步进电机毕业论文

基于单片机的步进电机升降频控制

摘 要

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。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。

由于步进电机是靠输入脉冲来控制其运转的，本文采用单片机来控制步进电机。单片机将各种功能部件集成在一块芯片上，可靠性和抗干扰能力比较强，其输出的高低电平易于实现对步进电机的控制。采用单片机控制既能减少硬件开销，也克服了硬件设计中一些元器件不能灵活变动和容易变值的缺点。

大量实践证明，对于不同功率的步进电机，简单统一的直线升频技术，不能够让电机工作在最佳效率状态下，本设计采用程序控制的指数曲线升降频，能够方便地与不同电机的机械特性很好地适配，减少电机升降频所用的时间，提高生产效率。

本次设计使用AT89C51单片机产生脉冲信号来控制35BY48S03型步进电机的运行。在升降频过程中，我们专门设计了一个数据区，这个数据区中的数据确定了电机在升降频过程中按指数曲线规律变化。我们改变电机时，只要根据电机的特性改变数据区的一些数据，即可使曲线很好的与电机适配。该方法能使电机以较高的效率运行。

关键词：步进电机，单片机，升降频，步长

STEPER MOTOR FREQUENT MOVEMENT BASED ON

MICROCONTROLLER UNIT CONTROL

ABSTRACT

Stepper motor is one kind transforms the electricity pulse as angular displacement's implementing agency. When stepper motor the driver to receive to a signal impulse, stepper motor on the actuation (to be called “step pitch angle” according to a hypothesis directional rotation fixed angle), its revolving is moves gradually by the fixed angle. May control the angular displacement through the steering impulse integer, thus achieves the accurate localization the goal; Simultaneously may control the speed which and the acceleration through the steering impulse frequency the electrical machinery rotates, thus achieves the velocity modulation the goal. Stepper motor to be possible to take the special electrical machinery which one kind of control uses, uses it cumulative error (precision has not been 100%) the characteristic, widely applies in each kind of open-loop control.

Since stepping on the importation of electrical pulse is to control its functioning, the paper used to control the stepper motor SCM. SCM will all feature in an integrated chip, reliability and strong anti-interference capabilities, the output of the high-low easy to realize the stepper motor control. SCM control also used to reduce hardware costs, but also to overcome some of the hardware design changes can not be flexible and easy to change parts of the shortcomings.

The massive practices proved that Stepper motor regarding the high efficiency, the simple straight line rises the frequency technology, cannot let the electrical machinery work under the optimum efficiency condition, this article only then uses the curve line control the method, can reduce the electrical machinery to rise and fall the time which the frequency uses, raises electrical machinery's working efficiency, with electrical machinery's characteristic very good adaptive.

This design uses AT89C51 produce pulses to control 35BY48S03 type stepping motor running. In the process of lifting frequency， we designed a data area . the motor area in the lifting process of frequency changing regularity according to index curve by the data in the data. According to the characteristics of the data can make some data for different stepper motors， and well with the motor fit curve. This method can make the motor with high efficiency operation.

KEY WORDS：stepper motor，

step

microcontroller unit，

目 录

frequent movements ，

前 言 ................................................. 1

第1章 步进电机简介 .................................... 2

§1.1 步进电机工作原理及分类 ................................ 3

§1.2 步进电机的各种指标术语 ................................ 4

§1.2.1 静态指标术语 .................................... 4

§1.2.2 动态指标及术语 .................................. 4

§1.4 单片机控制步进电机的升降频 ........................... 6

第2章 步进电机控制系统硬件电路 ........................ 8

§2.1 单片机及其外围电路介绍 ............................... 9

§2.1.1 CPU芯片 ........................................ 9

§2.1.2 控制键电路 ..................................... 11

§2.1.3 步进电机驱动电路 ............................... 12

§2.2 步进电机控制系统硬件电路图 .......................... 13

第3章 步进电机控制系统软件设计 ....................... 13

§3.1 步进电机控制系统应用流程图 .......................... 13

§3.1.1 主流程图 ....................................... 14

§3.1.2 升频流程图 ..................................... 14

§3.1.3 降频流程图 ..................................... 14

§3.1.4 走一步子程序流程图 ............................. 16

§3.2 步进电机数据区设计 ................................... 16

§3.3 程序源代码 ........................................... 18

结 论 ................................................ 23

参考文献 .............................................. 24

致 谢 ................................................ 25

附 录 1 .............................................. 26

附 录 2 .............................................. 27

外 文 材 料 译 文 ..................................... 28

前 言

步进电机作为执行元件，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，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用 。

上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。到了80年代后，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更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。经过不断改良，今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。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。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。

本文第一章介绍了步进电机的一些基本知识，包括步进电机的分类，各种技术指标和步进电机的驱动简介，确定电机型号，介绍了如何用单片机控制步进电机的升降频，说明了用软件控制步进电机的优越性。第二章确定硬件电路方案。介绍了单片机最小系统，键盘电路及步进电机驱动电路，给出了整体控制系统的硬件电路图。第三章给出了软件设计的程序流程图，升频和降频数据区设计方法和详细的程序设计。

