2017 屆電子信息工程專業(yè)本科畢業(yè)論文第 1 頁 共 34 頁基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：步進(jìn)電動機(jī)由于利用其組成的開環(huán)系統(tǒng)簡單、廉價、實(shí)用價值高的特點(diǎn)。因此在精度要求比較高的精密儀器以及各種控制裝置中有著極其廣泛的應(yīng)用如:噴繪機(jī)、刻字機(jī)、線切割、機(jī)器人等領(lǐng)域。本文介紹的是一種基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用 C 語言編寫出電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止程序代碼，通過單片機(jī)、電機(jī)的驅(qū)動芯片 ULN2003 以及相應(yīng)的按鍵實(shí)現(xiàn)以上操作功能，步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)用相應(yīng)的 LCD1602 顯示。本文內(nèi)容介紹了步進(jìn)電機(jī)以及單片機(jī)原理、該系統(tǒng)的硬件電路、軟件程序。并對軟、硬件進(jìn)行調(diào)試，同時介紹了調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題以及解決問題的方法。該設(shè)計(jì)具有思路清晰、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過調(diào)試實(shí)現(xiàn)了上述功能。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 脈寬調(diào)制 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 單片機(jī)Abstract: Stepper motor due to the use of the open loop system consisting of a simple, cheap, and the characteristics of high practical value. So in accuracy requirement high precision instrument and various kinds of control device has the extremely widespread application, such as: spraying machine, carving machine, thread cutting, robot, etc. Is introduced in this paper a system based on single-chip stepper motor design, using C language to write the motor forward, reverse, acceleration, deceleration and stop the program code, through single chip, motor drive chip ULN2003 as well as the corresponding button to achieve the above operation function, the working state of the stepper motor with the corresponding LCD1602 display. Content of this article introduces the principle of step motor and single chip microcomputer, hardware circuit and software program of the system. And the hardware and software debugging, and introduces the debugging process problems and the methods to solve the problem. This design has ideas clearly, high reliability, strong stability, etc, through debugging realized the function.Key Words: Stepper motor; Pulse-width modulated; driving mechanism; scm 2017 屆電子信息工程專業(yè)本科畢業(yè)論文第 2 頁 共 34 頁1 緒論1.1 引言在眾多的執(zhí)行元件中,步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電設(shè)備不可缺少的元件。步進(jìn)電機(jī)是一種微型電機(jī),它的工作原理是利用電子電路,將直流電變成分時供電的,多相時序控制電流。用此電流供電,電機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn),而它的具體工作過程是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或者是線位移來達(dá)到轉(zhuǎn)動的目的。在數(shù)控系統(tǒng)、自動生產(chǎn)線、自動化儀表中應(yīng)用電機(jī)實(shí)現(xiàn)其調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制的功能已普遍存在,它最突出的優(yōu)點(diǎn)是能在寬頻率中改變脈沖頻率對步進(jìn)電機(jī)實(shí)施控制。并且組成的開環(huán)系統(tǒng)利于人們控制,操作簡便。