基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)課程設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)第一章、概述1.1課題簡(jiǎn)介1.1.1步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)（如左圖1所示），它的工作原理是利用電子電路，將直 流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流， 用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能 正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電（圖1）的，多相時(shí)序控制器。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)， 交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成 控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、 電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電

2、子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng) 用。1.1.2步進(jìn)電機(jī)控制工作原理步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)數(shù)字 角度轉(zhuǎn)換器，也是一個(gè)串行的數(shù) 模轉(zhuǎn)換器。 步進(jìn)電機(jī)的基本控制包括啟?？刂啤?轉(zhuǎn)向控制、速度控制、換向控制4個(gè)方面。 從結(jié)構(gòu)上看，步進(jìn)電機(jī)分為三相、四相、五相等類型，常用的則以三相為主。 三相步進(jìn)電機(jī)的工作方式有三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種。1.1.3 步進(jìn)電機(jī)的啟停控制步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性 , 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感 , 即振動(dòng)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng)平滑 , 減小振動(dòng) , 可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯 形波 , 可以減小步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角 ,

3、 提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。 在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn) 時(shí) , 為了防止因慣性而使電機(jī)軸產(chǎn)生順滑 , 則需采用合適的鎖定波形 , 產(chǎn)生 鎖定磁力矩 , 鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸 , 使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。1.1.4 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制如果給定工作方式正序換相通電 , 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。 若步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式 為二六拍,即A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通電換相,即則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其 他方式情況類似。1.1.5 步進(jìn)電機(jī)的速度控制如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖 , 它就轉(zhuǎn)一步 , 再發(fā)一個(gè)脈沖 , 它會(huì)再 轉(zhuǎn)一步。 2 個(gè)脈沖的間隔越短 , 步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的 脈沖頻率 , 就可以對(duì)步進(jìn)

4、電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。1.1.6 步進(jìn)電機(jī)的換向控制步進(jìn)電機(jī)換向時(shí) , 一定要在電機(jī)減速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)再換 向 , 以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。 換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一 個(gè)脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第 1 個(gè)脈沖前發(fā)出。 對(duì)于脈沖的設(shè)計(jì)主要要求 要有一定的脈沖寬度（一般不小于5卩s）、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。 在某一高速下的正、反向切換實(shí)質(zhì)包含了減速換向加速 3個(gè)過(guò)程。1.2 基本設(shè)計(jì)要求此次我們所設(shè)計(jì)的是一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，可以通過(guò)按鍵來(lái)控制系統(tǒng)的 啟/停工作，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，用按鍵來(lái)控制方向，同樣由按鍵來(lái)選擇工作模式。 最后根據(jù)思路所設(shè)計(jì)出來(lái)的硬件圖設(shè)計(jì)相適應(yīng)的軟

5、件。 詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟將在下面 說(shuō)明。1.3步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配步進(jìn)電機(jī)的控制主要由脈沖分配和驅(qū)動(dòng)電路兩部分組成，步進(jìn)電機(jī)脈沖控制的任務(wù)有三點(diǎn)：控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角、控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向?？刂戚斔?給電機(jī)的脈沖數(shù)就可以控制電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角數(shù)；控制輸送給電機(jī)的脈沖頻率就可 以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，實(shí)際就是控制脈沖輸送給電機(jī)繞組的順序 分配，這種分配稱為環(huán)行分配。在數(shù)控系統(tǒng)中，脈沖分配器是將插補(bǔ)輸出脈沖， 按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的各相輸入端，用以控制繞組中電流的開(kāi)通和關(guān)斷。同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)有正反轉(zhuǎn)要求，所以脈沖分配器的輸 出既是周期性的，又是可逆的，因此，也可稱之為

6、環(huán)形分配器。脈沖分配可以用硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件程序?qū)崿F(xiàn)。1.3.1硬件環(huán)形分配硬件環(huán)行分配器由集成電路的邏輯門(mén)、 觸發(fā)器等邏輯單元構(gòu)成。三相六拍環(huán) 形分配器由三個(gè)D觸發(fā)器和若干個(gè)與非門(mén)所組成。CP端接進(jìn)給脈沖控制信號(hào)， E端接電機(jī)方向控制信號(hào)（高電平或低電平信號(hào)）。環(huán)行分配器的輸出端Qa、Qb 和Qc分別控制電機(jī)的A、B和C三相繞組。其原理圖見(jiàn)圖4。正向進(jìn)給時(shí)環(huán)行 分配器真值表見(jiàn)表2。對(duì)圖4進(jìn)行分析可知：置E為“ 1”時(shí)，三相六拍的運(yùn)行方式是 A - AB - B -BC- C-CA順序輪流通電方式，稱之為正轉(zhuǎn)，貝U轉(zhuǎn)子便順時(shí)針?lè)较蛞徊揭?步轉(zhuǎn)動(dòng)；置E為“0”時(shí)，三相六拍的運(yùn)行方式是 C