大多控制系统中的步进电机升降速控制一般不考虑电机及负载的个性统一采用慢速直线升频，这样不仅使电机的转矩性能不能够很好的发挥，而

前 言

步进电机作为执行元件，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，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用 。

上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。到了80年代后，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更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。经过不断改良，今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。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。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。

本文第一章介绍了步进电机的一些基本知识，包括步进电机的分类，各种技术指标和步进电机的驱动简介，确定电机型号，介绍了如何用单片机控制步进电机的升降频，说明了用软件控制步进电机的优越性。第二章确定硬件电路方案。介绍了单片机最小系统，键盘电路及步进电机驱动电路，给出了整体控制系统的硬件电路图。第三章给出了软件设计的程序流程图，升频和降频数据区设计方法和详细的程序设计。

大多控制系统中的步进电机升降速控制一般不考虑电机及负载的个性统一采用慢速直线升频，这样不仅使电机的转矩性能不能够很好的发挥，而

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且加长了步进电机的升降时间，降低了加工效率。本文采用软件控制的升降频方法，设置一数据区描述电机的升降曲线，利用数据区内容可以方便更改的特性，针对不同的电机和负载，调试出最适配的曲线。使步进电机在最短的时间内以较大的输出转矩升到设定的速度，从而提高加工效率。

第1章

2 步进电机简介

§1.1 步进电机工作原理及分类

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（即步进角）。您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；同时您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。步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器.步进电机的结构与步进电机所含的相数有关.

步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛地用于工业机械的数字控制。从步进电机的矩-频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带动负载的能力越差。当启动频率较高时，启动时会造成失步，而停止时由于惯性作用又会发生过冲，所以在步进电机控制中必须要采取升降速控制措施。本文根据步进电机的动力学方程和矩-频特性曲线建立系统的数学模型，采用指数规律的升降速算法，对升降速的过程进行离散处理，用定时器控制发出脉冲的时间间隔，采用查表和计算相结合的方法实现了步进电机的升降速过程的控制。本设计采用以单片机为核心的系统对步进电机进行控制。

常见的步进电机分三种：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；反应式步进一般为三相，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[3]。

此外，按照电机驱动架构又可分为单极性和双极性步进电机。

单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人混淆又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。

双极性步进电机的驱动电路使用八颗晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的成本。双极性步进电机驱动电

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路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。

§1.2 步进电机的各种指标术语

常见步进电机的指标可分为: 静态指标术语和动态指标术语

§1.2.1 静态指标术语

相数：产生不同对磁极N、S磁场的励磁线圈对数。常用m表示。电机相数不同，其步距角也不同。

拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以三相电机为例，有三相三拍运行方式即AB-BC-CA-AB，三相六拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CA-A.

步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

§1.2.2 动态指标及术语

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。 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。

§1.3 步进电机驱动控制系统的组成

使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如1-1所示：

图1-1 步进电机驱动控制

1.脉冲信号的产生

脉冲信号一般由单片机或CPU产生，脉冲的数量决定旋转的总角度，脉冲的频率决定旋转的速度。一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

2.信号分配

常见感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为AB-AB-AB-AB-AB，步距角为1.8度；二相八拍为AB-B-AB-A-AB-B-AB-A-AB，步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB，步距角为

1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB，(步距角为0.9度）。

3.功率放大

功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。

因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分驱动等。步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。

电压对力矩影响如图1-2所示：

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图1-2 电压对力矩的影响

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。本次设计选用35BY48S03型步进电机。35BY48S03型步进电机是一种永磁式步进电机，电机共有四组线圈，将COM端标识为C，只要AC、 C、BC、 C，轮流加电就能驱动步进电机运转。

35BY48S03型步进电机主要参数如下：

步距角：7.5 °

相数：4

电压：12 V

电流：0.26A

电阻：47Ω

最大静转距：180N·m

定位转距：65N·m

转动惯量：2.5N·㎡

有了这些参数，可以设计出控制电路.

§1.4 单片机控制步进电机的升降频

一些控制简单或要求低成本的运动控制系统中，经常用步进电机做执行元件。步进电机在这种应用场合下最大的优势是：可以开环方式控制而无需反馈就能对位置和速度进行控制。但也正是因为负载位置对控制电路没有反馈，步进电机就必须正确响应每次励磁变化。如果励磁频率选择不当，电机不能够移到新的位置，那么实际的负载位置相对控制器所期待的位置出现永久误差，即发生失步现象或过冲现象。因此步进电机开环控制系统中，如何防止失步和过冲是开环控制系统能否正常运行的关键。

