武冠村-微型步进电机驱动与控制系统设计-开题报告

榆林学院 毕业设计开题报告 题 目 微型步进电机驱动与控制系统设计 学生姓名 武冠村 学 号 1705230118 院(系)能源工程学院 专 业 电气工程及其自动化 指导教师 王 雄 报告日期 2020 年 12 月 14 日

毕业设计（论文）题目 微型步进电机驱动与控制系统设计 题目类别（请在有关项目下作√记号）设计 论文 其它 √ 题目需要在实验、实习、工程实践和社会调查等社会实践中完成 是 □ √ 否□ 毕业设计（论文）起止时间 2020 年 11 月 16 日至 2021 年 4 月 18 日（共 16 周）1 本课题的意义 步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为控制执行元件，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和精密机械等领域。例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。目前在国内外，使用单片机控制步进电机系统是一项成熟的技术，步进电机是数字控制电机，它将电脉冲信号转变成角位移，实质是一种数字／角度转换器，将电脉冲转化为角位移的执行机械，它通过控制脉冲的个数来控制角位移量，通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度。

本课题的研究目的之一就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较全，适应性强，操作方便，交互性强，可靠性高的步进电机控制系统。另外，作为一名即将毕业的大学生，在日常学习中总感觉学习的东西太零散，再加上缺乏实践，理论和实际没有得到很好的结合。所以本人希望通过设计一种微型步进电机驱动与控制系统方案，得到能力的提升。

2 国内外状况 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。上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了 80 年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，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。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。

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。

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 1 是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

图 1 四相步进电机步进示意图 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 2 所示：

图 2 步进电机工作时序波形图 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。

3 研究内容 本次毕业设计是单片机控制步进电机方面的应用。最终目的是设计出一个可以控制步进电

机旋转的系统。

本次设计主要实现了以下几个功能：

（1）设计一个外围驱动电路来驱动步进电机旋转；（2）加入按键来控制步进电机旋转所要求的数据；（3）加入液晶显示器来显示步进电机的实际数据；（4）最后编写软件部分，将程序输入单片机并运行系统，使系统工作。

4 研究方案以及步骤 4.1 研究方案 对四相步进电机 35BY48S03 进行分析和调研，进而合理地设计电机的各项功能，确定该电机的总体功能，制定设计方案如图 1 所示。系统包括单片机最小系统设计、液晶显示模块、键盘输入模块和电动机驱动模块。

图 1 系统整体设计（1）单片机最小系统：51 单片机的最小系统也叫 MCU 最小系统，也就是能让单片机正常工作的最少配置，在一个最小系统中，有一片单片机+时钟电路+复位电路；（2）电动机驱动电路模块：这部分电路作用是驱动步进电机的，拟采用 L297 与 L298 组合对电动机进行驱动；（3）键盘输入模块：键盘是单片机十分重要的输入设备，是实现人机对话的纽带。本设计中主要是用来对步进电机进行正转、反转、停止、加速和减速等操作，拟采用独立式键盘；（4）液晶显示模块：本设计拟采用 LM016L 进行显示，显示当前步进电机状态和速度。

4.2 研究步骤（1）调研现有步进电机的控制方案，了解步进电机现状并收集相关的资料；（2）对系统电路进行研究设计；（3）对系统程序进行研究设计；（4）整体分析总结及实物连接测试；（5）对步进电机正反转、加减速、急停等功能的验证；（6）进行全面总结。

液晶显示模块键盘输入模块C51单片机电机驱动模块步进电机

5 设计提纲（1）绪论 1.1 引言 1.2 步进电机国内外研究概况 1.3 步进电机概述（2）系统设计 2.1 整体设计 2.1 单片机系统概述（3）硬件电路的设计 3.1 单片机最小系统电路设计 3.2 步进电机驱动电路设计 3.3 键盘电路设计 3.4 显示电路设计 3.5 整体电路设计（4）系统软件设计 4.1 系统主程序设计 4.2 各模块子程序设计（5）系统仿真与实验验证 5.1 仿真说明与结果分析 5.2 实验验证（6）总结与展望 6 设计工作量的估计 6.1 设计篇幅 根据课题提出问题、分析问题、提出方案、并进行电路设计、程序编写等，字数在 8000左右。

6.2 文献查询 查阅与毕业设计题目相关的学位论文、期刊文章、有关专著、报告等文献资料（不含教科书）不少于 10 篇。

7 工作条件 7.1 工作条件 在榆林学院图书馆借阅相关文献、在电子阅览室查询相关资料、利用互联网查询了解相关

资料。

7.2 实验条件 能源工程学院逸夫楼实验室。

8 预期达到的水平（1）完成基于步进电机电路设计系统，实现步进电机的正反转、加减速、急停。

（2）设计符合《榆林学院毕业设计指导手册》相关要求，格式正确，条理清楚，层次分明，有自己的见解和结论。

（3）提交一篇不少于 8000 字的毕业设计说明书。

（4）掌握 office、keil 程序编辑软件、Proteus 仿真软件的使用。

9 存在的问题和拟采取的解决措施（1）电路结构设计时出现电容、电阻等参数大小问题。通过参考同类电路的参数、大小、比例进行调整。

（2）电路设计部分电路不能达到预期效果。通过查阅相关书籍及资料，通过不断的调试处理问题。

（3）程序调试不能达到目标要求。通过进行多组的实验，并记录数据，不断优化程序完成预期效果。

（4）对设计说明书的格式、写作规范及对部分文献资料的解读有问题，拟通过请教指导老师、和同学讨论及查阅资料来解决。

参 考文献 [1] 刘瑞新等.单片机原理及应用教程[M].北京: 机械工业出版社，2003.7: 34-50.[2] 楼然苗等.51 系列单片机设计实例[M].北京: 北京航空航天出版社，2003.3: 65-76.[3] 唐俊翟等.单片机原理与应用[M].北京: 冶金工业出版社，2003.9: 84-91.[4] 赖远能.浅谈单片机技术在电气传动系统的应用[J].工业技术，2012(20): 141.[5] 冯江华等.异步电动机的直接转矩控制[J].电工技术学报，1999(6): 29-33.[6] 张巍.浅谈单片机控制步进电机[J].安防科技，2006(3): 25.[7] 乔璐,景林,韩英桃.一种实用的步进电动机驱动器设计[J].微特电机，2005(10): 29-31.[8] 吴国经等.单片机应用技术[M].北京: 中国电力出版社，2004.1: 51-60.[9] 李刚,林凌.新概念单片机教程[M].天津: 天津大学出版社，2007: 23-36.[10] 何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京: 北京航空航天大学出版社，1990: 43-52.指导教 师意见 指导教师（签名）：

年 月 日 教研室主任意见 选题难易程度：偏大□ 适中□ 偏小□ 选题工作量：

偏大□ 适中□ 偏小□ 与人才培养目标相符：一致□ 不一致□ 教研室主任（签名）：

年 月 日 院系 意见 院系负责人（签名）：

年 月 日 备注

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