重慶三峽學院
課程設計報告書
題目：基於步進電機控制系統的設計
學院（系）： 應用技術學院
年級專業： 08級電信（應電）
學號： 200815254123
學生姓名： 宋傳強
指導教師： 謝輝
教師職稱： 副教授
完成日期2023年12月24日
目錄目錄 2
摘要 3
設計任務 3
第一章步進電機概述 3
1.1 步進電機的組成 ： 3
1.2 步進電機旋轉原理： 3
1.3 步進電機的技術引數與控制： 4
第二章設計方案論證 6
第三章硬體電路的設計 6
3.1 系統設計框圖 6
3.2 系統復位電路 6
3.3 時鐘電路 7
3.4 電機驅動電路 8
3.5正反轉及速度檢測電路 9
第四章設計心得 9
參考文獻 9
附錄a 程式清單 10
附錄b元器件清單 11
附錄c原理圖 12
附錄d pcb圖 13
摘要本次課程設計我們組主要是設計了乙個可以控制正反轉，速度8級可控的步進電機控制電路。採用撥碼開關對正反轉和速度進行設定，將設定好的訊號傳送給微控制器，對微控制器進行程式設計，就可以使微控制器發出控制訊號去驅動步進電機轉動，但是由於微控制器的驅動電流太小，因此我們在微控制器和步進電機之間接了兩級驅動電路。為了使步進電機速度變快，我們在設計時還在步進電機前加了加速電阻和瀉放二級管。
關鍵詞：微控制器步進電機速度控制方向控制
設計任務
1、設計乙個能實現正反轉的步進電機控制電路；
2、設計乙個能實現正反轉和速度可控制的步進電機控制電路；
3、設計乙個能實現正反轉和8級速度可控的步進電機控制電路。
第一章步進電機概述
1.1 步進電機的組成 ：
步進電機是將電脈衝訊號轉變為角位移或線位移的開環控制項。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決於脈衝訊號的頻率和脈衝數，而不受負載變化的影響，即給電機加乙個脈衝訊號，電機則轉過乙個步進角。這一線性關係的存在，加上步進電機只有週期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。
可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
以四相步進電機為例，電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有四個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。0、1/4て、1/2て、3/4て,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即a與齒1相對齊，b與齒2向右錯開1/4て，c與齒3向右錯開1/2て，d與齒4向右錯開3/4て。
1.2 步進電機旋轉原理：
如a相通電，b，c，d相不通電時，由於磁場作用，齒1與a對齊，**子不受任何力以下均同）。
如b相通電，a，c，d相不通電時，齒2應與b對齊，此時轉子向右移過1/4て，此時齒3與c偏移為1/4て，齒4與a偏移（て-1/4て）=1/2て。
如c相通電，a，b，d相不通電，齒3應與c對齊，此時轉子又向右移過1/4て，此時齒4與a偏移為1/4て對齊。
如d相通電，a，b，c相不通電，齒4應與d對齊，此時轉子又向右移過1/4て，此時齒5與a偏移為1/4て對齊。
如a相通電，b，c，d相不通電，齒5與a對齊，轉子又向右移過1/4て
這樣經過a、b、c、d、a分別通電狀態，齒5（即齒1前一齒）移到a相，電機轉子向右轉過乙個齒距，如果不斷地按a，b，c，d，a……通電，電機就每步（每脈衝）1/4て,向右旋轉。如按a，d，c，b，a……通電，電機就反轉。
由此可見：電機的位置和速度由導電次數（脈衝數）和頻率成一一對應關係，而方向由導電順序決定。
不過，出於對力矩、平穩、噪音及減少角度等方面考慮。往往採用a-ab-b-bc－c-cd-d-da-a這種導電狀態，這樣將原來每步1/4て改變為1/8て。甚至於通過二相電流不同的組合，使其1/4て變為1/16て，1/32て，這就是電機細分驅動的基本理論依據。
不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移て/m, 2て/m……(m-1)て/m,て。並且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制這是步進電機旋轉的物理條件。
