四相步進電機控制電路的設計與制作

1、 開放性實驗設計（論文）題目四相步進電機控制電路的設計與制作姓名伍玉鑫、王釗教學院系電氣信息學院專業(yè)年級電氣工程及其自動化2012級指導教師單 位西南石油大學完成日期2015年5月5日Southwest Petroleum University Graduation ThesisDesign and fabrication of four stepper motor control circuit Grade :2012Name :Wu yuxin Wang zhao Instructor:Jin tao School of Electrical Engineering a

2、nd Information2015-5-5目錄摘要41 課程設計任務和要求51.1課程設計任務51.2課程任務要求54.四相步進電機的工作性能可靠，電路設計簡單.52 課程設計的方案比較及選擇62.1 步進電機驅動方案選擇62.2 LED顯示方案選擇62.3 控制狀態(tài)的讀取63 控制系統(tǒng)的工作原理63.1 四相步進電機控制工作原理73.2 控制系統(tǒng)的設計思路83.3 控制系統(tǒng)的整體框圖84 控制系統(tǒng)的硬件設計94.1 總體的硬件設計94.2 四相步進電機控制電路104.3 LED顯示電路115控制系統(tǒng)的軟件設計125.1 總體的軟件設計125.2 系統(tǒng)關鍵模塊設計166 系統(tǒng)仿真結果186.

3、1 四相步進電機四種工作方式186.2 相步進電機啟動和停止206.3 四相步進電機正轉和反轉216.4 四相步進電機速度控制22心得體會23參考文獻24附錄1：總電路圖25附錄2：源程序26摘要 本次計算機控制技術課程設計的題目是：四相步進電機控制系統(tǒng)的設計。本次課程設計使用80c51單片機作為主控芯片，利用ULN2003A集成電路作為四相步進電機的驅動電路，采用單極性驅動方式，使四相步進電機能在（1）四相單四拍，（2）四相雙四拍，（3）四相八拍四種工作方式下正常工作；能實現的功能有:啟動/停止控制、方向控制；速度控制（快慢兩檔）；用4位LED數碼管顯示工作步數。用3個發(fā)光二極管顯示狀態(tài)：正

4、轉時紅燈亮，反轉時黃燈亮，不轉時綠燈亮。本次課程設計采用80C51單片機作為主控芯片，程序采用C語言來編寫，驅動電路采用ULN2003A集成電路，顯示器采用7SEG-MPX4-CC,即四位共陰二極管顯示器，P0接段碼，并用8 只1SW歐左右電阻上拉。P2的4 位IO口接位選碼。用四個發(fā)光二極管顯示電路的轉動狀況，紅燈指示正傳，黃燈指示反轉，綠燈指示不轉。采用Proteus軟件進行仿真。在SWeil uVsuon3編程環(huán)境下編程和編譯生成HEX文件，導入到80C51單片機，實現對各個模塊的控制，實現我們所需要的功能。本次設計的方案電路結構比較簡單，設計思路很清晰清晰，用 Proteus軟件進行聯

5、調仿真，結果比較直觀。在這次課程設計學習中我學到了很多知識，知道了四相步進電機控制系統(tǒng)的組成以及怎樣用80C51單片機去控制它，四相步進電機的工作方式壓，這對我在課堂所學的計算機控制技術知識是個鞏固和加強，讓我把課堂所學的理論知識真實的用到實踐中，親自動手，增強了我的動手設計能力，對自己將來的學習和工作發(fā)展起到了很好的作用。 關鍵字： 四相步進電機 單片機 ProteusAbstractThe computer control technology curriculum design topic is: the design of three-phase

6、 stepper motor control system. The curriculum design using 80C51 microcontroller as the main control chip, drive circuit based on ULN2003A integrated circuit as the three-phase stepper motor, using unipolar drive mode, the three-phase stepp

7、er motor in three-phase three steps(1), (2) three phase double shot three, (3) normal three-phase six beat three under the working mode; can realize the function: start / stop control, direction control; speed control(sp

8、eed two grades); with 4 LED digital tube display work steps. With 3 light emitting diode display status: forward when the red light, a reversal of the yellow light, green light is not rotated. The curriculum design using 80C51 microcontroller as

9、 the main control chip, the program is written by C, the drive circuit adopts a ULN2003A integrated circuit, display using7SEG-MPX4-CC, which is the four common cathode LED display, P0 code, and using 8 1SW ohm pull-up resist

10、or. 4 IO P2 port is connected with the selected code. With three light emitting diode display rotational status circuit, a red light indicating the story, the yellow light indicating reversal, lights do not turn. Using Proteu