微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟,使步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)電子自動化、印刷設(shè)備、機(jī)器人和智能醫(yī)療設(shè)備中的需求量不斷提高,對于研制出具有高精確度、實(shí)時監(jiān)控、數(shù)字顯示的步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)有著很大的實(shí)用意義。這次設(shè)計(jì)選用 28BYJ-48 型號四相步進(jìn)電機(jī),它有三種工作模式,利用其單雙相工作模式進(jìn)行工作,使其提高步進(jìn)的精度。整個控制系設(shè)計(jì)組成有:電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)、液晶顯示和按鍵部分設(shè)計(jì)三大模塊。1.2 課題研究的目的和意義本文選用 28BYJ48 型五線四相步進(jìn)電機(jī),采用單雙相工作模式。采用單片機(jī)控制脈沖數(shù)使其步進(jìn)電機(jī)完成驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)一系列指定工作要求。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步轉(zhuǎn)動的,所以研究其工作原理和工作模式有著很大的實(shí)用意義。通過單片機(jī)的控制,讓步進(jìn)驅(qū)動器接收脈沖信號,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按預(yù)設(shè)定的方向,轉(zhuǎn)動一個固定的角度,實(shí)現(xiàn)其指定功能。在掃描儀、打印機(jī)、DVD-ROM 驅(qū)動器的應(yīng)用中尤為頻繁。研究步進(jìn)電機(jī)可以從研究單片機(jī)脈沖的控制開始入手,通過控制脈沖個數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量達(dá)到控制的目的。在實(shí)際工作過程中可以用作準(zhǔn)確定位。通過設(shè)計(jì)硬件電路和程序編寫,利用其上述步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)來作為設(shè)計(jì)目的,研究完成電機(jī)的工作模式和功能調(diào)試。2017 屆電子信息工程專業(yè)本科畢業(yè)論文第 3 頁 共 34 頁2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)2.1 步進(jìn)電機(jī)介紹2.1.1 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)作為本系統(tǒng)的主要組成部件。它在不超載的狀況下,其運(yùn)行的轉(zhuǎn)速、停止方位只由脈沖信號的頻率和脈沖個數(shù)所決定,且不受負(fù)載變化而變化。它的積累誤差幾乎沒有,要驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時,只需按照一個脈沖信號驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角的方法即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種特有的線性關(guān)系,讓步進(jìn)電機(jī)在速度和定位相關(guān)的行業(yè)中,變得非常易于控制。不同的步進(jìn)電機(jī)又因?yàn)閺S家設(shè)置的電機(jī)參數(shù)不同,性能也迥異,因此選擇一個合適步進(jìn)電機(jī),了解其性能指標(biāo)參數(shù)尤為重要,這決定了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用場合。輸入信號的時候,通過步進(jìn)電動機(jī)對數(shù)字量能直接接收的特點(diǎn),使其免去了大量繁瑣的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的工作,利用單片機(jī)簡單的程序代碼即可讓其實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動,因此非常適合用于微機(jī)控制。這次設(shè)計(jì)采用帶減速比步距角為 5.625/64 度的四相永磁式步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)有如下: 1、相數(shù):在不同磁力作用下 N、S 磁場的激磁線圈對數(shù)。一般用符號 m 表示。2、拍數(shù):是指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距角完成磁場周期變化所需要的脈沖數(shù),常用 n 表示。以四相四拍運(yùn)行方式為例:即 BC-CD-DA-AB-BC;四相八拍運(yùn)行方式即 B-BC-C-CD-D-DA-A-AB-B.3、步距角:輸入一個脈沖信號,步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)過的機(jī)械位移(角位移)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的機(jī)械位移用 表示。=360 度/(轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運(yùn)行拍數(shù)),以現(xiàn)在應(yīng)用普遍的二、四相,轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)為 50 齒的步進(jìn)電機(jī)作計(jì)算說明。四拍運(yùn)行時步距角等于 1.8 度,八拍運(yùn)行時步距角等于 0.9 度。通過計(jì)算:八拍運(yùn)行時,不帶減速齒輪情況下,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈需要走 400 步。4、步距角精度:即電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)過的步距角和理論上計(jì)算的步距角之間的誤差范圍。