毕业设计（论文）基于单片机的步进电机控制系统.doc

毕业论文(设计)题 目 基于单片机的步进电机控制系统 指导教师 学 号 201021703015 专 业 机械设计制造及自动化 学生姓名 教学单位 德州学院机电工程系 二0一二年三月三十日德州学院毕业论文（设计）开题报告书 2011年 12 月 21 日院（系）机电工程系专业机械设计制造及其自动化姓 名学号论文（设计）题目基于单片机的步进电机控制系统 一、选题目的和意义步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它可以在宽广的频率范围内通过单片机编程改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动的功能，并且由单片机控制的步进电机系统具有结构简单、可靠性高、实用性强、性价比高等特点，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。三、课题设计方案 主要说明：研究（设计）的基本内容、观点及拟采取的研究途径和方法。基于AT89C51单片机的步进电机控制及驱动电路，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。因此，此次设计采用单片机来实现对步进电机系统的控制。基于单片机控制的步进电机系统具有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性6。本次设计所采用的控制方案的整个系统可分为：AT89C51单片机系统控制器、驱动电路、数码管显示、按键输入模块及电源电路五大部分，如图1所示。电源电路AT89C51单片机系统控制器步进电机驱动芯片电路按键输入数码管显示四、计划进度安排 主要说明：起止时间及分阶段的进度要求。毕业论文进度安排： 2011.12.1-2011.12.31 完成开题报告并提交 2012.1.1-2012.3.30 查询相关资料、进行课题研究，在已完成研究的基础上，撰写毕业论文初稿2012.4.1-2012.4.15 提交初稿和中期检查表 2012.4.16-2012.4.30 根据指导教师的修改意见进行论文修改，并最终定稿。 2012.5.4-2012.5.10 将打印的论文交指导教师，由指导教师写评语，并由评阅教师进行评阅，根据评阅教师意见，进一步修改论文，准备答辩。 2012.5.15-2012.5.28 毕业论文答辩 五、主要参考文献（只列出最重要的56种）1张家生,电机原理与拖动基础M.北京:北京邮电大学出版社,2006.2何希才,姜余祥,电动机控制电路应用实例20053王晓明，电动机的单片机控制.北京航空航天大学出版社，2002.5.4于海生,微型计算机控制技术M.北京:清华大学出版社,1999.5刘保廷,步进电机及其驱动控制系统M.哈尔滨工业大学出版社.1997.6张鑫，单片机原理及应用.电子工业版社，2005.8指导教师意见及建议： 签名： 年月日教学单位领导小组审批意见：   组长签名： 年月日德州学院毕业论文（设计）中期检查表院(系)： 机电工程系 专业： 机械设计制造及自动化 2012 年 4 月 6日毕业论文题目：基于单片机的步进电机控制系统学生姓名魏刚学 号201021703015指导教师 贺廉云职 称教授计划完成时间： 2012年4月30日毕业论文（设计）的进度计划：2011.12.1-2011.12.31 完成开题报告并提交 2012.1.1-2012.3.30 查询相关资料、进行课题研究，在已完成研究的基础上，撰写毕业论文初稿2012.4.1-2012.4.15 提交初稿和中期检查表，并由指导老师提出修改意见2012.4.16-2012.4.30 根据指导教师的修改意见进行论文修改，并最终定稿完成情况： 通过查阅资料，毕业论文在指导老师的修改意见下已基本完成初稿。指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页） 签 名： 年 月 日备 注：目录1引言11.1 课题研究的目的和意义21.2国内外的研究现状和发展趋势22 步进电机的控制方案32.1控制方案的确定32.2控制方案系统组成43 单片机概述43.1 单片机原理43.2单片机的应用系统53.3 AT89C51简介64 步进电机驱动设计94.1步进电机分类94.2步进电机的工作原理114.3 步进电机驱动电路总图125 系统软件设计135.1主程序135.2 INT0中断程序165.3步进电机正、反转子程序：185.4步进电机加、减速子程序236 结论25参考文献:26谢辞27 步进电机控制系统设计（德州学院机电系，山东德州 253023）摘要：在工业设备控制中，对位移和角度的控制精度要求很高，一般电机很难实现，而步进电机可精确实现所设定的角度和转数。本设计是运用AT89C51单片机控制六线四相步进电机系统，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ULN2003驱动芯片来实现步进电机的正、反转及速度控制。由单片机控制的步进电机系统具有结构简单、可靠性高、实用性强、性价比高等特点，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。关键词：单片机；步进电机；正反转控制1引言步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机最突出的优点是可以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，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用1。正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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，在各个国民经济领域都有应用2。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控及航天工业的系统中得到应用3。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。1.1 课题研究的目的和意义为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力4。