11、s simulation software. Programming in keil uVsuon3 programming environment and compiler generated HEX file, into the 80C51 microcontroller ,realize the control of each module, to achieve the functions we need.The design scheme of circuit st

12、ructure is relatively simple, very clear design ideas clearly ,using Proteus software debugging simulation results, more intuitive. In the curriculum design learning I learned a lot of knowledge, know the composition of the three-phase

13、 stepper motor control system and how to use the 80C51 microcontroller to control it, three-phase stepper motor working pressure, which I learned in the classroom computer control technology is to consolidate and strengthen the kn

14、owledge, let me put the theory of knowledge in classroom the real practical use, hands-on, enhance my ability to do design, a good effect on their future learning and work development.Keywords: three-phase stepper motor microcontr

15、oller Proteus四相步進電機控制系統(tǒng)的設計1 課程設計任務和要求1.1課程設計任務 設計一個四相步進電機控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)具有如下功能：用SW0-SW2做為通電方式選擇鍵，SW0為四相單四拍，SW1為四相雙四拍，SW2為四相八拍；SW3為啟動/停止控制、SW4方向控制；SW5速度控制（快慢兩檔）；用4位LED數碼管顯示工作步數。用3個發(fā)光二極管顯示狀態(tài)：正轉時紅燈亮，反轉時黃燈亮，不轉時綠燈亮。要求完成的主要任務: 1硬件設計：系統(tǒng)總原理圖及各部分詳細原理圖2軟件設計：系統(tǒng)總體流程圖、步進電機單四拍，雙四拍，四相八拍各模塊流程圖、顯示模塊流程圖等3編寫程序：能夠完成上述任務4完成符合

16、要求的設計說明書。1.2課程任務要求 題目要求設計一個四相步進電機控制系統(tǒng)，它需要具有以下幾個基本功能：1.四相步進電機控制系統(tǒng)能實現四種運行方式,能夠以四相單四拍工作方式運行，通電順序為：A-B-C-D-A;四相雙四拍工作方式運行，通電順序為：AB-BC-CD-DA-AB;四相八拍工作方式運行，通電順序為：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A,因此要輸出相應的控制字進行控制。2.四相步進電機控制系統(tǒng)能實現正轉和反轉和調速（快和慢）控制，能夠改變電機運行的方向和速率.3.四相步進電機控制系統(tǒng)有顯示功能，可以采用共陰極的LED數碼管對步數進行顯示。4.四相步進電機的工作性能可靠，電路設計簡

17、單.2 課程設計的方案比較及選擇2.1 步進電機驅動方案選擇方案1：使用功率四極管等電子器件搭建成功率驅動電路來驅動電機的運行。這種方案的驅動電路的優(yōu)點是使用電子器件聯接，電路比較簡單，但容易受干擾，信號不夠穩(wěn)定，缺點是器件較大而不便電路的集成，使用時很不方便，聯接時容易出錯誤。方案2：使用專門的電機驅動芯片ULN2003A來驅動電機運行。驅動芯片的優(yōu)點是便于電路的集成，且驅動電路簡單，驅動信號很穩(wěn)定，不易受外界環(huán)境的干擾，因而設計的四相步進電機控制系統(tǒng)性能更好。通過對兩種方案的比較，我選擇方案2使用ULN2003A電機驅動芯片來作為驅動。2.2 LED顯示方案選擇方案1：把所需要顯示的數據通

18、過專用的七段顯示譯碼器（例如7448）的轉換輸出給LED顯示屏。優(yōu)點是輸出比較簡單，可以簡化程序，但增加了芯片的費用，電路也比較復雜。方案2：通過程序把所要的數據轉化為七段顯示的數據，直接通過單片機接口來顯示，其優(yōu)點是簡化了電路，但增加了軟件編寫的負擔。通過對兩種方案進行比較，我選擇通過軟件編寫來輸出顯示信號，即單片機直接和顯示器相連。2.3 控制狀態(tài)的讀取 方案1：把按鍵接到單片機的中斷口，若有按鍵按下，單片機接收到中斷信號，再通過軟件編寫的中斷程序來執(zhí)行中斷，優(yōu)點是接線簡單，簡化了電路，但軟件編寫較為復雜，不易掌握。 方案2：不使用中斷，直接把開關分別接在單片機的接口上，通過查詢端口信號來