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步进电机作为执行元件的一个显著特点是速度启停能力，若符合不超过步进电机所提供的动态转矩值，就能迅速是步进电机启动或停止，一般步进电机的步进速度为100～1000步/秒，如果步进电机是以逐渐加速到最大值然后逐渐减速到零的方式工作，其速度可增加到2-8倍，而不失步。在实际应用中，在大多数时候需要步进电机及负载的机械惯性以最优化的曲线升频和降频，即步进电机启动时，以低于相应频率Fe的速度运行，然后慢慢加速到一定速度后，就以此恒速运行，当快到终点时慢慢减速至Fe以下，直至停机并走完一定的步数。这样步进电机就可以很快的走完全程且不失步。

失步和过冲现象分别出现在步进电机启动和停止的时候。一般情况下，系统的极限启动频率比较低，而要求的运行速度往往比较高。如果系统以要求的运行速度直接启动，因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动，轻则可能发生丢步，重则根本不能启动，产生堵转。系统运行起来以后，如果达到终点时立即停止发送脉冲串，令其立即停止，则由于系统惯性作用，电机转子会转过平衡位置，如果负载的惯性很大，会使步进电机转子转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置，并在该位置停下。

实验表明，图1-3所示的指数曲线是步进电机最合理的升频曲线，最符合电机和负载的惯性规律。且步进电机在启动时，由于其静态惯性大，需以较小的加速升频，当电机转动越来越快时，其运动惯性逐渐增大，可以较大的加速度升频。如果我们简单的将其设计成直线，就不能使步进电机在最短的时间内升到最高的频率，且保证力矩最大。同理降频时应为反指数曲线。为实现步进电机的升降频，在系统设计中，一般采用硬件设计和软件设计，硬件使用积分电路和微分电路实现，其元件参数一经选定，曲线形状就固定不变，因为每个电机及其负载的机械特性不同，所以他不能最好地与所有的电机适配。而且随着系统使用的时间越来越长，元器件会发生变值，造成电机升降频在的阻尼。为克服硬件设计中这些不能灵活变动和元器件变值的特点，我们采用程序来实现升降频。软件控制比硬件来说，具有运行可靠，改动方便的特点，而且可以降低成本。针对不同电机的机械特性，我们专门设计了一个数据区，这个数据区中的数据即确定了指数曲线的形状，我们改变电机时，只要根据电机的特性改变数据区的一些数据，即可使曲线很好的与电机适配[4]。

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图1-3 步进电机升降频运行曲线

第2章 步进电机控制系统硬件电路

本文采用目前国内比较常用的单片机用与整个回路的控制，单片机选用51系列的AT89C51芯片，芯片及其外围时钟电路和复位电路组成单片机最小系统，按键SW1-SW4做为输入控制，ULN2003做为步进电机驱动器件。

硬件电路总体框图:

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图2-1 硬件电路总体框图

§2.1 单片机及其外围电路介绍

§2.1.1 CPU芯片

AT89C51是主机板的核心，接收各部分信息并向各部发出命令，控制电机运行的各种工作状态。 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，在本次设计中不需要外扩存储器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。目前，可用于MCS-51系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，所以ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，因其高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用， 成为在工业生产中必不可少的器件，而且在日常生活中发挥的作用也越来越大，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

单片机最小系统电路图如图2-2所示：

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图2-2 单片机最小系统电路图

管脚说明：

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。本次设计中，P0口作为键盘输入口。

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。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。本次设计中，P1口作为脉冲输出口，与步进电机驱动电路相连接。

RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2:来自反向振荡器的输出。

VCC:供电电压。

GND:接地。 EA/VPP:当EA保持低电平时，选用外部程序存储（0000H-FFFFH），当EA端保持高电平时，用内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

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1. AT89C51单片机的时钟电路：

AT89C51单片机的时钟信通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。本设计由内部振荡方式产生。如图2-2中所示，在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。两个电容器起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。当晶振频率的值为12MHZ时内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中应用较多。

2. 单片机复位电路：

当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由于电容的充电作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键后松开，也能使RST保持一段时间的高电平，从而实现通电时的自动复位操作，系统运行过程中的开关复位操作。

§2.1.2 控制键电路

键盘是由若干按钮组成的开关矩阵，它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。

按键是一种常开型按钮开关。由于按钮是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会有抖动，这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对计算机来说，则是完全能感应到的，因为计算机处理的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级，对计算机而言，这已是一个“漫长”的时间了。

为使CPU能正确地读出输入口的状态，对每一次按钮只作一次响应，就必须考虑如何去除抖动，常用的去抖动的办法有两种：硬件办法和软件办法。单片机系统中常用软件法。就是在单片机获得P0口为低的信息后，不是立即认定按键已被按下，而是延时10毫秒或更长一些时间后再次检测P0口，如果仍为低，说明按键的确按下了，这实际上是避开了按钮按下时的抖动时间。

按键与控制系统P0口键连接，其连接如下表：

表2-1 P0口与控制键连接

控制键电路图如图2-3所示：

图2-3 控制键电路图

§2.1.3 步进电机驱动电路

AT89C51控制电机运行的各种工作状态。但不能直接驱动步进电机，这

需要由功率电路来扩展输出电流以满足被控元件的电流、电压。

ULN2003达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件。ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管成的驱动芯片。它是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时，ULN2003输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻，在5V 的工作电压下它 能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来 处理的数据。

