基于单片机的步进电机控制系统研究_开题报告

一、文献综述

（一）国内研究现状

我国步进电机的研究及制造起始于本世界50年代后期，从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。70年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。至80年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。

近年来,步进电机凭借其定位精度高、使用方便、性价比高、容易控制等优点,在各领域受到广泛应用。随着网络技术的深入发展，对步进电机的研究 也逐步从单机运行转向网络化控制．如我国数控加工设备，目前大多数仍处于单机运行方式，采用手工或微机辅助分段输入、分段加工的方法，设备利 用率普遍较低。在多种小批量的条件下，机床的切割时间只有 25﹪，若是将各种数控加工设备通过总 线联网，构成 DNC（Distributed Numerical Control：分布式数控）系统，机床的切割时间就可达到 65﹪，而且易于实现集成化控制和管理，是步进电机很有前途的发展方向之一。

牛慧佳（2018）介绍了该系统总体设计方案,以及步进电机驱动系统,研究了步进电机控制系统硬件电路设计,分析了主程序设计和系统调试。郭昊坤（2018）利用C52单片机设计了一种步进电机控制系统,介绍了其总体方案、主控制模块、驱动电路、键盘、晶振电路模块等,并使用Protues绘制仿真图,与编程软件进行联合调试仿真。仿真结果表明,所设计的步进电机控制系统正确有效。 姜昊（2019）通过分析步进电机系统的工作原理,对步进电机系统进行规划设置。达到降低步进电机的使用成本,提高步进电机的效率与性能的效果，主要探讨基于单片机的步进电机系统设计方法。 随着我国社会经济结构的不断优化与升级,加工制造工业得到了长足发展。加工制造工业体系的日益成熟,使得步进电机应用的范围越来越广泛,逐渐成为工业生产与社会生活中必不可少的工业组成。刘建南（2016）从单片机角度出发,在相关科学理论的基础上,探究单片机在步进电机控制系统中的应用,以期在提升步进电机性能的同时,促进我国工业体系的健康快速发展。张占立（2011）分析了步进电机起动、停止时的加减速曲线特性;采用STC89C52单片机,以S加减速曲线为基础,实现了步进电机的加减速控制和换向控制;实现了步进电机转速的LCD显示、加工时间的数码管动态显示。并对采用单片机开发步进电机控制系统提供了一定的借鉴。 

（二）国外研究现状

步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电机在众多领域的应用。在近30年间，步进电机迅速地发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机、以及同步电机并列，从而成为电机的一种基本类型。

国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。 

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应用中还比较常见。

（三）研究的目的与意义

本课题研究的目的是综合运用所学的知识，加强对所学知识的理解，锻炼设计单片机应用系统能力，以单片机为核心设计一个简单、经济，但功能较为齐全、适应性强，操作方便、交互性强，可靠性高的步进电机控制系统。步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的控制微电机,其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例。通过改变电脉冲频率,可在大范围内进行调速。同时,该电机还能快速起动、制动、反转和自锁。此外,步进电机易于实现与计算机或其他数字元件接口，适用于数字控制系统。步进电机只需采用最简单的开环控制就可取得非常高的控制精度，且这种系统不需要反馈信号，系统硬件实施比较简单。

本课题研究的意义是了解单片机的内部结构、组成，学习单片工作原理及其内部工作状态，并熟悉不同时刻，单片机输入输出情况；了解步进电机的分类和用途，掌握步进电机内部结构及其工作原理，并学习使用单片机简单控制步进电机的正传、反转、加速、减速以及简单了解国内外步进电机的发展状况。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。所以，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。

（四）研究前景展望

步进电动机经过几十年的发展，已成为除直流 电动机和交流电动机以外的应用最广泛的第三类电动机。在开环高分辨率的定位系统中，至今还没有发现更合适取代它的产品，特别是在一些功率相当小的系统中，步进电机更具有无可替代的主流地位。预计未来步进电机的研究还会持续深入下去，研究方向之一是电机与驱动的一体化，使步进电机 体积更小巧、性能更优越，性价比更高，在大量的 民用设备中批量化使用，如家庭机器人、民用智能化设备等；研究方向之二是在功率或机座号相对较大的步进电动机中，与属于BIDCM（稀土永磁无刷直流电机）的交流伺服电动机系统会合，具体来 说可能会借鉴交流伺服系统的控制技术，但保留了部分步进电动机的特点，形成一种新的“步进伺服 电动机”或“伺服步进电动机”，在克服低频振荡、 高频过载能力小、快速性不足和效率低等方面取得突破性进展，从而在现代军事、精密机械加工、航空航天等领域的应用越来越深入。

二、^范文提纲

1绪论

1.1课题的来源及意义

1.2课题研究的内容

1.3国内外研究概况及发展趋势

2控制系统设计方案选择

2.1总体方案选择

2.2各部分电路方案选择

3硬件电路设计

4系统软件设计

4.1方案论证

4.2主程序设计

4.3定时中断设计

5仿真与调试

5.1Proteus软件介绍

5.2开发软件Keil介绍

5.3仿真结果

6总结与展望

三、参考文献

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