19、動作。其優(yōu)點是程序得到簡化，可讀性加強。 通過對方案的比較，我選擇通過查詢方式來讀取端口信號。3 控制系統(tǒng)的工作原理3.1 四相步進電機控制工作原理3.1.1步進電機的工作原理圖1 步進電機四相接線圖四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b、c所示：a. 單四拍 b. 雙四拍 c.八拍圖2.步進電機工作時序波形圖3.1.2 步進電機的工作方式

20、四相步進電機可以在四相單拍，四相雙拍和四相八拍四種工作過方式下工作。在四相單四拍工作方式運行時，通電順序為：A-B-C-D;四相雙四拍工作方式運行時，通電順序為：AB-BC-CD-DA;四相八拍工作方式運行時，通電順序為：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A,因此要輸出相應的控制字進行控制。3.1.3步進電機的轉向控制如果給定工作方式正序換相通電 ,步進電機正轉。若步進電機的勵磁方式為四相八拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。如果按反序通電換相 ,即則電機就反轉。其他方式情況類似。3.1.4步進電機的啟停控制步進電機由于其電氣特性,運轉時會有步進感 ,即振動感。為了使電

21、機轉動平滑 ,減小振動 ,可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細分的梯形波 ,可以減小步進電機的步進角 ,提高電機運行的平穩(wěn)性。在步進電機停轉時 ,為了防止因慣性而使電機軸產生順滑 ,則需采用合適的鎖定波形 ,產生鎖定磁力矩 ,鎖定步進電機的轉軸 ,使步進電機的轉軸不能自由轉動。3.1.5步進電機的速度控制步進電動機運轉的速度是由輸入到A、B、C、D四相繞組的頻率所決定的。脈沖的頻率越高，電動機運轉的速度越快，否則，速度就越慢。因而通過延時程序控制輸出脈沖的頻率，就可以實現對步進電機速度的控制。3.2 控制系統(tǒng)的設計思路此次我所設計的是一個四相步進電機控制系統(tǒng)，主要由單片機80C51，4相

22、步進電機，7段數碼管，及一些其他相關元件設計而成。可以通過開關來控制系統(tǒng)的啟/停工作，當系統(tǒng)運轉時，用開關來控制方向，并使相應的指示燈亮起，同樣由開關來選擇工作模式。運轉時，用4位7段數碼管來輸出步數。最后根據思路所設計出來的硬件圖設計相適應的軟件。3.3 控制系統(tǒng)的整體框圖下圖為系統(tǒng)總體設計整體框圖，單片機80C51，ULN2003A驅動芯片，四相步進電機，7段LED數碼管等一些電路模塊組成。80C51單片機LED顯示步數模塊開關選擇電機工作模式LED顯示燈顯示電機工作狀態(tài)四相步進電機驅動模塊圖3 系統(tǒng)的整體框圖4 控制系統(tǒng)的硬件設計4.1 總體的硬件設計設計一個單片機四相步進電機控制系統(tǒng)要

23、求系統(tǒng)具有如下功能：(1) 用SW0-SW2做為通電方式選擇鍵，SW0為單四拍，SW1為雙四拍，SW2為四相八拍；(2) SW3、SW4分別為啟動和方向控制；(3) 正轉時紅色指示燈亮，反轉時黃色指示燈亮，不轉時綠色指示燈亮；(4) 用4位LED顯示工作步數。根據設計要求用PROTEUS所做的硬件連線圖如圖4：圖4 總體硬件連線4.2 四相步進電機控制電路4.2.1啟/?？刂?、正/反轉控制、工作模式控制電路分析原理圖如圖5所示：圖5 按鍵控制圖（1）SW0-SW2為工作模式控制開關，SWO接電時，為步進電機單四拍工作模式；SW1接電時，為步進電機雙四拍工作模式；SW2接電時，步進電機工作模式為

24、四相八拍，（2）SW3為啟動/停止控制開關，控制整個系統(tǒng)的開啟和關閉。（3）SW4為正轉/反轉控制開關，控制步進電機的轉向。（4）SW5速度控制（快慢兩檔）。4.2.2步進電機驅動電路將80C51的P1.0-P1.3作為步進電機的輸出控制口。電路圖如下所示：圖6 步進電機的輸出控制口4.3 LED顯示電路4.3.1發(fā)光二極管顯示電路用3個不同顏色的發(fā)光二極管來作為指示燈顯示，將P3.6接紅燈，P3.7接黃燈，P3.3接綠燈，正轉時紅色指示燈亮，反轉時黃色指示燈亮，不轉時綠色指示燈亮。電路圖如下： 圖7 指示燈接線圖4.3.2八段數碼管顯示電路由80C51的P0口取出顯示碼，從80C51的P2.

