【毕业论文】基于单片机步进电机控制器设计论文6554321word文档（44页）

在磁场作用下，转子将转动定角度，使转子齿与定子齿对其，从而使步进电机向前走步。

转子角位移大小及转速分别与输入电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。

只要能正确控制输入电脉冲数频率以及电机各相绕组通电相序，即可得到所需要转角转速及转向，通过单片机很容易实现对步进电机数字控制。

本设计采用单片机实现对两相步进电机转速控制。

由单片机产生脉冲信号经过脉冲分配器后分解出对应四相脉冲，分解出四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机转动。

本课题研究目之就是设计套硬件系统较简单经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业自动控制系统中。

步进电机控制系统有环形分配器和功率驱动电路组成。

控制系统采用来产生控制脉冲。

通过编程输出定数量方波脉冲，控制步进电机转角进而控制伺服机构进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机转动速度，进而控制伺服机构进给速度。

环形脉冲分配器将输出控制脉冲按步进电机通电顺序分配到相应绕组。

控制步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。

采用软件环形分配器占用资源较多，特别是步进电机绕组相数大于时，对于大型生产线应该予以考虑。

采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。

步进电机功率驱动电路将输出控制脉冲放大，达到比较大驱动能力，来驱动步进电机。

采用软件来产生控制步进电机环型脉冲信号，并用中定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用步进电机驱动器，降低硬件成本。

但由于扫描周期般为但由于扫描周期般为几毫秒到几十毫秒，相应频率只能达到几百赫兹，因此，受到工作方式限制及其扫描周期影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。

并且在速度较高时，由于受到扫描周期影响，相应控制精度就降低了。

基于单片机控制采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合控制方法。

用软件代替环形分配器，达到了对步进电机最佳控制。

系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。

由于单片机强大功能，还可设计精品文档世界上，成功有两种人，种人是傻子，种人是疯子。

傻子是会吃亏人，疯子是会行动人，大量外围电路，键盘作为个外部中断源，设置了步进电机正转反转档次停止等功能，采用中断和查询相结合方法来调用中断服务程序，完成对步进电机最佳控制，显示器及时显示正转反转速度等状态。

环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程办法实现脉冲分配。

本方案有以下优点单片机软件编程可以使复杂控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步振荡等对控制精度影响用软件代替环形分配器，通过对单片机设定，用同种电路实现了多相步进电机控制和驱动，大大提高了接口电路灵活性和通用性单片机强大功能使显示电路键盘电路复位电路等外围电路有机组合，大大提高系统交互性。

基于以上优点，本次设计采用基于单片机控制方案。

步进电机驱动技术步进电动机上个世纪就出现了，它组成工作原理和今天反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间磁导变化来产生电磁转矩。

上世纪年代以后，由于廉价微型计算机以多功能姿态出现，步进电动机控制方式变得更加灵活多样。

步进电机驱动技术指是用步进电机驱动器驱动级来实现对步进电机各相绕组通电和断电，同时也是对绕组承受电压和电流进行控制技术。

到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动单电压串电阻驱动高低压驱动斩波恒流驱动升频升压驱动和细分驱动等。

单电压驱动是通过改变电路时间常数以提高电机高频特性。

该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它优点是结构简单成本低缺点是串接电阻器做法将产生大量能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高步进电机驱动。

单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路时间常数以提高电机高频特性。

它提高了步进电机高频响应精品文档世界上，成功有两种人，种人是傻子，种人是疯子。

傻子是会吃亏人，疯子是会行动人，减少了电动机共振，也带来了损耗大效率低缺点。

这种驱动方式目前主要用于小功率或启动运行频率要求不高场合。

高低压驱动是指不论电动机工作频率是多少，在导通相前沿用高电压供电来提高电流上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组电流，即采用加大绕组电流注入量以提高出力，而不是通过改善电路时间常数来使矩频性能得以提高。

但是使用这种驱动方式电机，其绕组电流波形在高压工作结束和低压工作开始衔接处呈凹形，致使电机输出力矩有所下降。

这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。

为了弥补高低压电路中电流波形下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组有效电流相应增加，故电机输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。

为改善恒流驱动方式低频特性，设计个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动电路，使其成为个由脉冲频率控制可变输出电压开关稳压驱动电源。

在低速运行时，电子控制器调节功率开关管导通角，使线路输出平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而避免产生明显振荡。