四拍和八拍運(yùn)行時,誤差范圍分別應(yīng)該在為 5%和 15%以下。5、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：2017 屆電子信息工程專業(yè)本科畢業(yè)論文第 4 頁 共 34 頁電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與電機(jī)內(nèi)部繞組密切相關(guān),通過相與相之間的通電順序不同,轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)方向便發(fā)生變化如:通電相序?yàn)?B-BC-C-CD-D-DA-A-AB 時則正轉(zhuǎn),通電相序?yàn)锳B-A-DA-D-CD-C-BC-B 時則反轉(zhuǎn)。2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的工作原理是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或是直線位移,當(dāng)電流流過定子繞組時,定子繞組生成一個磁場。此磁場會使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度。給輸入一個電脈沖信號進(jìn)入電機(jī),電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度。而輸入信號的脈沖數(shù)與步進(jìn)電機(jī)的角位移量成正比,輸入信號脈沖頻率高低又與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比,因此只要改變繞組相通電的順序,電機(jī)就會正反轉(zhuǎn)動。所以可用控制脈沖的數(shù)量、頻率高低、相繞組通電順序的這些方法,來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。如下圖所示 28BYJ48 五線四相步進(jìn)電機(jī)工作原理圖,采用單極性直流電源供電方式。通過對相繞組通電順序的改變,使產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化,磁力之間相互要達(dá)到平衡狀態(tài)。使步進(jìn)電機(jī)完成在不同拍數(shù)之間工作模式的轉(zhuǎn)動。圖 21 是該步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。圖 2-1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖單四拍工作時,開關(guān) SB 合上時,其余三個開關(guān)斷開。B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、3 號齒對齊,同時轉(zhuǎn)子的 1、4 號齒就和 C、D 相繞組磁極錯開,直至相互之間的磁拉力達(dá)到平衡;2、52017 屆電子信息工程專業(yè)本科畢業(yè)論文第 5 頁 共 34 頁號齒就和 D、A 相繞組磁極在磁拉力作用下錯開,最后轉(zhuǎn)子受力平衡不再轉(zhuǎn)動。當(dāng)開關(guān) SC 合上時,其余三個開關(guān)斷開。因?yàn)?C 相繞組產(chǎn)生的磁力線和 1、4 號齒之間磁力線的相互作用,所以轉(zhuǎn)子因此而轉(zhuǎn)動。磁力達(dá)到平衡后 1、4 號齒和 C 相繞組的磁極就隨之對齊了。在磁拉力作用下 0、3 號齒和 A、B 相繞組開始錯開;而在此時,2、5 號齒就與 A、D 相繞組磁極錯開,相應(yīng)的磁拉力達(dá)到平衡。按照上述方法依次類推出 A、B、C、D 相的通電順序,則電機(jī)按照四個相數(shù)通電順序依次轉(zhuǎn)動。1 相勵磁方式(單相)、2 相勵磁方式(雙相)與 1-2 相勵磁方式(單雙相)工作時的電源通電時序波形圖分別如圖 2-2 所示:圖 2-2 步進(jìn)電機(jī)工作時序波形圖2.1.3 步進(jìn)電機(jī)的分類與選擇步進(jìn)電機(jī)的種類劃分可分為三種:反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī);作為特種電機(jī)來說,它們的應(yīng)用各有如下優(yōu)缺點(diǎn):反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),一般為三相。步距角可以設(shè)計(jì)得很小,一般為 1.5 度。此類電機(jī)可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,但其缺點(diǎn)是動態(tài)性能相對較差,噪聲和振動很大；80 年代在歐美發(fā)達(dá)國家中已被淘汰。永磁式步進(jìn)電機(jī),一般為兩相。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩出力大,動態(tài)性能好,轉(zhuǎn)矩和體積較小。通常步進(jìn)角為 7.5 度 或者為 15 度。2017 屆電子信息工程專業(yè)本科畢業(yè)論文第 6 頁 共 34 頁混合式步進(jìn)電機(jī)則融合了永磁式和反應(yīng)式兩者的優(yōu)點(diǎn)?？煞譃閮上嗪臀逑鄡煞N,且它們的步進(jìn)角分別為 1.8 度和 0.72 度。這種在工業(yè)制造中的混合式步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用甚廣,不僅步距角小,輸出力矩大,而且動態(tài)性能也很好。在智能設(shè)備以及精確度要求高的工藝加工中多用此類型步進(jìn)電機(jī)。本設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)采用市場最常見的小型號 28BJY48 步進(jìn)電機(jī),此電機(jī)為四相八拍步進(jìn)電機(jī),工作電壓為 5V。