ULN2003芯片如图2-4所示：

图2-4 ULN2003芯片

ULN2003芯片输入端与控制系统P1口连接，其连接方式如表2-2所示：

表2-2 ULN2003芯片输入端与控制系统P1口键连接

ULN2003芯片输出端与步进电机连接，其连接如表

2-3所示：

表2-3 ULN2003芯片输出端与步进电机连接

§2.2 步进电机控制系统硬件电路图

(见附录1)

第3章 步进电机控制系统软件设计

§3.1 步进电机控制系统应用流程图

§3.1.1主流程图（见附录2）

§3.1.2 升频流程图

图3-1升频流程图

§3.1.3降频流程图

图3-2降频流程图

本文以35BY48S03步进电机为例，首先根据步进电机的特性设计一个数据区，再编写程序对此数据的的数据进行调试。设计的最小启动频率为100HZ，在升频过程中每按一次升频键，步进电机升频后匀速运行，这样易于发现因数据区的数据不合理而导致电机出现失步的状况。降频阶段可采用升频区的数据进行反指数降频。

§3.1.4 走一步子程序流程图

图3-3 走一步子程序流程图

§3.2 步进电机数据区设计

步进电机带负载时的运行频率低于起动频率时，步进电机能以运行频率直接起动，并以该频率连续运行。需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零速。而当步进电机的运行频率为负载启动频率或负载过大时，易出现丢步或堵转的现象；停止时频率过高，又易出现过冲的现象，造成位置精度降低。因此，需要对步进电机采用升降频控制，以使电机从启动频率中或者低于启动频率的某个合适的值（此值与负载和步进驱动有关）开始启动，逐渐加速升到运行频率然后进入匀速运行。最后的降频可以看作是升频的逆过程。

采用51系列单片机进行升降频控制时，设单片机的晶振频率12MHZ，经过升频达到目标频率，在升频的第n个台阶的频率为F(n)。设定定时器工作设置在方式1。为了达到精确定位的目的，在编程时，将频率F(n)的保持时间换算为步数，并对步数Z(n)进行计数。每次计满时，定时器重装下一频率的初值。开始下一次升降频。

以AT89C51单片机，频率100HZ为例，进行数据区设计。

如图3-4所示，我们设频率最高升至1000HZ，用时为5S，依此确定纵坐标每一小格所对应的频率，横坐标每一小格对应的时间。

图3-4 升频曲线

当频率为100HZ时，对应横坐标时间为： T=(10/60)*5=0.83s

两步之间定时时间t0 (μs)为： t0=

11==0.01（s）=10000（μs） f100

步数为：

BC=T/ t0 =0.83/0.01=83

以此方法可以得到如表3-1所示的升频数据区：

表3-1升频数据区

以升频曲线的反指数曲线可以得到如表3-2所示的降频数据区

表3-2降频数据区

AT89C51有两个定时/计数器，本系统选用T1作为定时器使用。 T1的模式存放在模式控制寄存器TMOD中（T1作为16位定时器，为模式1）

方式字为：10H

模式1中，定时器寄存器TH1和TL1是以全16位参与操作，作为计数器使用，计数输入信号内部时钟脉冲，每个机器周期使寄存器值增1，当计数值由全1再增1变为全0时，便TF1置1请求中断。

定时常数为：

t’0(H)=65536-[ t0/(t0*C)]=60536

§3.3 程序源代码

系统详细设计程序如下： StepMot.h文件：

include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char //引脚定义 sbit Start=P0^0; sbit SpeedUp=P0^1; sbit SpeedDown=P0^2; sbit Stop=P0^3; sbit AP=P1^0; sbit AN=P1^1; sbit BP=P1^2; sbit BN=P1^3; //定时器T1溢出延时 void T1_Delay(uint temp); //以指定频率运行 void MotRun(uint F); //停止电机

void MotStop(void); //_stepmot_h_ //StepMot.c文件

//定时器T1溢出延时函数 void T1_delay(uint temp) { uint cnt; cnt=65536-temp; TMOD=0X20; TH1=(uchar)(cnt>>8); TL1=cnt&0xff; TR1=1;

while(TF1!=1); TF1=0; TR1=0; return; }

//以指定频率运行函数void MotRun(uint F) {uint cnt; cnt=500000/F; AP=1; AN=0; BP=0; BN=0; T1_delay(cnt); AP=0; AN=1; BP=0; BN=0; T1_delay(cnt); AP=0; AN=0; BP=1; BN=0; T1_delay(cnt); AP=0; AN=0; BP=0; BN=1; T1_delay(cnt);

