基于51单片机的步进电机控制-设计报告(说明书)及源程序

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南京XX大学

指导老师：张X 课 程 设 计 基于
基于基于
基于51单片机的步进电机控制
单片机的步进电机控制单片机的步进电机控制
单片机的步进电机控制

机械电子工程学院
测控技术与仪器


XXXXX
Xxx



2012年1年4日
2步进电机控制系统
步进电机控制系统步进电机控制系统
步进电机控制系统

［
［［
［摘要
摘要摘要
摘要］
］］
］ 本课程设计的内容是利用51单片机，达到控制步进电机的启
动、停止、正转、反转、两档速度和状态显示的目的，使步进电机控制更加灵活。
步进电机驱动芯片采用ULN2803，ULN2803具有大电流、高电压，外电路简单等
优点。利用四位数码管增设电机状态显示功能，各项数据更直观。实测结果表明，
该控制系统达到了设计的要求。 关
关关
关键字
键字键字
键字：步进电机、数码管、51单片机、ULN2803


一
一一
一

步进电机与驱动电路
步进电机与驱动电路步进电机与驱动电路
步进电机与驱动电路

1.1
1.1 1.1
1.1 什么是步进电机
什么是步进电机什么是步进电机
什么是步进电机
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收
到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以
通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频
率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 1.2
步进电机的种类
步进电机的种类步进电机的种类
步进电机的种类 步进电机分永磁式（PM）、反应式（VR）、和混合式（HB）三种。永磁式步进一般为
两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大
转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘
汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般
为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。 1.3
1.3 1.3
1.3 步进电机的特点
步进电机的特点步进电机的特点
步进电机的特点

1．精度高 一般的步进
电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。可在宽广的频率范围
内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反 转控制及制动等，这是步进电动机最突
出的优点
2．过载性好 其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速
度下降的情况，所以步进电机使用在对速度

和位置都有严格要求的场合；
3．控制方便 步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算
3机控制带来了很大的方便，反过来，计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场；
4．整机结构简单 传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电
机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。 1.4
1.4 1.4
1.4 步进电机的原理
步进电机的原理步进电机的原理
步进电机的原理

图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一
个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所
示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。
图1
它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，
并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作
用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励，
转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1
中的(b)，转子向反时针转过15°。若是D相被激励，如图1中的(c)，则转子为顺时针转
过15°。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一种
为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步
进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相
数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：
Lθ＝360 P×N
式中：Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15°，表示电机转一
圈需要24步。 1.5
1.5 1.5
1.5 步进电机的
步进电机的步进电机的
步进电机的驱动
驱动驱动
驱动

混和步进电机的工作原理
在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。但工作原理与图1所示的可变磁阻型
同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般
来说，这类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图2a所示。或者接成两个三端
形式，如图2b所示。每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。
4
图3所示的电路为四相混和
型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固
定的。表1列出了全部步进开关的逻辑时序。

步数 Q1 Q2 Q3 Q4
1 1 0 1 0
2 1 0 0 1
3 0 1 0 1
4 0 1 1 0
5 1 0 1 0
表1 二

二二
二



方案设计与论证
方案设计与论证方案设计与论证
方案设计与论证

2.
2.2.
2.1
11
1键盘设计
键盘设计键盘设计
键盘设计 该系统中只运用到三个控制按钮，即 “正反”，“换挡”，“启停”，由于按钮较少，所以
采用独立键电路，这种按键电路的按键结构相对行列式按键电路更简单，更使人易懂。 2.
2.2.
2.2
22
2显示电路设计
显示电路设计显示电路设计
显示电路设计

如图2.31，采用LED数码管动态显示数据与个项参数，方法简单，容易控制，成本低。
设计如下图

51
2
37
14U1A
4
5
6
U1B
8
9
10
U1C
11
12
13
U1D
R1
R2
R3
R4
R5R6
R7
R8
R9
Q1
Q2
Q3Q4
GNDGND
GND
5V
D1D2D3D4
3
2
18
4U2A
5
6
7
U2B
RV1
5V
5V
GND
AIN
/AIN
BIN
/BIN
COM
GND
+12V
AOUT/AOUTBOUT/BOUT
图2.31 2.4
2.42.4
2.4驱动电路设计
驱动电路设计驱动电路设计
驱动电路设计

驱动电路可分为：三极管直接驱动（图3），采用斩波恒流驱动方式（图2.41）和芯片
驱动电路等。驱动电路的性能直接关系到步进电机走步的准确与稳定。本电路采用驱动芯片
ULN2803。ULN2803 …… 此处隐藏：2047字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……