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现PC机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法。但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。本论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值。1.2国内外的研究现状和发展趋势步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高5。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。2 步进电机的控制方案2.1控制方案的确定基于AT89C51单片机的步进电机控制及驱动电路，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。因此，此次设计采用单片机来实现对步进电机系统的控制。基于单片机控制的步进电机系统具有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性6。2.2控制方案系统组成本次设计所采用的控制方案的整个系统可分为：AT89C51单片机系统控制器、驱动电路、数码管显示、按键输入模块及电源电路五大部分，如图1所示。本设计方案采用AT89C51单片机作为控制模块的核心，利用软件编程使单片机输出脉冲序列和方向控制信号，以此实现对步进电机的启动停止、正反转、加减速的控制。驱动电路部分由芯片ULN2003和必要的外围电路组成，单片机产生的信号经驱动电路使其功率放大，达到电机所需的驱动电压和电流以此驱动步进电机工作。由LED共阴数码管实现步进电机预置圈数和所转圈数的同步显示。用相应的按键实现预置圈数设置和清零的功能。电源电路AT89C51单片机系统控制器步进电机驱动芯片电路按键输入数码管显示图1基于AT89C51单片机的步进电机控制系统图3 单片机概述3.1 单片机原理单片机（single-chip microcomputer）是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。图2中表示单片机的典型结构图。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得了广泛的应用。数据存储器程序存储器时钟CPU 片内总线定时/计数器I/O口图2单片机的典型结构图3.2单片机的应用系统 单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。单片机芯片与其它CPU比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，以适应不同的工作情况7。单片机应用系统的构成基本上如图3所示。I/O扩展ROM RAMI/OEPROM步进电机 .RAM 图3单片机的应用系统单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有ROM/EPROM芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器使用。3.3 AT89C51简介 型号 存储器 定时器 I/0 串行口 中断 速度（MH）其它特点E²PROMROMRAMAT89C514K1282321624低电压AT89C51的主要参数如表所示：AT89C51含E²PROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止E²PROM中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器E²PROM容量可达20K字节。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其引脚如图4所示。(1)主要特性：·与MCS-51 兼容·4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环 图4单片机的引脚排列·全静态工作：0Hz-24Hz·三级程序存储器锁定·128*8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路(2)管脚说明：    VCC：供电电压。    GND：接地。    P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。    P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。    P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3口管脚备选功能 P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。    RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。    /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。    /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。    XTAL2：来自反向振荡器的输出。(3)I/O口引脚：a：P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用；b：P1口，8位准双向I/O口；c：P2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用；d：P3口，8位准双向I/O口，双功能复用口。(4)振荡器特性：    XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。(5)芯片擦除：整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。4 步进电机驱动设计4.1步进电机分类现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）8。