当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够电流。

调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数电机，相应调整其输出电压与输入频率特性。

细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流部分，电动机合成磁势也只旋转步距角部分。

细分驱动时，绕组电流不是个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式投入或切除。

比如电流分成个台阶，转子则需要次才转过个步距角，即细分细分驱动最主要优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机定位精度启动性能和高频输出转矩其次，减弱或消除了步进电精品文档世界上，成功有两种人，种人是傻子，种人是疯子。

傻子是会吃亏人，疯子是会行动人，机低频振动，降低了步迸电机在共振区工作几率。

可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术个飞跃。

本文研究内容在般步进电机工作中，其电源均采用单极性直流电，通过对步进电机各相绕组按恰当时序方式通电，就可使其执行步进转动。

当相绕组通电时相应两个磁极就分别形成极产生磁场，并与转子形成磁路。

在磁场作用下，转子将转动定角度，使转子齿与定子齿对其，从而使步进电机向前走步。

转子角位移大小及转速分别与输入电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。

只要能正确控制输入电脉冲数频率以及电机各相绕组通电相序，即可得到所需要转角转速及转向，通过单片机很容易实现对步进电机数字控制。

本设计采用单片机实现对两相步进电机转速控制。

由单片机产生脉冲信号经过脉冲分配器后分解出对应四相脉冲，分解出四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机转动。

本课题研究目之就是设计套硬件系统较简单经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性主体遂逐步细分到每个模块流程。

在流程图中把设计者控制过程梳理清楚。

具体程序讲解将在本章各节做详细讲解。

系统软件主流程图当给系统供电以后，通过单片机复位电路对系统进行上电复位系统经过初始化以后，便开始执行按键查询等待相应操作，当有按键按下时候程序便调用并执行相应子程序，其具体主流程图如下所示图主程序图开始系统初始化相应按键子程序按键判断相应显示子程序结束精品文档世界上，成功有两种人，种人是傻子，种人是疯子。

傻子是会吃亏人，疯子是会行动人，系统初始化流程图对相应系统参数进行初始化，包括系统上电默认运行参数设定，包括两相四拍工作方式，初始速度档位是转分，系统中断设定，定时器设定，载入定时器初值和默认工作参数等，具体流程图如图所示。

开始定时器中断允许定时器工作方式载入定时器初值定时器和定时器开启载入默认工作参数各个端口初始化图系统初始化流程图精品文档世界上，成功有两种人，种人是傻子，种人是疯子。

傻子是会吃亏人，疯子是会行动人，按键子程序延时子程序在本延时子程序当中每调用次延时子程序延时时间是毫秒。

按键响应子函数在本设计当中按键端接地，另端接单片机对应端口，所以当按键按下，既是将单片机对应端口电平拉低。

所以在编程时候判断按键按下是低电平有效。

图画出是电机增速和减速子程序框图。

程序入口去抖动结束速度档位加判断增速按键按下再次判断判断是否是最高速程序入口去抖动结束速度档位减判断减速按键按下再次判断判断是否是最低速图增速减速子程序精品文档世界上，成功有两种人，种人是傻子，种人是疯子。

傻子是会吃亏人，疯子是会行动人，读和模式切换程序框图如下图所示，在本设计当中我模式切换按键只有个，负责电机正反转控制，电流控制和电机启动和停止控制。

由于编程时候设置系统工作默认状态是正转，转速转分。

所以通过连续按模式切换键依次实现功能是电机反转并显示转速，显示电机电流，系统停止工作，系统正转并显示转速依次切换。

编程控制工作就主要是负责读和写端口电平来实现。

程序入口读出数据赋予口全部置准备启动开始测电压读转换后数据读数完毕返回初始化电机反转及显示系统停止工作按键判断按键判断检测电流及显示按键判断按键判断图读子程序及模式切换子程序控制步进电机转动脉冲输入方式两相四拍通电方式正转反转精品文档世界上，成功有两种人，种人是傻子，种人是疯子。

傻子是会吃亏人，疯子是会行动人，两相八拍通电方式正转反转以两相四拍正转为例其程序代码如下精品文档世界上，成功有两种人，种人是傻子，种人是疯子。

傻子是会吃亏人，疯子是会行动人，当电机反转时，或者工作在两相八拍模式下可以按上面代码类推。

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