南京理工大学课程设计说明书(论文)姓名: 高建宽学号： **********专业: 机电一体化题目: 基于单片机的步进电机调速系统设计2013 年 2 月课程设计说明书（论文）中文摘要课程设计说明书（论文）外文摘要目次1 绪论 (1)2 步进电机简介 (2)2.1 步进电机的概念 (2)2.2 步进电机的分类 (2)2.3 步进电机的基本参数 (2)2.3.1 空载启动频率 (2)2.3.2 电机固有步距角 (2)2.3.3 步进电机的相数 (3)2.3.4 保持转矩 (3)2.4 步进电机动态指标及术语： (3)2.5 步进电机的调速的控制原理 (4)3 基本方案设定和硬件设计 (5)3.1 基本方案确定 (5)3.2 硬件设计 (5)3.2.1 单片机的选择：AT89S52 (5)3.2.2 驱动芯片的选择：ULN2003A (9)3.3.3 步进电机的选择：四相反应式步进电机 (9)4 软件设计 (10)5 调试与仿真 (11)5.1 keil调试 (11)5.2 Proteus仿真 (12)结论 (13)致谢 (14)参考文献 (15)附录A (16)附录B (17)1 绪论步进电动机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,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，步进电动机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
1920年步进电机的实际应用才开始，称为VR（Variable Reluctance 变磁阻）型步进电机，被英国海军用作定位控制和远程遥控。
混合式HB(Hybrid 的缩写，是VR与PM复合的意思)型步进电机的产生，大约在1952年，由美国GE公司的Karl Feiertag 开发的发电机演变而来。
步进电机的大规模应用是在1977年开始，两相步进电机被应用于FDD(floppy disk drive 软盘驱动器)输出轴的驱动上。
在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。
步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。
步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。
一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。
步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。
在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。
因此非常适合于单片机控制。
步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。
步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。
传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差精度为100的特点，广泛应用于各种开环控制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
2 步进电机简介2.1 步进电机的概念步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。
一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。
步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。
在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。
2.2 步进电机的分类步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5 度或15 度；反应式步一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。
在欧美等发达国家80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为0.72 度。
这种步进电机的应用最为广泛。
2.3 步进电机的基本参数2.3.1 空载启动频率即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下，启动频率更低。
如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
2.3.2 电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
2.3.3 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。
在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。
如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
2.3.4 保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。
比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
2.4 步进电机动态指标及术语：1.步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分表示：误差/步距角*100%。
不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
2.失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。
称之为失步。
3.失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
4.最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
5.最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
6.运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。
7.电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
电机一旦选定，电机的静力矩确定而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态流）平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。
2.5 步进电机的调速的控制原理步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。
通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。
控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。
控制步进电机的速度，即给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。
同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
比如数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。
3 基本方案设定和硬件设计3.1 基本方案确定因本次课程设计的要求，选用四相反应式步进电机，单片机选用AT89S52作为控制器。
选取用ULN2003A来驱动步进电机。
先按下启动按钮后再由调速按钮输入的速度数值确定步进电机转速，再通过7段共阳数码管来显示。
系统框图如下：[系统框图]3.2 硬件设计3.2.1 单片机的选择：AT89S52本次课程设计选用的单片机是AT89S52,AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。
使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
具有32个可编程I/O口线（P0，P1，P2，P3）；三个16位定时器/计数器；六个中断源；全双工UART串行通道。
还具有与MCS-51单片机产品兼容，8K字节在系统可编程Flash存储器，1000次擦写周期，全静态操作：0Hz-33MHz，三级加密程序存储器，低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒，看门狗定时器，双数据指针，掉电标识符等诸多功能。
其引脚图如下页图所示：[AT89S52单片机引脚图（Dip封装）]引脚说明：VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。