基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的控制設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 課程名稱 單片機(jī)原理及應(yīng)用 課題名稱 基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的控制設(shè)計(jì) 專 業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù) 年 班 級(jí) 07級(jí)電科一班 學(xué) 號(hào) 姓 名 譚成 指導(dǎo)教師 朱高峰 2010年6月25 日目 錄1、設(shè)計(jì)任務(wù) 1.1步進(jìn)電機(jī)工作原理 1.2步進(jìn)電機(jī)的主要特性2、 設(shè)計(jì)思路與總體框圖 2.1 建立相序表 2.2硬件框圖3、系統(tǒng)主程序 3.1運(yùn)行方式與方向的控制循環(huán)查表法 3.2步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度的控制軟件延時(shí)法 3.3源程序流程圖4、 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 4.1控制器芯片的選擇 4.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成與特點(diǎn) 4.3硬件電路的設(shè)計(jì)5、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真 5.1仿真原理圖 5.

2、2 源程序代碼5、總結(jié)與體會(huì)6、 參考文獻(xiàn)1、設(shè)計(jì)任務(wù)本次課程設(shè)計(jì)要求按鍵控制二相四線步機(jī)電機(jī)的工作狀態(tài)，包括：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。1. 1 步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定

3、位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。12 步進(jìn)電機(jī)的主要特性1、步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)型號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒(méi)有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，就會(huì)以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。2 、型號(hào)20BY20L010步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為18度，一圈360度，需要20個(gè)脈沖完成。3、步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。4、改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。2、設(shè)計(jì)思路與總體框圖電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)一般由脈沖和方向信號(hào)來(lái)控制的，脈沖的頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖的個(gè)數(shù)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角；方向信號(hào)的高、低電

4、平控制著電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，可以用一個(gè)輸出口發(fā)送脈沖：高電平-延時(shí)-低電平-延時(shí)延時(shí)的長(zhǎng)短控制脈沖的頻率，電平的轉(zhuǎn)換次數(shù)就是脈沖個(gè)數(shù)；另外用AT89C51的輸出作為方向信號(hào)。21建立相序表實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式、方向和速度以及啟/停的控制，是接口軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。為此，在編寫程序之前，要建立一個(gè)相序表，相序表的建立應(yīng)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式的要求。表1：正轉(zhuǎn)環(huán)形脈沖分配表步數(shù)P0.0P0.1P0.2P0.3AB/A/B11100201103001141001表2：反轉(zhuǎn)環(huán)形脈沖分配表步數(shù)P0.0P0.1P0.2P0.3AB/A/B1110021001300114011022 硬件框

5、圖 單片機(jī) 按 鍵 驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)3、系統(tǒng)主程序3.1運(yùn)行方式與方向的控制循環(huán)查表法步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式是指各相繞組循環(huán)輪流通電的方式。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各繞組按一定方式輪流加電，需要一個(gè)脈沖循環(huán)分配器。循環(huán)分配器可用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用軟件來(lái)設(shè)計(jì)脈沖循環(huán)分配器，又有兩種方法：控制字法和循環(huán)查表法。而本課程設(shè)計(jì)用到的是循環(huán)查表法。循環(huán)查表法是將各相繞組加電順序的控制代碼制成一張表步進(jìn)電機(jī)相序表，存放在內(nèi)存區(qū)，再設(shè)置一個(gè)地址指針。當(dāng)?shù)刂分羔樢来渭?（或減1）時(shí)，即可從表中取出加電的代碼，然后輸出到步進(jìn)電機(jī)，產(chǎn)生按一定運(yùn)行方式的走步操作。若改變相序表內(nèi)的加電代碼和地址指針的指向，則可改變步

6、進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式和方向。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向是采用設(shè)置相序表的指針進(jìn)行控制的。如果把指針設(shè)在指向正相序表的第一個(gè)元素，依次加1，取出加電代碼去控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向叫做正方向，那么，再把指針改設(shè)在指向反相序表的第一個(gè)元素，依次加1的方向就是反方向。3.2步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度的控制軟件延時(shí)法控制步進(jìn)電機(jī)速度有兩個(gè)途徑：一是硬件改變輸入脈沖的頻率，通過(guò)對(duì)定時(shí)器定時(shí)常數(shù)的設(shè)定，使其升頻、降頻或恒頻。二是軟件延時(shí)，或調(diào)用子程序。采用軟件延時(shí)方法來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)速度。本次課程設(shè)計(jì)用到的是軟件延時(shí)法。3.3 源程序流程圖 開(kāi)始 Y sw1? 電機(jī)正轉(zhuǎn) 端口初始化 N Y Y(有鍵按下) sw2? 電機(jī)反轉(zhuǎn) 鍵掃描

7、 N Y N sw3? 電機(jī)加速 N Y 調(diào)用延時(shí)程序 sw4? 電機(jī)減速 N 4、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)41 控制器芯片的選擇 控制器采用MCS -51單片機(jī)。其引腳功能如下：AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51 ?指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多

