安徽机电职业技术学院
毕业论文步进电动机控制系统设计
系（部）专班姓学
业级名号
电气工程系电机与电器电机3091徐亮1306093050陈莉娟
指导教师
2011～2012学年第1学期
指导教师评语等级签名日期安徽机电职业技术学院2012届毕业生毕业设计（论文）成绩评定单成
姓名课题评分标准设计方案合理、实用、经济、原理分析正确、严密，内容完整。计算方法正确，计算结果准确，程序设计正确简洁，工艺合理。指导教师评语（40分）元器件（材料）选择合理，明细表规范。图面清晰完整，布局、线条粗细合理，符合国家标准。文字叙述简明扼要，书写规范。按时完成，同学相互关心，遵守制度，认真负责。合计得分：指导教师签名：日期：分值10555510年101055日期：年51510日期：年月日月日月日得分专业电机与电器班级电机3091内容充实，有阶段性成果，有应用价值。评阅教师评分（30分）图纸、论文如实反映设计成果，有理论分析，又有实践过程。语句通顺，思路清晰，符合逻辑。图标清晰，文字工整，字符和曲线标准化。合计得分：评阅教师签名：自述条理明确，重点突出。答辩评分（30分）基本概念清楚，回答问题正确。专业知识运用灵活，解决问题技术措施合理。合计得分：答辩组长签名：总得分：等级系主任签名：日期：年月日安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表
题
目
学
电气系
班
基于过程控制的PID控制器设计
号级
1305073059过自3071
指导教师顺序号
徐林第1-6次
学生姓名系
部
学生完成毕业论文（设计）内容情况
第一周:指导老师布置毕业设计课题，要求学生查阅有关毕业设计的相关资料；
第二周：指导老师带领学生到实验室熟悉实验设备，并要求每个学生都能熟练掌握实验设备的使用方法；
第三周：在指导老师的指导下，完成双容水箱的简单PID控制系统设计；
第四周：在指导老师的带领下，到实验室完成双容水箱的简单PID控制系统的实验并记录相关实验数据。
第五周:在指导老师的指导下，完成前馈—反馈控制系统的设计；第六周：在指导老师的带领下，到实验室完成前馈—反馈控制系统的实验并记录相关实验数据，并且和双容水箱的简单PID控制系统的实验数据相比较，得出结论：前馈-反馈控制系统不仅能够改善简单PID控制系统的控制效果，而且具有更大的灵活性、抗干扰性、适应性和更好的控制精度。
学生签名：时间：
年
月
日
教师指导内容记录
教师签名：时间：
年
月
日
摘要
单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，广泛应用于数控机床、机器人，定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域。步进电机是数字控制电机，将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下，根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差，因此步进电机适用于单片机控制。步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。
步进电机控制系统主要由单片机、键盘LED、驱动／放大和PC上位机等4个模块组成，其中PC机模块是软件控制部分，该控制系统可实现的功能：1)通过键盘启动／暂停步进电机、设置步进电机的转速和改变步进电机的转向；2)通过LED管显示步进的转速和转向等工作状态；3)实现三相或四相步进电机的控制：4)通过PC上位机实现对步进电机的控制(启停、转速和转向等)。为保护单片机控制系统硬件电路，在单片机和步进电机之间增加过流保护电路。关键词：单片机数字控制电机
PC机模块
引言
在现代工业控制中，过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年代就已有应用。过程控制技术发展至今天，在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段，它们是：分散控制阶段，集中控制阶段和集散控制阶段。
从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：开始到70年代为第一阶段，70年代至90年代初为第二阶段，90年代初为第三阶段开始。其中70年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期，90年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的初期。第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、PID策略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统。第二阶段是发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法(几十至上百种)、较好的人—机界面和故障检测报告功能。经过20多年的发展，它已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。第三阶段是高级阶段，目前正在来到。
目录
引言..............................................................................................................6第1章绪论...............................................................................................8
1.1步进电机的背景..............................................................................................81.2步进电机的简介............................................................错误！未定义书签。1.3本论文的设计原理........................................................错误！未定义书签。
第2章步进电机硬件设计....................................错误！未定义书签。
2.1单片机模块....................................................................错误！未定义书签。2.2键盘／LED模块...........................................................错误！未定义书签。2.3驱动／放大模块............................................................错误！未定义书签。
第3章步进电机软件设计....................................错误！未定义书签。
3.1单片机程序....................................................................错误！未定义书签。3.2PC上位机模块..............................................................错误！未定义书签。3.3本章小结.........................................................................错误！未定义书签。
第4章硬件与软件整合与调试............................错误！未定义书签。参考文献...................................................................错误！未定义书签。致谢...........................................................................错误！未定义书签。附录...........................................................................错误！未定义书签。
