【毕业设计】步进电机的控制系统设计

感应子式步进电机般分为两相和五相两相步进角般为度而五相步进角般为度。

这种步进电机的应用最为广泛，也是本次驱动方案所选用的步进电机。

步进电机的工作原理步进电机是种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械电机电子及计算机等许多专业知识。

步进电机作为执行元件，是机电体化的关键产品之，广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

在这三种类型的步进电机中，反应式步进电机内部结构及工作原理比较简单，下面以反应式步进电机为例简要介绍其内部构成和其工作原理。

反应式步进电机又称磁阻式步进电机，其典型结构如图所示图四相反应式步进电机的结构从图中可以看出，它分成转子和定子两部分。

定子是由硅钢片叠成的。

定子上有个磁极大极，每个相对的磁极极组成对，共有对。

每对磁极都缠有同绕组，也即形成相，这样对磁极有个绕组，形成四相。

我们把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称为错齿。

错齿的存在是步进电动机能够旋转的前提条件。

所以。

在步进电动的结构中必须保证有错齿存在也就是说，当相处于对齿状态时，其他相必然处于错齿状态。

如果给处于错齿状态的相通电则转子在电磁力的作躺下，将向磁导率最大或磁阻最小的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。

步进电动机就是基于这原理转动的。

每个磁极的内表面部分布着多个小齿，它们大小相同，间距相同。

转子是由软磁材料叠片铁心构成，转子上没有绕组，沿周围有佷多小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同，形状相似，而且转子的齿数有定的限制。

如上图中转子齿数为个，定子每个磁极上小齿数为个。

由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，它们的齿距角都可以由下式来计算式中是转子的齿数如果转子的齿数为，则齿距角为度反应式步进电动机运动的动力来自于电磁力。

在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率或者最小磁阻的位置，共处于平衡状态。

对三相步进电动机来说，当相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置。

反应式步进电机的工作原理与反应式同步电动机样，也是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的，为了便于说清问题，先以个最简单的四相反应式步进电机为例。

图步进电机步进示意图该步进电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。

只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。

图是该四相反应式步进电机工作原理示意图开始时，开关接通电源，断开，相磁极和转子号齿对齐，同时，转子的号齿就和相绕组磁极产生错齿，号齿就和相绕组磁极产生错齿。

当开关接通电源，断开时，由于相绕组的磁力线和号齿之间磁力线的作用，使转子转动，号齿和相绕组的磁极对齐。

而号齿和相绕组产生错齿，号齿就和相绕组磁极产生错齿。

依次类推，四相绕组轮流供电，则转子会沿着方向转动。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍双四拍八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图所示单四拍双四拍单八拍图步进电机工作时序波形图以上讨论的是台最简单的四相反应式步进电机的工作原理。

但是这种步进电机每步所转过的角度即步距角是比较大的，它常常满足不了系统精度的要求，所以现在大多采用如图所示的转子齿数很多，定子磁极上带有小齿的结构，其步距角可以做得很小。

下面进步说明这种电机的工作原理。

设步进电机为四相四拍运行，即通电方式为当图中的相控制绕组通电时，产生了沿极轴线方向的磁通，由于磁通力图通过磁阻最小的路径，因而使转子受到反应转矩的作用而转动，直到转子齿轴线和定子磁极和上的齿轴线对齐为止。

因为转子共有个赤，每个齿距角度，定子个极距所占的齿数为，不是整数，因此当，极下的定转子齿轴线对齐时，相邻两对磁极和极下的齿和转子齿必然错开齿距角，即度，这时，各相磁极的定各种产品旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，它在现代社会所占的地位是如此的重要。

