AT89C51步进电机控制器的设计
AT89C51步进电机控制器的设计[20200131184603]
【摘要】
步进电机经过不断改良，在机电一体化、数模转换装置、计算机外围设备、自动记录仪中得到广泛地应用，发展前景广阔。本文基于单片机芯片AT89C51和集成芯片ULN2803，结合步进电机构建一个步进电机控制系统。该控制系统通过AT89C51送出脉冲信号，由集成芯片ULN2803进行放大后送给步进电机进行正反转控制和加减速控制。本设计外围元件少,具有结构简单、成本低廉、可靠性高、使用方便、通用性强等特点。
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关键字:】步进电机、AT89C51、正反转控制、加减速控制
一 引言 1
二 步进电机简介 1
（一）步进电机的概念 1
（二）步进电机的结构及工作原理 1
（三）步进电机的常用术语 3
（四）步进电机的矩频特性 4
三 系统设计原理 4
（一）设计功能 4
（二）系统原理总框图 4
四 各单元电路设计 5
（一）芯片选择 5
（二）步进电机驱动 6
1．驱动方式 6
2．驱动器选择 7
（三）步进电机与微型机的接口电路 8
（四）电源电路与按键电路 8
（五）系统原理电路图 9
五 软件设计 10
（一） 脉冲分配 10
（二） 步进电机的控制设计 11
（三） 步进电机主程序流程图 12
六 总结 12
谢辞 14
参考文献 15
附录 16
一 引言
步进电机是一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。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，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以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。
本文应用单片机芯片AT89C51和集成芯片ULN2803，步进电机等元件，构建了基于单片机的步进电机控制器。通过单片机AT89C51送出脉冲，集成芯片ULN2803进行放大后送给电机进行正反转控制和加减速控制。
二 步进电机简介
（一）步进电机的概念
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时我们也可以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。从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。
（二）步进电机的结构及工作原理
1. 步进电机结构
步进电机各部分的结构图如图1所示。
图1 步进电机拆分结构图 图2 步进电机内部结构图
步进电机的工作过程：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图2(A)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图2中的(B)，转子向反时针转过15°。若是D相被激励，如图2中的(C)，则转子为顺时针转过15°。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：
Lθ＝360 P×N （式1）
式1中：Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。在图2中，步长为15°，表示电机转一圈需要24步。
2. 工作原理
步进电机为一四相步进电机，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3是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图3 步进电机四相示意图
开始时，开关Sb接通电源，Sa、Sc、Sd断开，b相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和c、d相 绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和d、a相绕组磁极产生错齿。
当开关Sc接通电源，Sb、Sa、Sd断开时，由于c相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和c相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和a、b相绕组产生错齿，2、5号齿就和a、d相绕组磁极产生错齿。依次类推，a、b、c、d四相绕组轮流供电，则转子会沿着a、b、c、d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一半，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4所示：
图4 步进电机工作时序波图
3. 工作方式
常见的步进电机工作方式主要由以下几种：
单三拍：通电顺序为 A?B?C；
双三拍：通电顺序为 AB?BC?CA；
三相六拍：通电顺序为 A?AB?B?BC?C?CA；
四相八拍：通电顺序为 A?AB?B?BC?C?CD?D→DA；
（三）步进电机的常用术语
齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。
θz=2π/Z (式2) 注：式中Z 是转子的齿数
步距角：指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。
θb=θz/N = 2π/NZ (式3) 注：N是工作拍数，Z是转子的齿数
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。用百分比表示：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。
失调角：指转子偏离零位的角度。转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
零位或初始稳定平衡位置：指不改变绕组通电状态，转子在理想空载状态下的平衡位置。
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。
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。?