第1章绪论
微电子技术、电力计算机技术、电力电子技术和材料科学的飞速发展推动了特种电机的发展。电机技术所依托的理论和技术基础已远不限于传统的电磁理论，还包括控制理论、系统理论、计算机控制技术、信号处理技术、电力电子技术等，形成了各科学互相渗透、互相交叉，甚至互相融合的现象。可以说，现代特种电机技术是集电机技术、材料科学技术于一体的新技术。其中以电脉冲控制的同步电机在实际中应用广泛。1.1步进电机的背景
随着电子技术，控制技术以及电机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。笔者认为这是机电一体化元件组的必然趋势。就传统的步进电机来说，步进电机可以简单地定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电机。从广义上讲，步进电机是一种脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电机。
步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原如模型起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换中广泛使用了步进电机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等系统中广泛使用。
20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电机在众多领域的应用。在近30年间，步进电机迅速地发燕并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机、以及同步电机并列，从而成为电机的一种基本类型。
我国步进电机的研究及制造起始于本世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电
机本体的设计研究发展到一个较高水平。70年代中期至80年年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。1.2
步进电机的简介
步进电动机是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机，其作用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移。因此，步进电动机又称脉冲电动机。步进电动机可以实现信号转换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。在实际生产中也广泛使用到，如在数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制、石英钟表等场合都有应用。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变
成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
步进电机作为执行元件，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，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
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（即步进角）。您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；同时您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。
1.3本论文的设计原理
步进电机控制系统主要由单片机、键盘LED、驱动／放大和PC上位机等4个模块组成，其中PC机模块是软件控制部分，该控制系统可实现的功能：1)通过键盘启动／暂停步进电机、设置步进电机的转速和改变步进电机的转向；2)通过LED管显示步进的转速和转向等工作状态；3)实现三相或四相步进电机的控制：4)通过PC上位机实现对步进电机的控制(启停、转速和转向等)。为保护单片机控制系统硬件电路，在单片机和步进电机之间增加过流保护电路。图l为步进电机控制系统框图。
步进电机是数字控制电机，将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下，根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差，因此步进电机适用于单片机控制。步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。图l为步进电机控制系统框图。第2章步进电机硬件设计
2.1
单片机模块
单片机模块主要由MSP430FG4618单片机及外围滤波、电源管理和晶振等电路组成。MSP430FG4618单片机内部的8KBRAM和116KBFlash满足控制系统的存储要求，P1和P2端口在步进电机工作过程中根据按键状态判断是否跳入中断服务程序来改变步进电机的工作状态，USART模块实现单片机和PC上位机之间的通信，实现PC机对步进电机控制。电源管理电路提供稳定的3.3V和5V电压，分别给单片机、晶振电路和驱动和功率放大电路供电。32kHz晶振给单片机、键盘／显示接口器件8279和脉冲分配器PMM8713提供时钟；当采用USART模块时需开启8MHz晶振设置通信模块。图2为单片机模块结构框图。
2.2键盘／LED模块
为实现人机对话，该系统设计扩展了3x4按钮矩阵键盘和4片8段LED数
码管，可手动直接操作该控制系统。系统上电后，通过键盘输入步进电机的启停、步数转速和转向等，由LED管动态显示步进电机的转速和转向。键盘的输入和LED管的输出由8279进行控制，减少单片机工作负担。8279编程工作在键盘扫描输入方式，读入键盘时具有去抖动功能，避免误触发。图3为键盘LED模块设计结构框图。
2.3驱动／放大模块
控制系统采用步进电机控制用的脉冲分配器(又称逻辑转换器)PMM8713，该器件是CMOS集成电路，相输出驱动能力(源电流或吸入电源)为20mA，适用于控制三相或四相步进电机，可选择下列6种激励方式：三相步进电进：1相，2相，1-2相；四相步进电进：1相，2相，1-2相。输入方式可选择单时钟(加方向信号)和双时钟(正转或反转时钟)两种方式，具有正反转控制、初始化复位、原点监视、激励方式监视和输入脉冲监视等功能。器件PMM8713由时钟选通、激励方式控制、激励方式判断和可逆环形计数器等部分构成，所有输入端内都设有施密特电路，可提高抗干扰能力。PMM8713输出需接功率驱动电路，选用功率驱动器PMM2101，最大输出电流为1．4A，满足驱动步进电机的要求。驱动／放大电路如图4所示。MSP430单片机通过调节PMM8713的端口1～4输入脉冲信号控制步进电机的启停、速度和转向等。
第3章步进电机软件设计
3.1
单片机程序
利用单片机的定时器TIMER_A(TA)中断产生脉冲信号，通过在响应的中断程序中实现步进电机步数和圈数的准确计数，通过PWM实现转速控制；利用P1．0端口的中断关闭TA中断程序，并推入堆栈，停止电机；P1．1中断则开启TA中断，堆栈推入程序计数器(PC)，开启电机；P3．1端口输出高电平由PMM8713的U／D端口控制电机的转向；P3．0～P3．7端口接8279的8个数据接口，当单片机扫描到矩阵键盘有键按下时，利用P2端口的中断设置TA，控制启停、调速和转向等，同时单片机反馈给8279控制LED管显示转速和转向。其程序流程如图5所示。
3.2PC上位机模块
PC上位机模块实现PC机对步进电机的控制。利用MSP430单片机的USART
模块实现与PC上位机的通信，PC机通过串口向单片机发送控制命令，实现电机控制。单片机所接收到控制命令暂存在RXBUFFER中，然后与存储在片内Flash的中断程序的入口地址相比较，相同就进入中断，实现步进电机的控制。操作该模块时需要开启8MHz晶振为USART模块设置波特率(设置波特率为9600)。控制软件由VB6．0编写，利用MSComm控件实现串行通讯功能。其控制软件界面如图6所示。
4系统检测
为检验该控制系统的实际工作情况，在给定PMM2101输出工作电流的状态下采用能量转化法测得步进电机输出的最大静转矩。选取输出电流间隔0．2A，测到步进电机最大静转矩与电流之间关系的静特性曲线，如图7所示，说明该控制系统设计较合理。
