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中国矿业大学2014届本科生毕业设计 第 3 页

出于降低硬件成本的考虑，我们利用PLC的定时器产生速度脉冲信号，再用软件产生环形脉冲信号控制步进电机，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器。但这样的组成有一个缺点，就是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，相应的控制精度会降低，这是因为PLC的扫描周期通常为千分之几秒到百分之几秒，相应的频率就能达到几百赫兹[2]。

1.2.3 基于单片机的步进电机控制

将步进电机用单片机进行控制时，可以使用软硬件相结合的控制方法。将环形分配器用软件代替，即可实现对步进电机的最佳控制。步进电机的各相驱动电路是使用单片机接口进行直接控制的。鉴于单片机具有非常强大的功能，我们还可以设计大量的外围控制电路，将键盘作为外部中断源，对步进电机的一系列的功能进行设置，如正转、反转、档位、停止等；利用单片机的软件编程完成脉冲分配，从而实现环形分配器的功能；使用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态[3]。

单片机控制的步进电机具有很多优点，以下简单地列写如下：

（1）编程使用单片机软件，能够自动并精确控制复杂的控制过程，从而有效控制精度不受失步、震荡的影响；

（2）将环形分配器用软件代替，然后设定单片机，可以完成同一电路控制并驱动多相步进电机的功能，使得接口电路的灵活性和通用性大大提高；

（2） 单片机可以使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路很好的结合起来，使系统的交互性得以提高，故采用单片机完成本次设计方案。

1．3 论文研究的目的和内容

本文的研究目的有两个：作为一个电气自动化学生，在日常学习过程中我总感觉到目前的教材各种知识技术太过泾渭分明，无法把一些学过的课程知识点和实践活动有机结合起来，所以我始终希望自己的毕业设计能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术等几门课程综合起来，并着力于相应的生产实践；第二个目的就是运用自己所学习的知识致力于完善步进电机的控制与设计，能亲自设计出来一套较简单、经济、实用的硬件系统，且适应性强、操作方便、交互性强并且可靠性高的步进电机控制系统。出于以上两个目的，在毕业设计的这半年多时间里，按照模块化的思想，完成了毕业设计的内容，完成了这篇论文。 整个论文的内容包括：

1. 弄清并理解关于步进电机的工作原理、分类及特点等基本知识；

2. 理解有关步进电机的控制技术，并提出自己针对步进电机的控制方案； 3. 利用Proteus仿真环境，绘制基于AT89C51单片机的步进电机控制系统硬件原理电路； 4. 利用C语言编制基于AT89C51的步进电机控制软件，实现步进电机速度、方向、点动、复位的控制；

5. 搭建设计模型； 6. 撰写论文。

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1．4 论文安排

本文开篇首先介绍了步进电机设计的背景及意义，然后介绍了步进电机的发展现状及趋势，在此基础上，提出了自己的设计目的及论文任务。接着开始详细地介绍步进电机原理、分类、控制技术及特点，然后对设计所用元器件，如AT89C51、L297、L298等进行介绍，最后用模块化思想对所要设计系统的硬件部分进行描述，最后对软件设计进行阐述，并得到仿真结果，最后完成实物的焊接与调试。具体的安排如下：

第一章为绪论，介绍设计步进电机的背景及意义，进而介绍了步进电机的发展现状及其趋势，又列举了步进电机的几种控制方案，并分析了各种方案的优势和不足，提出了自己的设计目的和内容；

第二章是对步进电机和设计所需元器件的概述，步进电机的介绍主要包括步进电机的工作原理、分类、特点，元器件则主要是AT89C51、L297、L298等，为后面的硬件设计和软件设计提供必须的理论基础；

第三章是硬件设计部分，首先提出框架，然后根据模块化思想对系统的控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分进行具体地描述；

第四章为软件设计部分，分别对主程序、定时中断、外部中断设计进行软件设计，通过流程图及部分程序展现如何对步进电机进行控制的过程，包括中断的优先级等；

第五章是实物的焊接，整体功能的展现。

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2 元器件介绍

2.1步进电机

步进电机也叫脉冲电机，是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。其功能是将脉冲电信号转换为相应的角位移或直线位移，即当步进驱动器接受到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按照设定的方向转动一个步进角。

