錄 2：解釋 26 結(jié)論與展望 24 減速部分 22 后退部分 21 查鍵部分 19 狀態(tài)指示部分 18 按鍵部分 17 系統(tǒng)整圖 12 AT89C51 簡介 11 單片機的應(yīng)用系統(tǒng) 9 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)簡介 2 課題研究的目的和意義 關(guān)鍵詞： 步進電機；脈寬調(diào)制；驅(qū)動機構(gòu)；單片機；轉(zhuǎn)動 第 2 頁 共 40 頁 目錄 序言 第 1 頁 共 40 頁 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要： 步進電動機由于用其組成的開環(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。該設(shè)計具有思路 明確 、可靠性高、穩(wěn)定性強等特點，通過調(diào)試實現(xiàn)了上述功能。1 第 1 章 緒論 4 步進電機概述 6 步進電機的分類與選擇 9 步進電機繞組的電氣特性 20 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 26 LM7812 輸出電壓錯誤與解決方法 26 步進電機轉(zhuǎn)動錯誤及解決方法 27 參考文獻 它是用電脈沖信號進行控制，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，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?？?行 ，因此在 打印機等辦公自動化設(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?？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轉(zhuǎn)動的角度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 第 5 頁 共 40 頁 第 1 章 緒論 課題研究的目的和意義 步進電動機是用電脈沖信號進行控制，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，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，又非常可 行 ，因此在 打印機等辦公自動化設(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。 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電動機，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，加電動機編碼器整體技術(shù)和經(jīng)濟指標高。 國內(nèi)過去是用大力矩步進電動機實現(xiàn)機床數(shù)控，有實力的公司現(xiàn)在也采用交流電動機驅(qū)動數(shù)控機床，在驅(qū)動設(shè)備的主要差距，是國外對交流電動機的控制理論與工程分析和應(yīng)用能力強，先進的控制理論作為軟件，寫在控制器內(nèi)部。 論文的主要研究內(nèi)容 本論文所選的步進電機是四相步進電機，采用的方法是利用單片機控制步進電機的驅(qū)動。 本次畢業(yè)設(shè)計就是通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進電機的速度的，并且通過數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級別。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。 本次畢 業(yè)設(shè)計采用的是步距角為 度的四相八拍永磁式步進電機。 θ=360 度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) *運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相 ，轉(zhuǎn)子齒為 50齒電機為例。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不 可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。 失步： 電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。 運行矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。 電機正反轉(zhuǎn)控制： 當(dāng) 電 機 繞 組 通 電 時 序 為 AABBBCCCDDDA 時 為 正 轉(zhuǎn) ， 通 電 時 序 為 第 9 頁 共 40 頁 DADCDCBCBABA 時為反轉(zhuǎn)。 步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。伴隨著不同數(shù)字化 技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。只要對 步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。而 0、 3 號齒和 A、 B相繞組產(chǎn)生錯齒， 5號齒就和 A、 D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子 上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 ， 但動態(tài)性能相對較差。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。 步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。目前市場上步進電機的步距角一般有 度 / 度（五相電機）、 度 / 度（二、四相電機）、 度 /3 度 （三相電機）等。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。M Ω=2π步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個步距角，即步進一步。步進電機驅(qū)動器一旦接收到來自控制 器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機通電方式產(chǎn)生步進電機各相勵磁繞組導(dǎo)通或截止信號。 第 13 頁 共 40 頁 步進電機繞組的電氣特性 步進電機各相繞組都是在鐵心上的銅線圈，電阻和電感是電機相繞組的兩個固有屬性，電機的性能和這兩個因素密切相關(guān)。圖 23 表明了一個電感一電阻電路的電氣特性。當(dāng)矩形波頻率上升達到某一臨界頻率，電流剛達到最大值就開始下降((b):矩形波頻率超過此臨 界值后，繞組中的電流不能達到最大值 (c)?；蛘咴陔娐分写?lián)電阻，使 L/R 減少 。 圖 25典型單片機結(jié)構(gòu)圖 單片機的應(yīng)用系統(tǒng) 單 片機在進行實時控制和實時數(shù)據(jù)處理時，需要與外界交換信息。 圖 26 單片機的應(yīng)用系統(tǒng) 單片機應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)