本次设计论文主要包括单片机技术概述步进电机技术概述。

介绍了这些基本的知识以后，便开始进行步进电机的控制电路设计。

论文比较全面的分析了步进电机运动的基本原理，符合实际当中控制步进电机的各项规则。

其启停控制转动速度可以通过按键输入，运用程序对这些数据进行处理，由单片机发出相应的控制信号，增加了控制的灵活性。

运用中断方式，使系统在运行时可随意改变步进电机的运行速度，做到实时控制。

本系统具有通用性，对于不同的步进电机，可以通过修改相应的电路及相关程序即可实现。

在几个月的学习和实践过程中，遇到了很多问题，也走了很多弯路。

但经过老师的指导和自己的探索，终于克服了在实际操作中出现的种种问题。

通过这样的学习，我有很大的收获，不仅在学识上进步不小，而且加强了我的操作能力和克服困难的决心和信心。

我会把毕业设计中学习到的知识和精神用到以后的学习和工作中，去实现自己理想和灿烂的人生。

致谢本次论文的完成是与老师同学朋友的关心指导和帮助分不开的。

在这四年的学习当中，我不但学到了大量的专业知识，在综合能力方面更是有了极大的提高，这归功于各位老师的辛勤工作和对我孜孜不倦的教诲。

本文的主要工作是在汪厚新汪老师悉心指导下完成的，无论是在理论学习阶段，还是在论文的资料查询研究和撰写的每个环节无不得到导师的悉心指导和帮助。

汪老师治学严谨，学识渊博，品德高尚，平易近人，在我学习期间不仅传授了做学问的秘诀，还传授了做人的准则，这些都将使我终身受益。

他对事业的执著追求诲人不倦的教师风范和对问题的独到见解，都给我留下深刻印象。

我愿借此机会向导师表示衷心的感谢，感谢文中引用过文献的所有作者们，感谢所有关心支持和帮助过我的老师和同学们，参考文献刘国永，陈杰平单片机控制步进电机系统设计安徽技术师范学院学报杨宁，胡学军单片机与控制技术北京航空航天大学出版社，何立军系列单片机应用技术北京人民邮电出版社，张毅坤，陈久善，裘雪红单片微型计算机原理及应用西安电子科技大学出版社，张凯单片机综合系统及其设计开发科学出版社，陈伟人系统单片机实用子程序集锦清华大学出版社，陈隆昌控制电机第三版西安电子科技大学出版社，程宪平机电传动与控制华中科技大学出版社，孟武胜，李亮微电机第卷第期西北工业大学自动化学院，张广溢，郭前岗电机学重庆大学出版社，陈伯时电力拖动自动控制系统机械工业出版社，附件控制系统图桌面褚金满晶振复位按纽启动停止加速减速附件源程序启动及停止标志最低转动速度最高转动速度流动速度计数控制电机输出的个值，初始是显示缓冲区起始转动速度送入计数器停转状态按键程序无键继续否则调用按键处理程序速度显示最低位放入中中位存入最高位存入关闭电机启动电机延时程序，按键处理中调用分析键的代码，位被按下，则该位为启动停止到了最大速度是，则减去，保证下次仍为该数值未到最小值返回获取键值的程序取反左移回存显示程序步进电机的控制系统设计作者姓名陆有龙专业名称电气工程及其自动化指导教师汪厚新讲师摘要步进电机是种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

整个系统采用模块化设计，结构简单，可靠，通过人机交互换接口可实现各功能设置，操作简单，易于掌握。

该系统可应用于步进电机在机电体化控制等大多数场合。

本论文着重阐述了以单片机为主体，以步进电机为核心的自动控制系统，与光电耦合器功率放大驱动相结合，充分发挥了单片机的性能。

其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有定的使用和参考价值。

本次设计的任务是设计个基于单片机的步进电机控制电路。

我们采用单片机汇编语言对核心电路进行设计，由按键处理程序，速度显示程序，步进电机驱动程序和主程序四个模块组成。

通过使用单片机的中断调用处理的方式，实现了本设计思想的所有功能。

关键词单片机步进电机加减速控制，目录摘要目录前言步进电机技术简介步进电机概况步进电机的分类步进电机的工作原理步进电机的些基本参数电机固有步矩角步进电机的相数保持转矩步进电机的基本特点，步进电机优缺点单片机技术介绍单片机技术的发展与应用单片机系统概述单片机的历史及发展单片机技术的应用单片机的工作过程单片机的结构单片机基本知识控制电路设计设计要求和设计思路设计任务设计原理硬件电路设计步进电机部分的设计按键显示电路的设计单片机电路的设计隔离放大部分的设计电源提供及选择软件程序设计设计分析程序实现程序分析总结致谢参考文献附件控制系统图附件源程序前言目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理等等。

而在现代工业中，特别是航空导弹无线电等工业中，要求加工的机械零件形状复杂，数量多，精度高，利用人工操作不仅劳动强度大，生产效率底，而且难以达到所要求的精度，为了缩短生产周期，提高生产效率，可用程序控制机床加工，步进电机就是数控机床的关键元件，因此在这里我们采用单片机来控制步进电机，更好的满足了现代工业的要求。

因为步进电机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速能够快速启动反转和制动，它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制。

尤其是近几年，数字技术和电子计算机的迅速发展为步进电机的应用开辟了广