响应频率：在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。
运行频率：指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。
单步响应：指步进电机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转子由起动到停止的运动轨迹。
（四）步进电机的矩频特性
矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时，输出转矩Md与连续运行频率f之间的关系。矩频特性曲线上每一个频率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩随连续运行频率的上升而下降下。
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频特性，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。步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般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。
三 系统设计原理
（一）设计功能
① 通过键盘设定步进电机的转速；
② 通过“启动/暂停”键设定电机启停；
③ 通过“正向”和“反向”按键改变电机的转向；
【摘要】
步进电机经过不断改良，在机电一体化、数模转换装置、计算机外围设备、自动记录仪中得到广泛地应用，发展前景广阔。本文基于单片机芯片AT89C51和集成芯片ULN2803，结合步进电机构建一个步进电机控制系统。该控制系统通过AT89C51送出脉冲信号，由集成芯片ULN2803进行放大后送给步进电机进行正反转控制和加减速控制。本设计外围元件少,具有结构简单、成本低廉、可靠性高、使用方便、通用性强等特点。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】步进电机、AT89C51、正反转控制、加减速控制
一 引言 1
二 步进电机简介 1
（一）步进电机的概念 1
（二）步进电机的结构及工作原理 1
（三）步进电机的常用术语 3
（四）步进电机的矩频特性 4
三 系统设计原理 4
（一）设计功能 4
（二）系统原理总框图 4
四 各单元电路设计 5
（一）芯片选择 5
（二）步进电机驱动 6
1．驱动方式 6
2．驱动器选择 7
（三）步进电机与微型机的接口电路 8
（四）电源电路与按键电路 8
（五）系统原理电路图 9
五 软件设计 10
（一） 脉冲分配 10
（二） 步进电机的控制设计 11
（三） 步进电机主程序流程图 12
六 总结 12
谢辞 14
参考文献 15
附录 16
一 引言
步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲
本文应用单片机芯片AT89C51和集成芯片ULN2803，步进电机等元件，构建了基于单片机的步进电机控制器。通过单片机AT89C51送出脉冲，集成芯片ULN2803进行放大后送给电机进行正反转控制和加减速控制。
二 步进电机简介
（一）步进电机的概念
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时我们也可以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。从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。
（二）步进电机的结构及工作原理
1. 步进电机结构
步进电机各部分的结构图如图1所示。
图1 步进电机拆分结构图 图2 步进电机内部结构图
步进电机的工作过程：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图2(A)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图2中的(B)，转子向反时针转过15°。若是D相被激励，如图2中的(C)，则转子为顺时针转过15°。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：
Lθ＝360 P×N （式1）
式1中：Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。在图2中，步长为15°，表示电机转一圈需要24步。
2. 工作原理
步进电机为一四相步进电机，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3是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图3 步进电机四相示意图
开始时，开关Sb接通电源，Sa、Sc、Sd断开，b相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和c、d相 绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和d、a相绕组磁极产生错齿。
当开关Sc接通电源，Sb、Sa、Sd断开时，由于c相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和c相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和a、b相绕组产生错齿，2、5号齿就和a、d相绕组磁极产生错齿。依次类推，a、b、c、d四相绕组轮流供电，则转子会沿着a、b、c、d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一半，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4所示：
图4 步进电机工作时序波图
3. 工作方式
常见的步进电机工作方式主要由以下几种：
单三拍：通电顺序为 A?B?C；
双三拍：通电顺序为 AB?BC?CA；
三相六拍：通电顺序为 A?AB?B?BC?C?CA；
四相八拍：通电顺序为 A?AB?B?BC?C?CD?D→DA；
（三）步进电机的常用术语
齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。
θz=2π/Z (式2) 注：式中Z 是转子的齿数
步距角：指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。
θb=θz/N = 2π/NZ (式3) 注：N是工作拍数，Z是转子的齿数
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。用百分比表示：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。
失调角：指转子偏离零位的角度。转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
零位或初始稳定平衡位置：指不改变绕组通电状态，转子在理想空载状态下的平衡位置。
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。
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。?
响应频率：在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。
运行频率：指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。
单步响应：指步进电机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转子由起动到停止的运动轨迹。
（四）步进电机的矩频特性
矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时，输出转矩Md与连续运行频率f之间的关系。矩频特性曲线上每一个频率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩随连续运行频率的上升而下降下。
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频特性，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。步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般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。
三 系统设计原理
（一）设计功能
① 通过键盘设定步进电机的转速；
② 通过“启动/暂停”键设定电机启停；
③ 通过“正向”和“反向”按键改变电机的转向；
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