8、嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。4.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成與特點(diǎn)1)步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交、直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，除與電機(jī)的自身性能有關(guān)外，在很大程度上也取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一般由環(huán)形分配器、信號(hào)處理級(jí)、推動(dòng)級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)等各部分組成，用于功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器還有多種分配分配保護(hù)。環(huán)形分配器用來(lái)接受來(lái)自控制器的CP脈沖，并提供步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。每來(lái)一個(gè)CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出就轉(zhuǎn)換一次。因此，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動(dòng)或停止都完全取決于CP脈沖的有無(wú)或頻率。同時(shí)，環(huán)形分

9、配器還必須接受控制器的方向信號(hào)，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序轉(zhuǎn)換還是反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。接受CP脈沖和方向電平是環(huán)形分配器的最基本功能。從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或者截止的信號(hào)送入信號(hào)放大或處理級(jí)。信號(hào)放大的作用是將環(huán)形分配器輸出的信號(hào)加以放大，變成足夠大的信號(hào)送入推動(dòng)級(jí)，這中間一般放大既需電壓放大，也需電流放大。信號(hào)處理是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的某些轉(zhuǎn)換、合成等功能，產(chǎn)生斬波、抑波等特殊功能的信號(hào)，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動(dòng)，本級(jí)還經(jīng)常與各種保護(hù)電路、控制電路組合在一起，形成較高性能的驅(qū)動(dòng)輸出。2)驅(qū)動(dòng)級(jí)的作用是將較小的信號(hào)加以放大，變成足以驅(qū)動(dòng)級(jí)輸入的較大信號(hào)。有時(shí)，推動(dòng)級(jí)還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)

10、換作用。驅(qū)動(dòng)級(jí)直接與步進(jìn)電機(jī)各繞組相連接，它接受來(lái)自推動(dòng)級(jí)的輸入信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)各繞組的導(dǎo)通與截止，同時(shí)也對(duì)繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制。各種電子設(shè)備的末級(jí)一般需要功率放大，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)也是這樣。為使步進(jìn)電機(jī)滿足各種專有權(quán)的輸出，驅(qū)動(dòng)級(jí)必須對(duì)電機(jī)的繞組提供足夠的電壓和電流。但步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與一般電子設(shè)備的驅(qū)動(dòng)有不同的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：a各相繞組都是開(kāi)關(guān)工作，多數(shù)電動(dòng)機(jī)的繞組都是連續(xù)的交流或者直流，而步進(jìn)電機(jī)的各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是離散的。b電動(dòng)機(jī)的各相繞組是繞在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組通電時(shí)電流上升率受到限制，因而影響電動(dòng)機(jī)繞組電流的大小。c繞組斷電

11、時(shí)，電感中磁場(chǎng)的儲(chǔ)能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，而截止時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)將對(duì)驅(qū)動(dòng)級(jí)器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。d電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，這些電動(dòng)勢(shì)的大小和方向?qū)?duì)繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)基本上與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電動(dòng)勢(shì)越大，繞組電流越小，從而使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。e電動(dòng)機(jī)繞組中有電感電動(dòng)勢(shì)、互感電動(dòng)勢(shì)、旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)。這些電動(dòng)勢(shì)與外加電共同作用于功率器件，當(dāng)其疊加結(jié)果使電動(dòng)機(jī)繞組兩端電壓大大超過(guò)電源電壓時(shí)，使驅(qū)動(dòng)級(jí)的工作條

12、件更為惡化。根據(jù)以上的功率放大級(jí)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、組成和特點(diǎn)，結(jié)合本課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，此設(shè)計(jì)選用單片機(jī)控制可以省去環(huán)形分配器，節(jié)約成本，電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，靈活性好等特點(diǎn)。4.3硬件電路的設(shè)計(jì)按鈕接P2.0P2.3作為觸發(fā)輸入單片機(jī)P1.0P1.3作為O口輸出控制脈沖由三極管、二極管、電阻搭建2個(gè)H橋作為驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 圖1單片機(jī)控制二相步進(jìn)電機(jī)電路圖 圖 2 AT89S51引腳 圖3二相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 5、系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真5.1 Proteus仿真電路具體操作：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)，默認(rèn)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。此時(shí)按下sw2，切換到反轉(zhuǎn)；按下sw1可切換回正轉(zhuǎn)；每按一次sw3，就加速一次，直至上限速度

13、；按一次sw4，就減速一次，直到下限速度。5.2 源程序代碼 運(yùn)行Keil中文版，參照電路圖和流程圖編寫程序#include static unsigned int count; /計(jì)數(shù)static int step_index; /步進(jìn)索引數(shù)，值為07static bit turn; /步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向static bit stop_flag; /步進(jìn)電機(jī)停止標(biāo)志static int speedlevel; /步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)，數(shù)值越大速度越慢，最小值為1，速度最快static int spcount; /步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)計(jì)數(shù)void delay(unsigned int endcount)