AP=0; AN=0; BP=0; BN=0; Return; }

//停止电机函数 void Motstop(void) { AP=0; AN=0; BP=0; BN=0; return; }

//Main.c文件 uint F; void InitIO() { Start=1; SpeedUp=1; SpeedDown=1; Stop=1; AP=0; AN=0; BP=0; BN=0; }

void main()

InitIO(); F=100; while(1) {

while(Start!=0&Stop=0); MotRun(F); //升频

if((!SpeedUp)&(F

uint i，j，bc，a[]={100，130，180，230， 290，350，420，520，650，850，1000}， b[]={83，108，120，115，145，145， 140，130，150，200，100}; for(i=0;i0;j--) MotRun(F); } } //降频

if((!SpeedDown)&(F>0))

{ uint c[]={1000，970，920，870， 810，750，680，580，450，250，100}， d[]={750，725，700，425，405， 310，230，150，140，60，10}; uint i，j，bc; for(i=0;i

F=c[i]; bc=d[i]; for(j=bc;j>0;j--) MotRun(F); } } //停止 if(!Stop) {

while(F>10) { F-=100; MotRun(F); }

MotStop(); } } }

结 论

本文主要论述了如何使用单片机实现步进电机的升降频控制。硬件设计由于每个电机及负载的机械特性不同，所以它不能很好的与所有电机适配。而且随着系统使用时间越来越长，元器件会发生变值。本文采用程序的方法来实现升降频控制，克服了硬件设计那些不能灵活变动和元器件容易变值的缺点。在系统设计中我们采用了AT89C51现在工业控制系统中广泛使用的芯片，整个控制电路设计简单易行，运行可靠，改动也很方便，而且可以降低运行成本。

在程序设计上，本文采用了指数曲线的控制方式控制电机的升降频。程序可用于调试步进电机升降频的数据区，在步进电机的性能检测、机械特性检测上都有一定的用途，也可为数控系统提供一些数据。实践证明，在大功率步进电机控制中，采用指数曲线控制方法能有效的减少电机启动所用的时间，且能保证力矩最大，在很大程度提高了电机的工作效率。

由于本人经验尚浅，各方面的知识还不是很精通，论文中难免有些不合理的地方，望各位老师批评指证。

参考文献

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[2]曹巧媛主编.单片机原理及应用（第二版）.电子工业出版社,2001 [3]高钟编著.机电控制工程 (第二版).清华大学出版社,2002

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[13]苏彦民编.电力拖动系统的微型计算机控制.西安交通大学出版社,1988 ：102-205

[14]赖福新.电机控制系统.上海交通大学出版社,1995 ：203-254

[15]陈伯时主编.电力拖动自动控制系统第二版.机械工业出版社,1992 :52-87

致 谢

经过几个月的忙碌和学习，本次毕业论文设计已经接近尾声。作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导教师的的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的论文指导老师高老师。高老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。除了敬高老师的专业水平外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

在此，感谢在毕业设计这段时间里所有帮助我的同学，如果没有同学们抽出时间来帮助我，解答我的一些疑惑，提点我的疏忽，我将花费数倍的时

间来完成我的论文。

最后还要感谢大学四年来所有的老师，是在他们的教诲下，我掌握了坚实的专业知识基础，为我以后的扬帆远航注入了动力。

再次对所有关心、帮助我的人说一声“谢谢”。

附 录 1

硬件电路原理图

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附 录 2

主流程图

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外 文 材 料 译 文

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Quick Start for Beginners to Drive a Stepper Motor

Introduction

This application note is for novices who want a general quick-start guide showing how to control a stepper motor. Because stepper motors can be used in a variety of ways and are driven by a variety of devices, there is a great deal of information available about how these motors work and how to use them. To reduce confusion, the focus of this application note is on stepper motors that can be driven by microcontrollers. This document includes basic information needed to get started quickly, and includes a practical example that is simple and easy to implement.

What is a Stepper Motor?

A stepper motor is an electrically powered motor that creates rotation from electrical current driven into the motor. Physically, stepper motors can be large but are often small enough to be driven by current on the order of milliampere. Current pulses are applied to the motor, and this generates discrete rotation of the motor shaft. This is unlike a DC motor that exhibits continuous rotation. Although it is possible to drive a stepper motor in a manner where it has near continuous rotation, doing so requires more finesse of the input waveform that drives the stepper motor. Figure 1 illustrates some basic differences in stepper and DC motor rotation.

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Types of Stepper Motors

There are a variety of stepper motors available, but most of them can be separated into two groups:

• Permanent-magnet (PM) stepper motor — This kind of motor creates rotation by using the forces between a permanent magnet and an electromagnet created by electrical current. An interesting characteristic of this motor is that even when it is not powered, the motor exhibits some magnetic resistance to turning.

• Variable-reluctance (VR) stepper motor — Unlike the PM stepper motor, the VR stepper motor does not have a permanent-magnet and creates rotation entirely with electromagnetic forces. This motor does not exhibit magnetic resistance to turning when the motor is not powered.

What is Inside?

