编号：综合智能电子实训 (论文)说明书题目：院（系）：使用科技学院专业：电子信息工程学生姓名：学号：指导教师：2010年 1 月 6 日目录引言第1章简介1.1 步进电机第2章步进电机原理2.1 步进电机的工作原理2.1.1结构及基本原理2.1.2 电机的步进顺序第3章系统的硬件设计3.1 系统设计方案3.2 主从机硬件部件介绍3.2.1A T89S51简介3.2.2 TGI2864E简介3.2.3MAX485 串行通信3.2.4TIP1223.2.5 MOC70T23.3 LCD显示电路设计3.4 电机驱动模块设计第4章系统的软件实现4.1 系统软件主流程图4.2 系统初始化流程图4.3 部分子程序第五章总结致谢参考文献摘要：本文使用单片机、步进电机驱动芯片、字符型LCD和键盘阵列，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。

二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动。

文中讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电机变频调速的方法。

步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和成本。

最后给出了步进电机控制系统的使用实例。

关键词:步进电机控制系统，插补算法，变频调速，软硬件协同仿真In this paper, microcontroller, stepper motor driver chips, character LCD and keypad array, build a set of stepper motor controller and driver as one of the stepping motor control system. Two-dimensional table as a charged object by stepper motor drive ball screw in X / Y axis linkage. This paper discusses a minimum of parameters to determine the trajectory of a circular interpolation method and the method of frequency control stepper motor. Stepper motor control system has been developed using the software and hardware co-simulation method, can effectively reduce the system development cycle and cost. Finally, the stepper motor control system application examples.引言步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其使用发展已有约80年的历史。

步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度和脉冲频率成正比，位移量和脉冲数成正比。

根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。

步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等。

正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一，广泛使用在各种自动化控制系统中。

被广泛使用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制和程序控制系统。

对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。

用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。

还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式。

1简介步进电机步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。

上世纪80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。

步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。

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的时间常数以提高电机的高频特性。

该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低；缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，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的步进电机驱动。

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

它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。

这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。

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

但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。

这种驱动方式目前在实际使用中还比较常见。

为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，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，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛使用，本文正是使用恒流斩波技术实现了驱动控制。

为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。

在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，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，从而避免产生明显的振荡。

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的电流。

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的电机，相应调整其输出电压和输入频率的特性。

在一般的步进电机工作中，其电源均采用单极性直流电，通过对步进电机的各相绕组按恰当的时序方式通电，就可使其执行步进转动。

当某一相绕组通电时相应的两个磁极就分别形成N-S极产生磁场，并和转子形成磁路。

在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子齿和定子齿对其，从而使步进电机向前“走”一步。

转子的角位移大小及转速分别和输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上和输入的脉冲同步。

只要能正确控制输入的电脉冲数、频率以及电机各相绕组通电的相序，即可得到所需要的转角、转速及转向，通过单片机很容易实现对步进电机的数字控制。

本设计采用AT89S51单片机实现对两相步进电机的转速控制。

由单片机产生的脉冲信号经过脉冲分配器后分解出对应的四相脉冲，分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。

第2章步进电机原理2.1步进电机的工作原理2.1.1结构及基本原理步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。

当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向和定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。

因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。

每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。

根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。

电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。

每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位使用中如此有效的原因。

通过电磁感应定律我们很容易知道激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图2.1所示。

定子产生的磁场使转子转动到和定子磁场对直。

通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。

图2.1激励线圈产生电磁场2.1.2电机的步进顺序1、两相电机的单相通电步进顺序在图2.2中我们很清晰的展示了在单相通电时一个两相步进电机的典型的步进顺序。

在第1步中，两相定子的A相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位置。

当A相关闭、B相通电时，转子顺时针旋转90°。

在第3步中，B相关闭、A相通电，但极性和第1步相反，这促使转子再次旋转90°。

在第4步中，A相关闭、B相通电，极性和第2步相反。

重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转[8] [9]。

图2.2两相电机的单相通电步进顺序2、两相电机的双相通电步进顺序图2.2中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。

更常用的步进方法是“双相激励”，其中电机的两相一直通电。

但是，一次只能转换一相的极性，见图2.3所示。

在第1步中，两相定子的A相和B相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step1位置。

在第2步中，两相定子的A相关闭，而B和a相（此时的a相通电极性和第1步A相反）同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step2位置。

在第3步中，两相定子的a相和b相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step3位置。

在第4步中，两相定子的b相和A相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step4位置。

按照这样的通电方式电机就转过了一周[8] [9]。

两相步进时，转子和定子两相之间的轴线处对直。

由于两相一直通电，本方法比“单相通电”步进多提供了41.1%的力矩，但输入功率却为2倍。