此步進(jìn)電機(jī)具有體積小、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。對于初步入門學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)者來說,最為合適。28BJY48 步進(jìn)電機(jī)具參數(shù)如圖表 1-1 所示。表 1-1 28BJY48 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)28BJY48 步進(jìn)電機(jī)以單雙八拍為工作模式，其繞組通電時序?yàn)?A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，其步距角是最小步距角的 16 倍。通過單片機(jī)的 P1 口把電機(jī)的 A 相、B 相、C 相及 D 相的真值表轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識別的十六進(jìn)制，并通過脈沖控制 P1 口不同相序通電后步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)真值表如表 1-2 所示。表 1-2 步進(jìn)電機(jī)單雙八拍旋轉(zhuǎn)相序真值表橙（A） 黃（B）粉（C）藍(lán)（D）十六制（P1 口）1 0 0 0 0x081 1 0 0 0x0c0 1 0 0 0x04電機(jī)型號電壓V相數(shù)相電阻 10%步距角度 減速比起動轉(zhuǎn)矩100P.P.Sg.cm起動頻率P.P.S定位轉(zhuǎn)矩g.cm28BYJ-48 5 4 300 5.625/64 1:64 300 550 3002017 屆電子信息工程專業(yè)本科畢業(yè)論文第 7 頁 共 34 頁0 1 1 0 0x060 0 1 0 0x020 0 1 1 0x030 0 0 1 0x011 0 0 1 0x092.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)介紹2.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)簡介步進(jìn)電機(jī)工作時,不像直流電機(jī)那樣直接通入交流電便可開始工作,需要專用設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動工作。其中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)由選擇也至關(guān)重要,性能不同的驅(qū)動系統(tǒng)的共同點(diǎn)是其組成部分大致都一樣,都由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)三部分所組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能與很多因素有關(guān)如:驅(qū)動器自身性能優(yōu)劣,以及驅(qū)動的電機(jī)和設(shè)計(jì)得驅(qū)動電路好壞等。而其工作過程是由步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出步進(jìn)脈沖和方向信號來完成的。每發(fā)出一個電脈沖,驅(qū)動器則驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角,并依次按照發(fā)送電脈沖的順序和個數(shù)讓步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器只要接收到來自單片機(jī)控制器的方向信號和步進(jìn)脈沖后,控制電路就按已經(jīng)設(shè)定好的相序通電方式,讓相繞組通電或斷電。通常,+5V 供電的單片機(jī)控制輸出信號功率一般都不高,不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率,在運(yùn)用設(shè)計(jì)電路知識時,應(yīng)添加功率放大電路,此設(shè)計(jì)所用功率放大芯片為 UNL2003。2.2.2 步進(jìn)電機(jī)繞組的電氣特性步進(jìn)電機(jī)各相繞組由銅線圈纏繞而成,涉及線圈那么可由電阻和電感特性分析電機(jī)相繞組,通過其分析電阻電感組成的電路,來分析電機(jī)工作時受影響的參數(shù)。當(dāng)繞組通電時,由于電感會削弱電流,限制繞組電流上升的速率,因此能導(dǎo)致電機(jī)繞組電流大小發(fā)生變化。而繞組線圈電阻的存在又會使電機(jī)溫度升高、電能白白損耗,最終影響其電機(jī)工作的工作狀態(tài)。因此分析這些影響電機(jī)工作的因素尤為重要。2017 屆電子信息工程專業(yè)本科畢業(yè)論文第 8 頁 共 34 頁圖 2-3 電感-電阻串聯(lián)電路及其電流波形圖 2-3 為電感一電阻串聯(lián)電路,由電機(jī)相繞組等效而來。當(dāng) t=0 時刻時,直流電壓源 V 施加到該電路上,電路電流變化規(guī)律可由以下公式推導(dǎo): I(t)=V(1-e-Rt/L)/R通電瞬間繞組電流上升速率為:di(0)/dt=V/t如圖可知,當(dāng)電流達(dá)到最大值時為:Imax=V/R由上圖可知,當(dāng)電路中的電流達(dá)到最大電流 Imax 的 63%時,所需要用的時間是由L/R 定義的時間常數(shù)決定的。在 t=t1 時刻,曲線到達(dá)最高點(diǎn)轉(zhuǎn)而開始下降,電流開始以初始速率一 V/L 下降,直至逐漸下降為零。而此時刻反映在電路中的現(xiàn)象為:電路斷開與直流電壓源 V 接通,并使之短路。其電流變的化規(guī)律如下公式推導(dǎo):I(t)=Ve-R(t-t1)/L/R如圖 2-4 所示,在施加不同頻率的電壓矩形波之后,電流波形圖中電流的大小變化。(a)片段所顯示的是低頻時運(yùn)行時,步進(jìn)電機(jī)電流能達(dá)到最大值;當(dāng)矩形波頻率上升達(dá)到某一臨界頻率。(b)片段所顯示的是步進(jìn)電機(jī)電流上升到最大值后立馬變化隨之下降;(c)