Generally, a stepper motor consists of a stator, a rotor with a shaft, and coil

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windings. The stator is a surrounding casing that remains stationary and is part of the motor housing, while the rotor is a central shaft within the motor that

actually spins during use. The characteristics of these components and how they are arranged determines whether the stepper motor is a PM or VR stepper motor. Figure 2 and Figure 3

show an example of these internal components.

Figure 2. Permanent Magnet (PM) Stepper Motor

Taking a closer look, the rotor in PM stepper motors is actually a

permanent-magnet. In some cases, the permanent magnet is in the shape of a disk surrounding the rotor shaft. One arrangement is a magnetic disk which consists of north and south magnetic poles interlaced together. The number of poles on the magnetic disk varies from motor to motor. Some simple PM stepper motors such as the one in Figure 2

only have two poles on the disk, while others may have many poles. The stator usually has two or more coil windings, with each winding around a soft metallic core.

When electrical current flows through the coil windings, a magnetic field is generated within the coil. The metallic core is placed within the coil windings to

help channel the electromagnetic field perpendicular to the outer perimeter of the magnetic disk.

What is Inside?

Depending upon the polarity of the electromagnetic field generated in the coil (north pole, out of the coil, or south pole, into the coil) and the closest

permanent magnetic field on the disk, an attraction or repulsion force will exist. This causes the rotor to spin in a direction that allows an opposite pole on the perimeter of the magnetic disk to align itself with the electromagnetic field

generated by the coil. When the nearest opposite pole on the disk aligns itself with the electromagnetic field generated by the coil, the rotor will come to a stop and remain fixed in this alignment as long as the electromagnetic field from the coil is not changed.

VR stepper motors work in a very similar fashion. Figure 3 shows some of the physical details that characterize its operation. In a VR stepper motor, the surrounding coils that are physically located opposite of each other are

energized to create opposite magnetic fields. For example, in Figure 3a), coil C produces a south-pole magnetic field, and coil C produces a north-pole magnetic field. The magnetic

fields produced by the coils pass through the air gap and through the metallic rotor. Because the magnetic fields attract each other, the metallic rotor spins in a direction that brings the nearest edges (2 and 4) of the rotor as close as possible to the pair of energized coils (C and C). Like the PM stepper rotor, the VR stepper rotor will remain aligned to the coils as long as coils C and C are

energized and the magnetic fields are not changed. To move to the next state and continue this rotation, coils C and C must be deenergized, while coils A and

A must be oppositely energized to attract rotor edges 1 and 3 respectively. The same process occurs with coils B and B to attract rotor edges 2 and 4

respectively, and so on. Figure 3 shows how the rotor spins as the coils are energized and de-energized. This is an example of a 3-phase VR motor.

Figure 3. How the Variable Reluctance (VR) Rotor Spins

From the examples discussed earlier, we can see that if the electromagnetic fields in both the PM and VR stepper motors are turned on, off, and reversed in the proper sequence, the rotor can be turned in a specific direction. Each time an electromagnetic field combination is changed, the rotor may turn a fixed number of degrees. As these state changes in electromagnetic fields take place more rapidly, on the order of milliseconds, the rotor can rotate faster, smoother, and sometimes more quietly. Because of the mechanical limitations of the system, the rotor can only rotate effectively up to certain speeds.

An external device, such as an HCS12 microcontroller (or, MCU), is very good for controlling the electromagnetic sequences by directing the flow of

current through the coil windings. To do this, software can be written and loaded into an HCS12 MCU.

Waveforms that can Drive a Stepper Motor

Stepper motors have input pins or contacts that allow current from a supply source (in this applicationnote, a microcontroller) into the coil windings of the motor. Pulsed waveforms in the correct pattern can be used to create the

electromagnetic fields needed to drive the motor. Depending on the design and characteristics of the stepper motor and the motor performance desired, some waveforms work better than others. Although there are a few options to choose from when selecting a waveform to drive a two phase PM stepper motor, such as full-stepping or micro-stepping, this application note focuses on one called

half-stepping. A graph of the waveform is given in Figure 4.

In Figure 4a), four signals are shown. These signals can be produced by a dedicated stepper driver or a microcontroller. Each signal (a, a, b, b) is applied to a coil terminal. Because each coil has two terminals ，two signals must work together to drive a single coil. If we consider terminal a as a positive reference, then the combination of signals a and a cause the coil to see an effective signal A, shown in Figure 4b). Likewise, signal B in Figure 4b) is produced by combining signals b and b from Figure 4a).

It is worth noting that the individual waveforms (a, a, b, b) directly from the microcontroller pins to the coil terminals only vary from 0 V to +5 V. However, the effective signal (A, B) applied to the coil varies from –5 V to +5 V, and has positive and negative duty cycles. Two of these effective waveforms shown in Figure 4b), 90 degrees out of phase can be used to drive the PM stepper motor. Both waveforms are applied to the motor simultaneously. Each transition in one of the waveforms corresponds to a state change (movement) in the motor.