25、0-P2.3輸出位選碼，設計中我們主要用到4位顯示步數既可。原理圖如下： 圖8 顯示器接線圖5控制系統(tǒng)的軟件設計5.1 總體的軟件設計5.1.1步進電機的工作方式（1）四相單四拍工作方式 在這種工作方式下,A、B、C、D四相輪流通電,電流切換四次,磁場旋轉一周,轉子向前轉過一個齒距角。因此這種通電方式叫做四相單四拍工作方式。A-B-C-D為正轉，D-C-B-A為反轉這時步距角b (度)為 (公式1)式中:m步進電機工作拍數; z 轉子齒數四相單四拍的數學模型： 步序 控制位工作狀態(tài)控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3D相P1.2C相P1.1B相P1.0A相100000001A01H

26、200000010B02H300000100C04H400001000D08H表1（2）雙四拍工作方式 在這種工作方式下，每次都是有兩相導通,兩相繞組處在相同電壓之下,以ABBCCDDAAB (或反之)方式通電,故稱為雙四拍工作方式。以這種方式通電,轉子齒所處的位置相當于八拍控制方式中去掉單四拍后的四個位置。它的步距角計算公式與單四拍時的公式相同。 極分度角/齒距角= R + SW·1/m 進一步化簡得齒數z: (公式2)式中:m相數; q每相的極數; SW (m - 1)的正整數;R正整數,為0、1、2、3。四相雙四拍的數學模型：步序 控制位工作狀態(tài)控制模型P1.7P1.6P1.5

27、P1.4P1.3D相P1.2C相P1.1B相P1.0A相100000011AB03H200000110BC06H300001100CD0CH400001001DA09H表2（3）四相八拍工作方式 在這種工作方式下,繞組以AABBBCCCDDDAA時序(或反時序)轉換8次,磁場旋轉一周,轉子前進一個齒距,每次切換均使轉子轉動1. 5°,故這種通電方式稱為四相八柏工作方式。其步距角b 為: (公式3)式中:m步進電機工作拍數; z 轉子齒數四相八拍的數學模型：步序 控制位工作狀態(tài)控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2C相P1.1B相P1.0A相100000001A01H

28、 200000011AB03H300000010B02H400000110BC06H500000100C04H600001100CD0CH700001000D08H800001001DA09H 表3 5.1.2 系統(tǒng)總體流程圖 設計說明：首先復位單片機，然后從P3口讀出開關狀態(tài)，判斷是否啟動，沒啟動綠燈亮重新確認啟動。啟動后再次讀取P3口數據，判斷工作方式并將對應的用來存儲步進電機工作方式字的數組首地址值給q。由P3.4口的雙向開關來控制步進電機的正反轉，如果是正轉則紅燈亮，反轉則綠燈亮。在電機每走一步后，步數記數加1，然后通過LED顯示把工作步數顯示出來。再從P3口把狀態(tài)信息讀出來，與之前的

29、P3口的狀態(tài)信息進行比較。如果狀態(tài)信息沒有改變，電機繼續(xù)運行。如果狀態(tài)信息改變了，就需要重新返回程序的開端，對電機的運行狀態(tài)進行判斷，讓電機重新以新的狀態(tài)運行。由此，開關的狀態(tài)在電機每走一步都會查詢一遍，做到實時地反映。開始P3口、步數清零數碼管輸出0綠色顯示燈亮以已選擇的序列輸出控制字K0/K1/K2選擇工作方式控制字序列短延時長延時步數自增一啟/停按鍵K3按下？正/反轉按鍵K4按下？選擇正轉控制字序列紅燈亮選擇反轉控制字序列黃燈亮啟/停按鍵K3按下？數碼管輸出步進步數調速鍵K5按下？YYNNN圖9 總體流程圖5.2 系統(tǒng)關鍵模塊設計5.2.1. 四相步進電機模塊設計設計說明：在此設計中，采

30、用的是四相步進電機，對于步進電機模塊的程序設計采用循環(huán)程序設計方法。先把正反轉向的控制模型存放在內存單元中，然后再逐一從單元中取出控制模塊并輸出。首先啟動，選擇步進電機的拍數，輸入步數，然后讀入正反轉的控制模型驅動步進電機轉動。 四相步進電機的流程框圖： 分模塊入口P1.0=1？不輸出任何信號P1.1=1？P1.2=1？選擇單四拍控制字序列輸出選擇雙四拍控制字序列輸出選擇四相八拍控制字序列輸出分模塊出口NYNNYY 圖10 四相步進電機的流程框圖5.2.2顯示模塊設計設計說明：顯示模塊是用4位八段數碼管來顯示工作步數。先將顯示碼存入數組中，指向最左邊一位，然后取出要顯示的數據，指向換碼表首地址