(1)反应式步进电机(Variable Reluctance，简称VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；(2)永磁式步进电机(Permanent Magnet，简称PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；(3)混合式步进电机(Hybrid，简称HB)混合式步进电机综合了反应式和永 磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了9。(1)步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。(2)静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。(3)电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。(4)力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= ·M =2·n/60 P=2n/60其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米P=2fm/400(半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS）本设计选用混合式步进电机，其型号为28BYG2406(步距角为1.8度，机身长28mm，电流0.6A,电阻4.2,电感2.2mH，引线6，重量105g)4.2步进电机的工作原理步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(f)成正比，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10。如下所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图5为该四相反应式步进电机工作原理示意图。图5四相反应式步进电机工作原理示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图6所示：图6步进电机工作时序波形图4.3 步进电机驱动电路总图步进电机驱动电路图如下图7所示： 图7步进电机驱动电路总图用AT89C51单片机输出接口的每一位控制一根相绕组。本设计中，用P2.4,P2.5,P2.6,P2.7分别接至步进电机的四相绕组。而驱动模块直接采用ULN2003芯片，如上图所示。由单片机产生的脉冲序列和方向控制信号从P2.4-P2.7口输出，直接送入ULN2003驱动芯片进行功率放大，达到步进电机所需要的驱动电流和电压，以此驱动步进电机工作。5 系统软件设计5.1主程序（1） 流程图初始化程序等待中断有键中断正转键？正转启动反转启动有挡中断是否换挡该挡反转该挡正转停机有键中断是否换向图8主程序流程图（2）程序及注释ZHENG EQU 30H ；利用等值伪指令把30H赋予给ZHENGFAN EQU 31H ；利用等值伪指令把31H赋予给FANNO EQU 32H ；利用等值伪指令把32H赋予给NOAS EQU 33H ；利用等值伪指令把33H赋予给ASSS EQU 34H ；利用等值伪指令把34H赋予给SSORG 00H ；机器指令起始存储地址AJMP MAIN ；跳转到主程序ORG 03H ；外部中断INT0起始地址AJMP SUB_INT0 ； 跳转到外部中断服务子程序MAIN: MOV 10H,#01H ； 给10H送立即数01H MOV 11H,#03H ；给11H送立即数03HMOV 12H,#02H ；MOV 13H,#06H ；MOV 14H,#04H ；MOV 15H,#0CH ；MOV 16H,#08H ；MOV 17H,#09H ；MOV 20H,#50H ；MOV 21H,#25H ；MOV 22H,#10H ；给22H送立即数10HMOV 23H,#05H ；给23H送立即数05HCLR ZHENG ；把正转标志位清零CLR FAN， ；把反转标志位清零CLR NO ；把停止位清零CLR AS ；把加速位清零CLR SS ；把减速位清零MOV R1,#20H ； 把立即数20H送给寄存器R1MOV P0,#0FFH ;给P0口送值FFHMOV A,R1 ；通过间接寻址给A赋值MOV R5,A ；把A得到的值送到寄存器R5MOV IE,#10000001B；开总中断以及外部中断0SETB IT0 ；设外部中断为下降沿触发方式MOV R0,#0FH；把立即数0FH送给R0LOOP：MOV A，ZHENG ；把正单元中的值送给AJNB ACC.0，LP ；如果ACC.0为0则LP，否则顺序执行LCALL GO；调用正转子程序LP: MOV A，FAN ；把反单元中的值赋给AJNB ACC.0，LOOP； 如果ACC.0为0则LOOP ，否则顺序执行LCALL BACK ；调用反转子程序AJMP LOOP；跳转到LOOP5.2 INT0中断程序（1） 流程图响应中断延时正转吗？反转吗？N N换挡吗？ Y NZHENG-1停止吗？ FAN-1Y N AS-1orSS-1NO-1 Y Y 中断返回 N图9 INT0中断程序流程图（2） 程序及注释SUB_INT0；SCAN: MOV A,P0 ； 读取P0口的值送给A CPL A ；把A中的值取反ANL A,#00011111B ；把A中的值与1FH相结果送到A JNZ SCAN1 ；如果A中的值不为0则SCAN1 AJMP SCAN ；SCAN1: CALL DELAY1 ；调用延时子程序 MOV A,P0 ；读取P0口的值送给A CPL A ；把A中的值取反ANL A,#00011111B ；把A中的值与1FH相结果送到 JZ SCAN ；如果A中的值为0则SCANCALL RDKEY ； 调用读按键子程序 RETI；RDKEY: MOV A,P0 ； JNB ACC.0,STOP ；如果ACC.0为0则STOPJNB ACC.2,REV ；JNB ACC.1,FOR ；JNB ACC.3,ADDSPEED ； JNB ACC.4,SUBSPEED ； STOP: SETB NO ；给NO置1RETFOR: SETB,ZHENG ； RETREV: SETB FAN ； RETADDSPEED:SETB AS； RET；SUBSPEED:SETB SS ； RET5.3步进电机正、反转子程序：（1） 流程图