步进电机的角位移量θ或线位移量s与脉冲数k成正比；它的转速n与脉冲频率f成正比。在负载范围内这些关系不随电源电压、负载大小、环境条件的变化而变化。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的；也可以通过控制脉冲频率来控制电机转速和加速度，达到调速的目的。步进电机可以在开环系统中作为执行元件，使控制系统变得简化。并且可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率加速减速；能够快速启动、反转和制动。由于步进电机能直接接收数字量的输入，特别适合采用单片机来进行控制。 2.1.1步进电机的特点

1. 步进电机不积累误差，一般步进电机的精度为步进角的3%~5%；

2.步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在130摄氏度以上，有的甚至高达200摄氏度以上，所以步进电机外表温度在80摄氏度到90摄氏度完全正常；

3.步进电机的调节域非常广，可以在很大范围内进行调节，这样一来，就可以保证在步进电机转速很低的情况下，仍然可以获得非常大的转矩，因此，这个时候就可以在没有减速器的情况下去直接的进行负载驱动[2][3]；

4. 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。当步进电机的转速若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机难以获得较大转矩，超载时会失步。步进电机的力矩会随转速的升高而下降；

5.步进电机动态响应快，易于启动停止、正转反转和加速减速；带惯性载荷的能力强； 6.通常来讲，步进电机的开环控制系统主要是由步进电机和步进电机的驱动电路两大部分组成的，不仅方便便宜，并且满足可靠性高的优点。同时，它也可以由一个角度反馈环节构成闭环数控系统；

7.步进电机工作时，每相绕组按一定的规律轮流通电。步进电机的运行只能通过脉冲电源驱动，不可以直接使用交流电源或者直流电源；

8.步进电机的可靠性很高，这是因为与普通电机相比较，步进电机没有电刷等，不至于造成很大损耗，从而可以大幅度地去提高轴承的使用寿命；

9.能源利用率低，同等功率的电机，步进电机体积和重量大； 10.如果控制不当容易产生共振。 2.1.2步进电机的分类

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步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式（Hybrid Stepping,HS）。下面简要说明这三种类型的步进电机。 1.反应式步进电机：

该种步进电机的定子上安有绕组，它的转子材料是软磁。此种步进电机具有很多的优点，比如说，相对而言，它的结构简单、成本比较低，控制精度高，最小步距角可达1.2度；当然，它也具有很多其他方面的缺点，比如说动态性能差、效率低且发热较为严重，这样一来可靠性就难以得到必要的保证了。 2.永磁式步进电机：

顾名思义，永磁式步进电机的转子材料是由永磁材料制成的。此种步进电机有一个特点，就是转子的极数和定子的极数是相同的。永磁式步进电机的优点是输出转矩很大，可以在没有减速器的情况下驱动负载，并且动态性能也很好。它的缺点就是精度很差，无法实现高精度控制，步距角通常为15度或者7.5度。 3.混合式步进电机：

混合电机就是反应式步进电机和永磁式步进电机的综合。具体来讲，就是定子有多相绕组，转子是由永磁材料制成，为了提高控制的精确度，在转子和定子上安有许多个小齿。这样一来，它就集合了永磁式和反应式的双重优点，也就是说它具有输出扭矩大，动力性能好，步距角小的优点，但是，这也同样使得混合式步进电机的结构比较复杂，制造成本也比较高。 如果我们按照定子上的绕组来划分步进电机，则可以分为两相、三相和五相等系列的步进电机。为了改变步进电机控制的精度和效果，我们可以给步进电机配置不同细分的驱动器。举个例子来说，两相的混合式步进电机，这种电机的步距角大约是每步一点八度，假如我们给该电机配置半步驱动器，那么步距角就会减少为0.9度，而配置细分驱动器时，它的步距角可以达到0.007度每微步。

当然，在实际的生产生活中，往往由于一系列的影响因素，如摩擦力和制造精度等，实际的控制精度达不到理想状态，实际精度会比较低一点。并且，由失调角产生的误差，采用细分驱动并不能解决。 2.1.3步进电机的主要性能指标

1.步距角。步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次, 转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为。步距角越小，数控机床的控制精度越高；

2.矩角特性、最大静态转矩和启动转矩。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。最大静态转矩是指步进电机在规定通电相数下矩角特性上的最大转矩值。启动转矩是能够使步进电机转动起来的最小转矩；

3.启动频率。空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率；

4.连续运行的最高工作频率。步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速；

5.加减速特性。步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率