7、A-C-CB- B-BA-A順 序輪流通電方式，稱之為反轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子便逆時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng)。表2正、反向進(jìn)給時(shí)環(huán)行分配器真值表CPDaDbDCQaQbQc通電相0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A圖5所示為專用的環(huán)形分配集成芯片 CH250,是專為三相步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的 環(huán)形分配集成芯片，采用 CMOS工藝集成，可靠性高，它可工作于單三拍、雙 三拍、三相六拍等方式。圖所示為三相六拍的接線圖，步進(jìn)電機(jī)的初始勵(lì)磁狀態(tài) 為AB相，當(dāng)進(jìn)給脈沖CP的上升沿有效，并且方向信號(hào) E=1時(shí)則正轉(zhuǎn)，E=0時(shí) 則反轉(zhuǎn)。對(duì)于不同種類、不同

8、相數(shù)、不同分配方式的步進(jìn)電機(jī)都必須重新設(shè)計(jì)不同的 硬件分配電路或選用不同的集成芯片，顯然有些不方便。1.3.2軟件環(huán)形分配1、軟件環(huán)形分配原理采用MCS-51系列單片機(jī)來(lái)進(jìn)行環(huán)行脈沖的軟件控制，現(xiàn)以控制兩只四相八 拍電機(jī)的環(huán)行分配程序?yàn)槔f(shuō)明其原理。設(shè)有X向四相步進(jìn)電機(jī)，以四相八拍方式運(yùn)行。按照四相八拍方式運(yùn)行時(shí)的 通電順序?yàn)椋赫D(zhuǎn)： AA4 B BS Ct C D DA；反轉(zhuǎn)：A- AD DC f C CMB BA；設(shè)以8031的Pi 口作為兩只電機(jī)的輸出口，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。表3 兩只四相電機(jī)輸出口分配丫電機(jī)X電機(jī)P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0DCBA

9、DCBA由于控制口的輸出信號(hào)一般須經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行反向放大，故當(dāng)某Pl 口輸出為“0”時(shí)即接通某相電機(jī)繞組，當(dāng)某 R 口輸出為“ 1”時(shí)即表示不接通某相電 機(jī)繞組。表4為X向電機(jī)的通電順序。設(shè)X向電機(jī)以通電狀態(tài)的順序號(hào)作為地址， 并記憶在內(nèi)部RAM的52H中，把X的狀態(tài)記憶在55H中，與Pi 口相對(duì)應(yīng)，55H的 低四位放X向電機(jī)的狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，通電順序號(hào)加1增大；當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)， 通電順序號(hào)減1減小。把X向電機(jī)的進(jìn)給方向符號(hào)放在位地址 02H中，“0”表示 正，“ 1”表示負(fù)。同時(shí)設(shè)計(jì) Y向電機(jī)的通電狀態(tài)順序號(hào)記憶在內(nèi)部 RAM的53H 中，丫向電機(jī)的進(jìn)給方向符號(hào)放在位地址 03H中，55H

10、的高四位放丫向電機(jī)的狀 態(tài)。表4X向電機(jī)的通電順序通電 順序 號(hào)輸出口16進(jìn)制狀態(tài)通電相數(shù)P1.3P1.2P1.1P1.0DCBA11110EA21100CAB31101DB410019BC51011BC600113CD701117D801106DA環(huán)行分配時(shí)，先從52H或53H中查得當(dāng)時(shí)的通電順序號(hào)，根據(jù)相應(yīng)電機(jī)在插補(bǔ)過(guò)程中是正向進(jìn)給還是負(fù)向進(jìn)給，決定是通電順序號(hào)加1還是通電順序號(hào)減1運(yùn)算。加1后若地址超過(guò)8則賦順序號(hào)為1,減1后若地址小于1則賦順序號(hào)為 &根據(jù)加1減1得到的新地址查表取得新的通電狀態(tài)，再把新的通電狀態(tài)在適 當(dāng)時(shí)機(jī)送向輸出口 R，完成步進(jìn)電機(jī)行走一步。2、軟件環(huán)形分配流程圖1

11、.4步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路必須指出，由微機(jī)根據(jù)控制要求發(fā)出的脈沖，并依次將脈沖分配給各相繞組， 因其功率很小，電壓幅度不足5V,電流為mA級(jí)，必須經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)電流放 大到若干安培，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。因此，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上是一個(gè)功率放 大器。驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)量直接影響步進(jìn)電機(jī)的性能， 驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載是電機(jī)的繞組，是 強(qiáng)電感性負(fù)載。對(duì)驅(qū)動(dòng)器的主要要求是：失真要小，要有較好的前后沿和足夠的 幅度；效率要高；工作可靠；安裝調(diào)試和維修方便。1.4.1單電源驅(qū)動(dòng)電路圖6是一種實(shí)際應(yīng)用的單電源驅(qū)動(dòng)電路。圖中的 La, L b, L c分別是步進(jìn)電 機(jī)的三相繞組，每相繞組由一組放大器驅(qū)動(dòng)。 三相放大器完全相同，現(xiàn)

