步进电机的计算机控制系统设计
摘要
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而不积累误差登特点。使得在转速、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及和应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本有提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。在当今社会的各个领域步进电机无处不在，应用领域涉及机器人、工业电子自动化设备、医疗器件、广告器材、舞台灯光设备、印刷设备、计算及外部应用设备等等。
目录
1.1步进电机的现状 1.2电机原理及控制技术 1.3 步进电机的特点 1.4 元器件介绍
1.4.1 步进电机
1.4.2 四相步进电机的工作原理 1.4.3 步进电机的静态指标及术语 1.4.4 四相步进电机的脉冲分配规律
第二章 硬件设计 2.1 89C51单片机 2.2 方案论证 2.3 硬件设计
2.3.1 控制电路 2.3.2 ULN2803 2.3.3 驱动电路 2.3.4 显示电路 2.3.5 总体电路图
第三章 软件设计 3.1 主程序设计
3.1.1定时中断设计 3.1.2 外部中断设计
参考文献 总结 附录
第一章 步进电机
1.1步进电机的现状
步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。
步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。
任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1.8°／0.9°（全步／半步）；还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。 1.2步进电机原理及控制技术
由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备。步进电机制驱动器，典型步进电机控制系统的控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连 续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉
冲序列，环形分配器的主要功能是把 来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。功率放大器主要 对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的，步进电机 的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，其基本原理如下：
（1） 换相顺序的控制
通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式 下，其各相通电顺序为 A→B→C→A，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别 控制 A、B、C 相的通断。三相双三拍的通电顺序为 AB→BC→CA→AB，三相六拍的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A。
（2） 步进电机的换向控制
如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。若步进电机的励磁方式为 三相六拍，即 A→AB→B→BC→C→CA→A。如果按反序通电换相，A→AC→C→CB→B→BA→A，则电机就反转。其他方式情况类似。
（3） 步进电机的速度控制
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。调整送给步进电机的脉冲频率， 就可以对步进电机进行调试。
（4） 步进电机的起停控制
步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。为了使电机转动平滑，减小 振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步 进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性 而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电 机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。
（5）步进电机的加减速控制
在步进电机的控制系统中，通过实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于惯性跟不上电信号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。所有步进电机在启动 时，必须有加速过程，在停止时波形有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲 线，步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。 选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效 转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。在一个 实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失 步的最高步进频率称为“启动频率”，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突 然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率 和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，有了这些数据，才能有效地对电机进 行