只要符合這一條件我們理論上可以製造任何相的步進電機。
1.3 步進電機的技術引數與控制：
步進電機的三個重要引數是相數、拍數和步距角。
相數：產生不同對極n、s磁場的激磁線圈對數。常用m表示。
拍數：完成乙個磁場週期性變化所需脈衝數或導電狀態，或指電機轉過乙個齒距角所需脈衝數，用n表示。以四相電機為例，有四相單四拍執行方式即a-b-c-d，四相雙四拍執行方式即ab-bc-cd-da,四相八拍執行方式即a-ab-b-bc-c-cd-d-da。
電機正反轉控制：當電機繞組通電時序為c-cd-d-da-a-ab-b-bc為時正轉，通電時序為bc-b-ab-a-ad-d-cd-c時為反轉。
1.3.1 步進電機的方向控制：
以下以四相八拍的步進電機，具體說明如下:
四相八拍拍控制模型如表1、2所示：
表1表2
1.3.2 步進電動機的速度控制：
步進電機速度的控制是通過控制微控制器發出的步進脈衝的頻率來實現。對於軟體脈衝分配方式採用調整兩個控制字之間的時間間隔來實現調速；對於硬體脈衝分配方式則採用定時中斷方式來調整脈衝頻率從而實現調速。根據以上所述，控制步進電機速度的方法有兩種。
(1)軟體延時法：通過呼叫標準的延時子程式，改變兩控制字之間延時時間來實現。採用軟體延時方法實現速度調節的優點是程式簡單，思路清晰，不占用硬體資源，缺點是cpu的等待時間過長，占用大量機時，因此沒有實用價值。
(2)定時器中斷法。以805l微控制器為例，在中斷服務子程式中進行脈衝輸出操作，調整定時器的定時常數就可實現脈衝頻率的調整，從而實現調速。這種方法占用cpu時間較少，容易實現，是一種比較實用的調速方法。
在本系統中我們採用了軟體延時的方法，並用撥碼開關來控制其速度，該系統的速度可以分為8個級速，分別如下表所示：
表3第二章設計方案論證
方案一：通過鍵盤輸入控制資訊，在讓微控制器去掃瞄鍵盤，進而起到對步進電機控制的得目的。
方案二：通過撥碼開關輸入控制資訊，在讓微控制器去取樣指定得口來獲得控制資訊，由獲取得資訊判斷是執行那段程式，以達到控制步進電機得目的。
上述方案比較得：方案一由於要使用鍵盤，大大增加了成本，而且使電路變得複雜，可能還要擴充套件晶元，而方案二電路簡單，所需成本低，實現相對方案一要簡單。
第三章硬體電路的設計
3.1 系統設計框圖
因為步進電機工作時的驅動電流比微控制器埠所能提供的要大得多．微控制器要控制電機的運動就不能直接將埠與電機各端相連，必須使用一定的介面電路和驅動電路。介面電路一般為鎖存器，也有使用可程式設計介面晶元，如8255a。驅動器多選用大功率復合管。
當然，考慮到實際使用中的干擾和電壓安全，一般都要在微控制器與驅動器之間使用必要的光電隔離器。如圖4所示
圖4 步進電機控制系統組成框圖
3.2 系統復位電路
復位是微控制器的初始化操作，只要給reset引腳加上2個機器週期以上的高電平訊號，即可使微控制器復位。除了進入系統的正常初始化之外，當程式執行出錯或是操作錯誤使系統處於死鎖狀態時，為了擺脫死鎖狀態，也需要按復位鍵重新復位。
在系統中，為了實現上述的兩項功能，常採用的按鍵電平復位電路，如圖5所示。
圖5 按鍵電平復位電路
從圖中可以看出，當系統得到工作電壓的時候，復位電路工作在上電自動復位狀態，通過外部復位電路的電容充電來實現，只要vcc的上公升時間不超過1ms就可以實現自動上電復位功能。在本系統中，採用10uf的電容和10kω的電阻來實現復位電路。當系統出錯時，直接按開關實現模擬系統上電復位的功能，從而實現系統重新復位啟動。
3.3 時鐘電路
時鐘電路是用於產生微控制器工作時所必需的時鐘訊號。時鐘是微控制器的心臟，微控制器各功能部件的執行都是以時鐘頻率為基準的，有條不紊地一拍一拍地工作。時鐘頻率直接影響微控制器的速度，時鐘電路的質量也直接影響微控制器系統的穩定性。
在本系統中採用內部時鐘方式的電路，如圖6所示。
圖6 時鐘電路
電路中的由於晶振為11.0592mhz，所以電容c1、c2典型值為30pf。外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但是電容的大小會影響振盪器的穩定性和起振的快速性。
同時，在系統中採用11.0592mhz的晶體振盪器來產生時鐘脈衝。一方面，可以滿足系統在設計時的機器週期的需要；另一方面，在進行序列口通訊的時候能夠提供精準的通訊波特率。
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