14、; /延時(shí)函數(shù)，延時(shí)為endcount*0.5毫秒void gorun(); /步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)函數(shù)void main(void) count = 0; step_index = 0; spcount = 0; stop_flag = 0; P1_0 = 0; P1_1 = 0; P1_2 = 0; P1_3 = 0; EA = 1; /允許CPU中斷 TMOD = 0x11; /設(shè)定時(shí)器0和1為16位模式1 ET0 = 1; /定時(shí)器0中斷允許 TH0 = 0xFE; TL0 = 0x0C; /設(shè)定時(shí)每隔0.5ms中斷一次 TR0 = 1; /開(kāi)始計(jì)數(shù) turn = 0; speedleve

15、l = 2; delay(10000); speedlevel = 1; do speedlevel = 2; delay(10000); speedlevel = 1; delay(10000); stop_flag=1; delay(10000); stop_flag=0; Turn=!turn; while(1);/定時(shí)器0中斷處理 void timeint(void) interrupt 1 TH0=0xFE; TL0=0x0C; /設(shè)定時(shí)每隔0.5ms中斷一次 count+; spcount-; if(spcount=0) spcount = speedlevel; gorun();

16、 void delay(unsigned int endcount) count=0; dowhile(count7) step_index=0; else step_index-; if (step_index0) step_index=7; 6、系統(tǒng)評(píng)價(jià)本文所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以與AT89C51直接接口，且接口簡(jiǎn)單只需要脈沖輸入和方向輸入兩個(gè)控制信號(hào)，節(jié)省了軟硬件開(kāi)發(fā)時(shí)間。雖然簡(jiǎn)便易行，但延時(shí)受CPU主頻的影響，導(dǎo)致在主頻較低的微機(jī)上開(kāi)發(fā)的步進(jìn)電機(jī)控制程序換到較高的主頻的微機(jī)上，就不能正常運(yùn)行，甚至由于頻率太高，步進(jìn)電機(jī)干脆不動(dòng)了。而且，步進(jìn)電機(jī)的速度還受到本身距頻特性的限

17、制，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足運(yùn)行頻率與負(fù)載力矩之間的確定關(guān)系，否則，就會(huì)產(chǎn)生失步或無(wú)法工作的現(xiàn)象。7、總結(jié)與體會(huì) 在完成本設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我把注意力主要集中在編程，電路仿真和調(diào)試上。合理的運(yùn)用軟件設(shè)計(jì)模塊電路可以節(jié)省很多時(shí)間，但完全照搬也不能達(dá)到預(yù)期的效果，因?yàn)閷?shí)際參數(shù)無(wú)法與設(shè)計(jì)精確匹配，因此做到精益求精，盡量達(dá)到指標(biāo)要求。本次設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了單片機(jī)和集成電路的知識(shí)，通過(guò)查閱大量相關(guān)資料，包括查閱相關(guān)書(shū)籍和網(wǎng)上的資料。在方案設(shè)計(jì)方面，我們小組成員通過(guò)討論篩選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，比如在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，我們放棄直接利用集成塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，而選用分離元件來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣功能，從而對(duì)小功率放大電路有了進(jìn)一步的了解。通過(guò)這次課

18、程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步了解了步進(jìn)電機(jī)的工作原理，以及單片機(jī)怎樣控制電機(jī)的實(shí)現(xiàn)。從電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)控制編程以及Proteus仿真，到最后的電路焊接制成電路板，讓我感受最深的是搭建電路，第一遍搭建電路時(shí)吳中陽(yáng)，尹華增，田震很認(rèn)真的按著原理圖把電路搭建出來(lái)了，可是去測(cè)試時(shí)，按鍵后，電機(jī)一直不轉(zhuǎn)動(dòng)，于是我們又把電路重新搭建一遍，因?yàn)榈谝槐榇罱ǖ碾娐泛附硬粯?biāo)準(zhǔn)，存在虛焊的現(xiàn)象，而且仿真與實(shí)際電路參數(shù)存在差異，驅(qū)動(dòng)電路中電阻選用不合理，放大后的電流沒(méi)有達(dá)到電機(jī)所需要的0.5A。第二遍搭建，我們就改方法了，運(yùn)用8個(gè)npn管和基極電阻構(gòu)成放大電路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。但是測(cè)試了還是不動(dòng)，最后經(jīng)過(guò)我們不斷的調(diào)整，發(fā)現(xiàn)是基極電阻值小了，電流放大倍數(shù)不足以提供電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終還是到了正常狀態(tài)。另外就搭建過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題而言，我認(rèn)為在搭電路過(guò)程中我們要特別注意這樣幾個(gè)方面：一是元器件要插緊并且要牢固；二是搞清楚電路圖中電路的流向，標(biāo)出正負(fù)極；三是搭建時(shí)盡量使用最少的線連接一個(gè)賞心悅目的電路，便于老師檢查，自己找錯(cuò)誤。本次課程設(shè)計(jì)，使我的設(shè)計(jì)能力、分析與解決實(shí)際問(wèn)題的能力、動(dòng)手操作能力得到了很大的提高。通過(guò)該課題的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，更熟悉的了解和掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)步驟及調(diào)試運(yùn)行等全過(guò)程，達(dá)到了理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用的目的。通過(guò)兩周的努力，完成了老師交給我們的設(shè)計(jì)工程單片機(jī)控制二相四線步進(jìn)電機(jī)。剛