12、以A組為 例說(shuō)明。放大器輸入的是脈沖信號(hào)，設(shè)脈沖信號(hào)的低電平為0V高電平為3V,輸入級(jí)由開(kāi)關(guān)管3DK4接成射級(jí)輸出器，將輸入信號(hào)電流放大，以推動(dòng)輸出級(jí)3DD15D 沒(méi)有脈沖時(shí)，3DK4和3DD15D勻截止，電機(jī)繞組中無(wú)電流通過(guò)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖輸入A端時(shí)，兩級(jí)管子均飽和導(dǎo)通，La有電流流過(guò)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 一步；第二個(gè)脈沖輸入B端時(shí)，Lb得電，再轉(zhuǎn)一步；第三個(gè)脈沖輸入 C端時(shí)，Lc 得電，又轉(zhuǎn)一步。當(dāng)脈沖依次加到 A, B, C三個(gè)輸入端時(shí)，三組放大器分別驅(qū)動(dòng) 不同的繞組，一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為三相單三拍工作方式。電路中的二極管D起泄放作用，因?yàn)樵诠β使?DD15D突然關(guān)斷時(shí)，在繞組 L中將產(chǎn)生

13、一個(gè)大的反電動(dòng)勢(shì)，此反電動(dòng)勢(shì)疊加在直流電源上加到功放管的集電 級(jí)，可能會(huì)將該管擊穿，有了這個(gè)二極管就能泄放L中儲(chǔ)存的能量，從而保護(hù)了 功放管。該單電源驅(qū)動(dòng)電路雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 但也存在明顯的不足。由于限流電阻 R是串在大電流的輸出回路中，要消耗一定的能量，因此這種放大器的效率很低， 且發(fā)熱厲害，輸出功率小，這種電路通常是用在對(duì)速度要求不高的小型步進(jìn)電機(jī) 中。1.4.2高低壓驅(qū)動(dòng)電路圖無(wú)脈沖輸入時(shí)，Tl, T2，T3, T4均截止，電機(jī)繞組La中無(wú)電流通過(guò)，電機(jī)不 轉(zhuǎn)。有脈沖輸入時(shí)，Ti, T2, T4飽和導(dǎo)通，在飛由截止到飽和期間，其集電極電 流也就是脈沖變壓器的初級(jí)電流急速增加，在變壓器次級(jí)感

14、生一個(gè)電壓，使T3導(dǎo)通，80V高壓經(jīng)高壓管幾加到繞組La上，使電流迅速上升，約經(jīng)數(shù)百微秒，當(dāng) T2進(jìn)人穩(wěn)壓狀態(tài)后，Tp初級(jí)電流暫時(shí)恒定，次級(jí)的感應(yīng)電壓降到 0, T3截止，這 時(shí)12V低壓電流經(jīng)D2加到繞組La上，維持La中的電流為恒定值。輸入脈沖結(jié)束后，,T 1, T2, T3, T4又均截止，儲(chǔ)存在La中的能量通過(guò)18Q 的電阻和二極管泄放，18Q的電阻的作用是減小放電回路的時(shí)間常數(shù)，改善電 流波形后沿。由于采用高低壓驅(qū)動(dòng)，電流增長(zhǎng)快，電機(jī)的力矩和運(yùn)行頻率都得到改善，但由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電勢(shì)，使電流波形頂部下凹，使平均電流下降, 轉(zhuǎn)矩下降。1.4.3斬波恒流功放電路斬波恒流功放電路是利

15、用斬波方法使電流恒定在額定值附近。典型斬波恒流電路如圖8：如圖，步進(jìn)方波信號(hào)在有效期不斷重復(fù)，在繞組中保持在額定電流值上下似 鋸齒波形。斬波驅(qū)動(dòng)電路雖然復(fù)雜，但它的優(yōu)點(diǎn)比較突出：繞組的脈沖電流邊沿陡，快 速響應(yīng)好；功耗小，效率高；因?yàn)殡娐窡o(wú)外接電阻Rc,而采樣電阻Re又很?。?般為0.2歐姆左右），所以整個(gè)系統(tǒng)的功耗下降很多，相應(yīng)地提高了效率；輸出 恒定轉(zhuǎn)矩。由于采樣電阻Re的反饋?zhàn)饔茫估@組中的電流可以恒定在額定的值。1.4.4細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的功率放大部分有線性放大型和開(kāi)關(guān)放大型兩種。典型電路圖分別如圖9中的（a）和（b）。第二章、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)AT89C51步進(jìn)電機(jī)驅(qū)

