步进电机的单片机控制设计_开题报告

1 研究的课题和选题意义 

1.1研究的课题：步进电机的单片机控制设计

1.2理论意义：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。 

1.3现实意义：采用低价的单片机控制系统, 可直接对步进电机进行控制，省去了昂贵的专用步进电机控制器，简化了硬件线路，降低了成本，提高了系统的可靠性。通过人机交互换接口可实现各功能设置，操作简单，易于掌握。 

2  ^范文综述 

2.1理论的渊源及演进过程：步进电机的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。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。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、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。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，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。但是目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给客户在产品选型、使用中造成许多麻烦。

2.2步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：

2.2.1控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A—B—C—D，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。

2.2.2控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 

2.2.3控制步进电机的速度 

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

2.3步进电机的特点

2.3.1一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。

2.3.2 步进电机外表不允许较高的温度。

2.3.3 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

2.3.4 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。

2.3.5由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

2.3.6步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。

2.3.7速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。

2.3.8步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。

2.3.9步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。

2.3.10步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

3  ^范文提纲  

3.1.^范文研究的可行性                                                                                                                                           

3.1.1^范文的理论依据：结合《数字电路技术》、《电子技术基础课程设计》、《模拟电子技术基础》、《单片机》等有关知识进行设计。  

3.1.2^范文的研究方法：按照设计要求及相关器件的原理进行研究和修改。 

3.1.3^范文的研究内容：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. 

3.2 研究条件和可能存在的问题: 

3.2.1研究条件：与步进电机控制系统有关的参考书籍和网络资源。 

3.2.2可能存在的问题：电路设计可能存在偏差，实际结果不是足够精确。 

3.3预期的结果   

3.3.1预期的效果：本设计是采用STC89C51单片机对永磁式步进电机的控制，通过I/O口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机。根据不同的需要我们可以有十个不同档位速度的选择，并可以实现正反转。为了更显人性化，我们加上了一个数码管显示，显示步进电机的运行状态。

3.4结论：单片机控制步进电机运动系统可划分为两个部分来分别实现，通过软硬件电路的合理设计，可达到设计要求。

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