基于单片机的步进电机控制器设计

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1、设计者：杨剑锋桂林理工大学机械控制与控制工程学院设计题目：基于MCS-51单片机的反应式步进电机控制器设计，要求能够控制其转速、正反转和运行步数。摘要：在中国这个发展中大国，单片机的出现意味着计算机分为通用计算机系统和嵌入式计算机系统。单片机单芯片因它的体积微小和成本低廉的优点而广泛的应用到家电、仪表、汽车电子、工业控制单元、办公自动化设备、通信设备等这些产品中去，是现代电子系统中极其重要的智能化工具。在未来，单片机将会进一步的走向低功耗、小体积、大容量、高性能、低价位和混合信号集成化。本设计基于AT89S51单片机，利用反应式步进电机控原理，对其控制进行硬件和软件的设计。以实现对反应式电机

2、的控制器可对36BF003型步进电机进行正反转、启停、速度和步数控制。关键字：步进电机；单片机；拍数；控制器；反应式一、控制原理分析1.1三相步反应式进电机工作原理反应式步进电机又称可变磁阻式步进电机，它和普通的电机一样，也是有定子和转子组成，它利用磁阻转矩使转子转动。三相反应式步进电机定机定子上有六个极，每个极上装有控制绕组，每相对的两极组成一相。转子上有数个均匀分布的齿，其上没有绕组，当A相通电时，转子在磁场力的作用下与定子齿对齐，若切断A相电源，同时接通B相电源，在磁场力的作用下转子转过一个步距角（步距角由转子齿数、控制绕组相数和通电方式决定），如再使B相断电，同时使C相控制绕组通电，

3、转子又转过一个步距角。如此循环通电，并按A→B→C→A顺序通电，步进电机便按一定的方向转动。电机的转速取决于控制绕组接通的断开的变化频率。若改变通电顺序，即按A→C→B→A方式通电，则电机反向转动。上述通电方式称为三相单三拍通电方式；这里的“拍”是指定子控制绕组每改变一次通电方式，为一拍；“单”是指每次只有一相控制绕组通电；“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。三相步反应式进电机除上述通电方式外，还有三相双三拍和三相单双六拍通电方式，三相双三拍通电顺序为AB→BC→CA→AB或AB→CA→BC→AB，三相单双六拍通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A或A→AC→C→CB→

4、B→BA→A，这里“AB”表示A、B两相同时通电，依此类推。三相反应式步进电机的步距角θs的大小是由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式所决定的，其关系为θs＝360o/(mZrC)式中C为通电状态系数，当采用单拍方式时，C=1；而采用单双拍方式时，C=2；m为步进电机相数，当Zr为步进电机转子数。若步进电机能电的脉冲频率为f（每秒的拍数），则步进电机的速度为n＝60f/(mZrC)式中：f为频率，单位为Hz；n为转速，单位为r/min。1.2基于单片机的步进电机驱动器控制原理步进电机驱动器控制系统的硬件设备由单片机、功率放大器、键盘输入设备和显示设备几个部分组成，其示意图如图1-1所示：第

5、25页共25页设计者：杨剑锋桂林理工大学机械控制与控制工程学院1、键盘：键盘由0~9号数字健、正转启动键、反转启动键、停止键、转速+、转速-等15个按键组成，通过键盘可以设置电机运行步数（电机转动角度）、转速、正/反转启动和停止。2、单片机：单片机是系统的控制单元，它通过对输入设置运算产生和分配控制电机的脉冲信号，同时也要产生步数和速度的显示信号。3、功率放大器：单片机输出的脉冲信号功率很小，不足以驱动电机转动，故需要功率放大器将信号放大以驱动电机转动。二、硬件设计2.1电机的选用及其电路2.1.1确定步进电机型号及其参数本设计选择型号为36BF003反应式步进电机，其参数如表2-1所示：表

6、2-136BF003反应式步进电机技术数据型号相数步距角/（度）电压/V相电流/A最大静转矩（N.m）空载起动频率/（步/s）绕组电阻/Ω分配方式外形尺寸/mm重量/Kg外径长度轴径36BF00331.5/3271.50.07831001.6三相六拍364340.222.1.2电机驱动电路原理由表2-1可知电机的额定电压是27V，本设计采用单电源功率放大电路驱动步进电机，电路原理图如图2-1所示。电路中由单片机AT89S51分配的控制脉冲从P0口的P0.0~P0.7输出，经74LS125反相后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。

7、使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。W1、W2、W3分别为电机三相绕阻，RL为绕组内阻，阻值为1.6Ω，100Ω电阻（R1、R2、R3）是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。VD1、VD2、VD3为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管（VD1、VD2、VD3）而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。在100Ω外接电阻（R1、R2、R3