基于51单片机的两相步进电机控制系统设计开题报告

毕业设计的内容和意义

课题背景：

步进电机又称为脉冲电动机或节约电动机，是一种脉冲控制的伺服电动机。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。步进电机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比，它的转速，或线速度与脉冲频率成正比。由于步进电机输入的电子脉冲和步进电机转轴的转角成相应的比例，所以我们可以比较精确的进行控制。一般两相电机的步距角为0.9°/1.8°。当今比较常见的步进电机包括永磁式步进电机（PM）、反应式步进电机（VR）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

单片机是自动控制系统中常用的驱动执行部件。单片机具有以下的几个优点：1、小巧灵活，成本低；2、可靠性高，适应的温度范围宽；3、易扩展，控制功能强；4、便于实现多机和分布式控制。

步进电机的输入信号为脉冲电流 ,它能将输入的脉冲信号转换为阶跃型的角位移或直线位移 ,因而步进电机可看作是一个串行的数/模转换器。由于步进电机能够直接接受数字信号 ,而不需数/模转换,所以使用微机控制步进电机显得非常方便。步进电机具有转矩大、惯性小、响应效率高等优点，因此具有瞬间启动与急速停止的优越特性，使用单片机控制步进电机的控制系统结构简单，与数字设备兼容且价格便宜。

课题内容与意义

利用单片机设计两相步进电机的控制系统，以AT89S52单片机作为中央处理器，组成最小系统。设计两相步进电动机驱动电路；设计按键电路；设计指示电路；设计串行通信接口；设计单片机程序下载接口；设计系统典型测试点电平或电压输出接口。编制程序流程图；完成整体程序。编制步进电动机H桥驱动程序；编制步进电动机升降速程序；编制按键采样程序；编制步进电动机运行状态指示程序；编制串行通信控制程序。

目前广为使用的是两相混合式步进电动机，它的典型结构是定子8个极，转子齿数为50个，步距角为1.8度，它是上世纪60年代的美国专利，70年代初因应用于计算机外设，且专利保护的取消面迅速发展，但是它存在着两个明显的固有缺点，一个是步距角较大，使得低速转动时有较严重的振动和噪声，另一个是当频率突变过大时容易堵转、丢步或过冲，这两个缺点对定位系统的精度会产生较大的影响。步进电机作为种机电一体设备，电机本身固有的问题可通过驱动器或者控制器来弥补。采用细分驱动技术可以大大减少低速转动时的振动和噪音，还可以起到减小步距角、提高分辨率、增大输出力矩的效果，采用升降频控技术，则可以克服步进电机高速启停时有在的堵转、丢步或者过冲等问题，使步进电机转动得更加平稳、定位更加精确。一个好的控制器可以使步进电动机控制更灵活，在很大程度上改善其运行性能。因此，对步进电动机运动控制系统而言，驱动控制器的设计是重中之重。步进电机的细分驱动技术研究和升降频控制技术研究一直是本领域课题的重点和难点。

文献综述

国内外研究现状：

我国步进电动机的研究和制造始于20世纪中期,主要是高等院校和科研机构为研究些装置而使用或开发少量产品。混合式步进电动机是20世纪80年代初从零开始的,到现在生产和研制都具备了一定的规模。理论研究方面比较成熟,发展和形成了比较完善的基础理论和设计方法,产品种类已经系列化,指标已接近、达到或超过国外同类产品水平[1]。近十几年来，数字技术和电子计算机的迅速发展为步进电机的应用开辟了广泛的空间，目前，步进电机广泛应用于家用电器、医用设备、航空航天等领域。连接上适当的机械元件，步进电机就可以作为一个执行元件，并且可以产生力矩来使其他器件动作，再加上控制器和操作系统的程序，步进电机可以作为一个具有人工智能的执行部件，从而可以完成一系列的动作[2]。

A3992是美国Allegro公司生产的一款双DMOS全桥微步距脉宽调制(PWM)步进电机驱动器。可利用控制器件通过时钟（CLK）、数据（DATA）、选通（STRORE）3线串行借口即可对其进行控制，方便的调节步进电机的运转方向及实现各种不同的步进法（从整步驱动到最高可达64细分的微步驱动），使得步进电机的驱动方式具有很大的灵活性。此外，A3992内部提供交叉电流保护、内部欠压锁定（UVLO）等各种完善的保护措施，保证了该器件能稳定可靠地运行[3]。

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。Atmel公司生产的AT89S系列单片机已经能够通过SPI串行借口对内部程序存储器进行编程的功能，于2003年推出的AT89S51和AT89S52单片机不仅能够完全兼容MCS-51系列和80C51系列，还能增加了ISP技术和看门狗功能[4]。

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机，以及程控玩具等等，这些都离不开单片机。我国的单片机年容量已达1-3亿片，且每年以大约16的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%[5]。

通过以上的综述可以看出，单片机在我国的使用还是挺广泛的，并且我国的单片机技术也在不断地发展。单片机具有低功耗、高密度、低价格等优点，市场前景广泛。随着科技的发展，使用单片机来控制步进电机的运行逐渐大众化，所以本次设计对我大学里所学到的单片机技术与其他相应的学科知识来说是一次很好的知识整合汇总的过程。

   参考文献：

1、 孙冠群等，控制电机与特种电机（第二版），清华大学出版社，2012

2、 《步进电机控制器设计》百度文库.

4、 徐泳龙，  单片机原理及应用(第2版)[M],北京：机械工业出版社.2013.12

5、 千讯（北京）信息咨询有限公司， 中国单片机行业发展研究报告，2016.04.29

6、 王德安，常春玲， 基于单片机的步进电机控制[J].大连大学 信息工程学院，辽宁大连，116622

7、 刘学军， 电机与拖动基础,北京：中国电力出版社，2016

8、 唐任远， 特种电机[M],北京：机械工业出版社，1997

9、 杨渝钦， 控制电机[M]，北京:机械工业出版社，1990

10、南建辉等，MCS-51单片机原理及其应用实例[M]，北京清华大学出版社，2004.3

11、刘启新等，电机与拖动基础[M]，北京：中国电力出版社，2010

12、胡乾斌，李光斌，李玲等．单片微型计算机原理与应用[M],武汉：华中科技大学出版社，2004