Altogether, Figure 4a) and b) show eight different states for half stepping. A step by step description of how these particular waveforms work together to move the motor shaft follows.

When coil signal A is positive and coil signal B is zero, current flows into coil

A through terminal a and out of terminal a. This generates a north-pole electromagnetic field toward the magnetic disk, which repels the nearest

north-pole section on the disk and attracts the nearest south-pole section. These forces cause the motor to rotate in a direction that will align opposite poles. Coil

B is not energized.

NOTE

The orientation of the rotor prior to energizing a single coil may be

unknown. It is possible that, for example, the rotor could be positioned, as shown in Figure 7c), when attempting to align itself, as in Figure 7a).

Figure 7c) is the worst case starting position for the desired alignment,

shown in Figure 7a). It is even possible that initially the rotor may not turn because the magnetic forces of the coil could be equally divided over pushing and pulling the north and south pole of the PM disk. If this happens, then moving to the next sequential step by energizing both coils should help jolt the rotor free.

While coil signal A is positively energized, the next transition occurs in coil

signal B. Coil signal B rises and positively energizes coil B, creating its own electromagnetic field. Electric current flows into terminal b and out of terminal b. The north-pole of both coils now share an attraction for the south-pole of the disk, causing the disk to realign (rotate) itself between shared attractions. The same action takes place with the south-pole of the coils and north-pole of the PM disk.

For the next transition, coil signal A falls to zero, leaving the signal in coil B to dominate the alignment of the PM disk.

In summary, coils A and B take turns controlling the PM disk. Before one coil releases full control of the disk, it shares control of the disk with the other coil. This temporary sharing creates a half-step in the transition of control from one coil to the next (half-stepping) and allows smaller, discrete turns to be taken by the motor. Although stepper motors are often used for their ability to make

discrete movements, they can also be used for smooth movements. In an ideal case, the waveforms that would allow the smallest incremental change would actually be sinusoidal to ensure the smoothest transition between full steps. In such a case, the distinction between states and specific steps become blurred. This implementation may be well suited for applications that seek to reduce or eliminate the discrete movement of the motor,which also reduces noise and vibration. This technique is often referred to as micro stepping. Although the digital waveforms in this example are not sinusoidal, their similarities to a

sinusoidal waveform can still be noted by comparing Figure 4 and Figure 5. A series of electromagnet changes over the period of both signals continue to work together in this fashion to rotate the PM disk.

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Figure 5. Smooth Transitions

步进电机初学者的快速入门

步进电机是一种靠电流驱动旋转的装置。实际上，步进电机是即可以由大电流驱动，不过小到几毫安的电流也足以能够驱动旋转。在步进电机上加入电流脉冲，就会引起电机主轴不连续的旋转。这就与直流电机的连续的旋转有区别。虽然有可能使步进电机运行在接近连续旋转的工作方式下，但要做到这些必须要给步进电机输入十分细密的脉冲波形才能够实现。图一描述

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了步进电机和直流电机在转动上的一些基本区别。

（图1 步进电机和直流电机的区别）

步进电机的类型：

现有很多可以的步进电机大多数可以分为两种：

1. 永磁式步进电机（PM）

这种步进电机转动时是靠永磁铁和一种电流脉冲产生的电磁力这两者产生的动力驱动的。这种步进电机一个特征是，一旦它没有了供给动力，电机就会呈现出阻止旋转的磁阻以实现定位。

2. 反应式步进电机（VR）

不同于永磁式步进电机，反应式步进电机没有永磁铁，它的转动完全是靠电磁力。当反应式步进电机断电的时候，它不会出现磁阻以使电机定位。 电机的内部结构是什么？

一般地，一个步进电机是由定子、转子和线圈绕组组成的。定子是环绕在机壳周围的固定不动的部分。而在使用期间转子实际上则是电机内部的一个主轴。根据这些部分的特征安排它们怎么组成就可以确定步进电机是反应式步进电机还是永磁式步进电机。图2和图3给出了这些内部元件的例子。

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（图2 永磁式步进电机）

永磁式步进电机的转子实际上是永磁铁。有时，电磁铁是以磁盘的形状围绕在转子轴上的。用磁盘的组成是以南北磁极交错放在一起，磁盘上磁极的数量随电机型号的不同而不同。如图2所示的一些简单的仅有两个磁极的永磁式步进电机，有些电机也会有较多的磁极。定子通常有两个或多个线圈绕组，每个线圈都围绕着一个金属铁心。

当电流流经线圈绕组时，线圈就会产生磁场。在线圈中放置金属铁心能有效的增加线圈中的电磁场。

由线圈中产生的电磁场（磁场线有N极发出，S极进入）和磁盘中最接近的永久磁场，将会存在一个吸引力或一个排斥力。这个力使转子朝着一个方向旋转，该方向允许磁盘边缘上的一个极性相反的磁极调整自己以便和线圈产生的电磁场排列一致。当磁盘中最接近的相反磁极和线圈产生的电磁场排在一条线上时，转子将会停止转动，并且只要这个来自线圈的电磁场不改变，转子就在排成的直线方向保持固定不变。