16、動(dòng)芯片ULN2003A 2相6線步進(jìn)電機(jī),按鍵及一些其他相關(guān)元件設(shè)計(jì)而成?？傮w框圖如下圖2控制信號(hào)（圖2）2.1 .硬件設(shè)計(jì)2.1.1 . AT89C51 簡(jiǎn)介單片機(jī)（如圖3）:本次設(shè)計(jì)使用單片機(jī)芯片AT89C51AT89C51的工作特性：內(nèi)含4KB的FLASH存儲(chǔ)器檫寫(xiě)次 數(shù)1000次；內(nèi)含128字節(jié)的RAM ;具有32根可編程I/O線；具有2個(gè)16位編程定時(shí)器“磯pa 4A LWPl ；：FTT)P J 丁(.JtiAt2 r1 7：anoR5T (M電叭P J M t T 生口, P3 . 1 : J L：VGCpa. O | AD 0r . 4 t AD ) ；I PO Z 二 fl-

17、 ； PO. 7和:r E鼻Wg F fl 5 3 h FSEM：P上，Tpi a z“ Ll ” w,】p? *1 iAi i J 吁 P7-2 (A10J :I P2 1 i扎町 l PJ O (A&lAT89C51具有6個(gè)中斷源，5個(gè)中斷矢量，2級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；（圖 3 ）具有1個(gè)全雙工的可編程串行通信接口；具有1個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR ;具有可編程 3 級(jí)程序鎖定位； AT89C51 的工作電源為 5（1 0.2 ）V 且典型值為 5V ； AT89C51 最高工作頻率為 24MHZ ； AT89C51 的編程頻率為 324MHZ ，編程啟動(dòng)電流和啟動(dòng)電壓 分別為 1mA 、5 或 1

18、2V 。2.1.3 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇和介紹LN2003 也是一個(gè) 7 路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時(shí) ULN2003 輸出端為 低電平，當(dāng)輸入端為低電平時(shí) ULN2003 輸出端為高電平。如圖 4 所示 功能特點(diǎn)：高電壓輸出 50V輸出鉗位二極管 輸入兼容各種類型的邏輯電路 應(yīng)用繼電器驅(qū)動(dòng)器。2.2 軟件設(shè)計(jì)第三章、調(diào)試與仿真3.1Keil程序調(diào)試?yán)?1 - ffisioni - CAUserVAdminitratorDe5ktopVfriM17?Sll22222.A5MFile Edit View Project ebug Flash Peripherals I oak GVC9 Wiin

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21、s /3.2 Proteues仿真調(diào)試第四章、課程設(shè)計(jì)小結(jié)這次課程設(shè)計(jì)讓我受益匪淺，無(wú)論從知識(shí)上還是其他的各個(gè)方面。 上課的時(shí) 候的學(xué)習(xí)從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)真正的單片機(jī)，只是從理論的角度去理解枯燥乏味。但在 設(shè)計(jì)中見(jiàn)過(guò)甚至使用了單片機(jī)及其系統(tǒng)，能夠理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)習(xí)，開(kāi)闊了眼界， 提高了單片機(jī)知識(shí)的理解和水平。在這次課程設(shè)計(jì)中又讓我體會(huì)到了合作與團(tuán)結(jié) 的力量，當(dāng)遇到不會(huì)或是設(shè)計(jì)不出來(lái)的地方，我們就會(huì)在QQ群里討論或者是同學(xué)之間相互幫助。團(tuán)結(jié)就是力量，無(wú)論在現(xiàn)在的學(xué)習(xí)中還是在以后的工作中，團(tuán)結(jié)都是至關(guān)重要的，有了團(tuán)結(jié)會(huì)有更多的理念、更多的思維、更多的情感。單片機(jī)是很重要的一門(mén)課程，老師和一些工作的朋友都曾說(shuō)過(guò)，如果學(xué)好一 門(mén)單片機(jī)，就憑這個(gè)技術(shù)這門(mén)手藝找一個(gè)好工作也不成問(wèn)題。盡管我們?cè)谡n堂學(xué) 到的內(nèi)容很有限，但在以后的學(xué)習(xí)中單片機(jī)還需要好好的深入研究和學(xué)習(xí)， 學(xué)好 了單片機(jī)也就多了一項(xiàng)生存的本錢(qián)。 最后感謝老師對(duì)我們的精心指導(dǎo)和幫助， 感謝同學(xué)們對(duì)我的幫助參考文獻(xiàn)1 張洪潤(rùn), 藍(lán)清華. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)教程 M . 北京:清華大學(xué)出版社 ,1997.2 秦曾煌.電工