南京理工大学
课程设计说明书(论文)
姓名: 高建宽学号： **********
专业: 机电一体化
题目: 基于单片机的步进电机调速系统设计
2013 年 2 月
课程设计说明书（论文）中文摘要
课程设计说明书（论文）外文摘要
目次
1 绪论 (1)
2 步进电机简介 (2)
2.1 步进电机的概念 (2)
2.2 步进电机的分类 (2)
2.3 步进电机的基本参数 (2)
2.3.1 空载启动频率 (2)
2.3.2 电机固有步距角 (2)
2.3.3 步进电机的相数 (3)
2.3.4 保持转矩 (3)
2.4 步进电机动态指标及术语： (3)
2.5 步进电机的调速的控制原理 (4)
3 基本方案设定和硬件设计 (5)
3.1 基本方案确定 (5)
3.2 硬件设计 (5)
3.2.1 单片机的选择：AT89S52 (5)
3.2.2 驱动芯片的选择：ULN2003A (9)
3.3.3 步进电机的选择：四相反应式步进电机 (9)
4 软件设计 (10)
5 调试与仿真 (11)
5.1 keil调试 (11)
5.2 Proteus仿真 (12)
结论 (13)
致谢 (14)
参考文献 (15)
附录A (16)
附录B (17)
1 绪论
步进电动机作为执行元件，是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，步进电动机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。1920年步进电机的实际应用才开始，称为VR（Variable Reluctance 变磁阻）型步进电机，被英国海军用作定位控制和远程遥控。混合式HB(Hybrid 的缩写，是VR与PM复合的意思)型步进电机的产生，大约在1952年，由美国GE公司的Karl Feiertag 开发的发电机演变而来。步进电机的大规模应用是在1977年开始，两相步进电机被应用于FDD(floppy disk drive 软盘驱动器)输出轴的驱动上。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差精度为100的特点，广泛应用于各种开环控制。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）和单相式步进电机等。
2 步进电机简介
2.1 步进电机的概念
步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。
2.2 步进电机的分类
步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进电机一般为两相，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。
2.3 步进电机的基本参数
2.3.1 空载启动频率
即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
2.3.2 电机固有步距角
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它
不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
2.3.3 步进电机的相数
是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
2.3.4 保持转矩
是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
2.4 步进电机动态指标及术语：
1.步距角精度：
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
2.失步：
电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。
3.失调角：
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
4.最大空载起动频率：
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
5.最大空载的运行频率：
电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