反应式步进电机以类似的方式工作。如图3所示，给出了表征其运行机制的物理学细节。在一个反应式步进电机中，给彼此相反安装的绕组通电，造出一个极性相反的磁场。例如图3-a中，线圈c产生一个s级磁场，线圈c

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产生一个N级磁场。由线圈产生的磁场通过气隙和金属转子，因为磁场相互吸引，金属转子的转子齿（2和4）就会朝着与其最接近的线圈（c和c）的方向旋转。和永磁式步进电机一样，只要c相线圈通电且磁场没有改变，反应式步进电机的转子将和线圈轴重合在一条直线上保持不变。为了进入下一个状态和继续转动，c相必须断电，而A相必须通电来吸引转子齿1和3.B相执行相同的步骤来吸引转子齿2和4。图3说明了转子式如何随着线圈通断电而转动的，图中是一个3相反应式步进电机的一个例子。

（图3 反应式步进电机如何转动）

从上面讨论的例子中，我们可以知道，如果在永磁式步进电机和反应式步进电机中的电磁场被开通、关断并且以适当的顺序转变，转子就能以确定的方向转动。电磁场每改变一次，转子转动一个固定的角度，随着电磁场状态改变的加快（以毫秒的次序），转子能更快，更平稳的运转，通常噪声也会很低。但是因为系统机械特性方面的限制，转子只能在一定的转速范围内有效的转动。

一个外部的设备，如HCS12微控制器，是专门控制电磁场变化顺序的，它是通过控制电机每相通电的的顺序来实现控制的。为了做到这些，软件程序要编写并输入到HCS12微控制器中。

步进电机的驱动波形

步进电机通过输入引脚，使电源（本文中为微控制器）提供的电流进入电机的线圈中，一些合适类型的脉冲波形可以使步进电机产生电磁场从而去驱动步进电机。根据步进电机的设计和特点以及电机在实际中的需要，一些类型的波形要优于其它的。当选择波形去驱动两相永磁式步进电机时，有几

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种操作方式可供选择，如全波步进信号，本文中重点放在半波步进信号。波形图如图4所示。

在图4a）中，显示了4种信号。这些信号可以通过特定的驱动器或微控制器产生。每一种信号（a，a，b，b）被接到线圈端口上。由于每一个线圈有两个端子，两个信号必须一起工作去驱动一个线圈。如果我们以为端口a是一个正相关，则信号a和a的组合就如图4b）所示的信号A。同样地，图4b）所示的信号是图4a）中信号b和b的组合。

需要说明的是独立的波形（a，a，b，b）直接从微控制器接到线圈端口所产生的范围仅仅为0到+5V。然而，信号A,B接到线圈中的范围则可以从-5V到+5V，且有正负之分。正如图4b）所示的两种复合波形，超过相角90度也可以去驱动永磁式步进电机。两种波形同时被运用到电机中。每一次转变，一种波形在电机中会有相应的变化。图4a）和图4b）一共显示了8种不同的半波步进信号，每一步都描述了这些波形是如何驱动步进电机工作的。

当线圈中信号A是正，而线圈中信号B为零，电流从线圈的端口a输入，从端口a流出。导致一个电磁场的N极对向电磁铁，与电磁铁的N极相排斥，与S极相吸引，从而驱动电机的旋转。而线圈中信号B没有发生任何变化。

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当线圈中的信号A被置正，下一转变发生于线圈中的信号B。当信号B增大为正时，在线圈中就产生自身的电磁场，电流从端口b流入，从端口b流出线圈的N极吸引电磁铁的S极，从而使电磁铁在引力的作用下转动，电磁场的S极和电磁铁的N极也会发生同样的变化。

为了下一信号的传输，线圈信号减小到零，线圈信号B输入到永磁式步进电机的磁盘中以控制电机转动。

总之，线圈A,B轮流为永磁式步进电机输入信号。 在一相信号完全控制步进电机之前，它与另一相共同控制电机运转。 这种临时分享在控制的转折处创造出从一相到下一相的半拍转动(半拍信号)并且允许电机有更小的分离转动。 虽然步进电机的常用的功能是为了它们能做分离转动，它们也能在一定的条件下做连续转动。 在理想的情况下，将准许的信号波形做一些较小变动，实际上这样可以保证电机在充分的步数之间做正弦式的连续转动。 在这种情况下，状态和具体步数之间的分别变得连续起来。 这种方法也许是非常合适的为了寻求减少或消灭电机的离散式的转动，也能运用到减少噪声和振动方面。 这个技术经常指微型控制。 虽然在本例中的数字式信号波形不是正弦的，他们的对正弦信号波形的相似性可能通过比较图4和图5。两个信号之间一系列的电磁体变动，这种方式能使永磁式步进电机做连续的转动。

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