31、，取出顯示碼，從P0口輸出顯示碼，P2口輸入位選碼，顯示出4位工作步數，最后修改數組地址，求下一位位選碼繼續(xù)顯示。Y主程序N動態(tài)顯示步數子程序取出要顯示的步數據求待顯示數據的顯示碼送位段碼到P0口輸出送位選碼到P2.0-P2.3輸出延時4位顯示完了嗎 返回修改數組地址求下一位選碼圖11 顯示模塊的程序框圖5.2.3進電機調速模塊流程圖模塊入口P3.4=1?（K5按下？）RRR=50（循環(huán)次數為5）調用單位延時程序k自增一返回j=RRR？（達到要求次數）RRR=500（循環(huán)次數為50）圖12 步進電機調速模塊流程圖Yk=0NYN如圖5.8為步進電機調速模塊流程圖，當P3.4=1時，即SW5按下，

32、系統(tǒng)選擇單位延時程序的循環(huán)次數為5，此時步進電機快速運轉，當P3.4=0時，即SW5無效，系統(tǒng)選擇單位延時程序的循環(huán)時間為50次，此時步進電機慢速運轉。6 系統(tǒng)仿真結果6.1 四相步進電機四種工作方式圖12為步進電機工作在四相單四拍，此時SW0,SW3接高電平，SW1,SW2接低電平啟動；圖13為步進電機工作在四相雙四拍，此時SW1,SW3接高電平,SW0,SW2接低電平；圖14為步進電機工作在四相八拍，此時SW0,SW1接低電平,SW2,SW3接高電平；若SW4接高電平則反轉，低電平則正轉；若SW5接高電平速度快，接低電平速度慢。這四種工作方式工作不同，四相單四拍時，通電順序為A-B-C-D

33、-A;四相雙四拍時，通電順序為AB-BC-CD-DA;四相八拍時，通電順序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA;以上通電方式是三種工作方式正轉的情況，若要反轉，則通電方式放過來即可， 圖13 步進電機工作在四相單四拍 圖14 步進電機工作在四相雙四拍圖15 步進電機工作在四相八拍6.2 相步進電機啟動和停止圖15 為步進電機工作在啟動狀態(tài)，此時步進電機工作在四種方式之一，SW3接高電平。 圖16 步進電機工作在啟動狀態(tài)圖16為步進電機工作在停止狀態(tài)，此時步進電機工作在四種方式之一，SW3接低電平。 圖17步進電機工作在停止狀態(tài) 6.3 四相步進電機正轉和反轉 圖17為四相步進電機工作在正轉

34、狀態(tài)，此時SW4接低電平。 圖18為四相步進電機工作在正轉狀態(tài) 圖18為四相步進電機工作在反轉狀態(tài)，此時SW4接高電平圖19 為四相步進電機工作在反轉狀態(tài)6.4 四相步進電機速度控制 圖19為四相步進電機處于快速度狀態(tài)，此時SW5接高電平。 圖20為四相步進電機處于高速度狀態(tài)圖20為四相步進電機處于慢速度狀態(tài)，此時SW5接低電平圖21 為四相步進電機處于慢速度狀態(tài)心得體會經過一個星期的努力和付出，完成了本次<<計算機控制技術>>課程設計，通過本次課程設計提高了我的設計方案和分析問題的能力，加深了對理論知識的理解，做到了理論知識與實踐的聯系。學會了Proteus這個仿真軟

35、件的運用，積累進行課程設計的經驗。大二下學期，我們做的課程設計有微機原理課程設計和自動控制原理，為我們這個學期的課程設計打下一個基礎，初步掌握了Proteus這個軟件的使用，因而這次使用它更加熟悉。首先通過本次課程設計，熟練地掌握了四相步進電機控制系統(tǒng)的設計，了解其工作原理，以及電路所用到一些芯片的工作狀況，如80C51單片機芯片和ULN2003A驅動芯片以及7SEG-MPX4-CC四位共陰二極管顯示器陰，熟悉了它們各自的特點和用途。通過本次課程設計，對理論知識有了更深入的理解，感受到計算機控制技術的魅力。其次，通過本次課程設計，大大提高了自己的動手能力和設計能力，加深對Proteus軟件功能

36、的理解，學會用這個軟件設計四相步進電機控制系統(tǒng)，將理論知識與實踐相聯系，為以后在學習和工作的發(fā)展打下一個良好的基礎 。然后，通過該課程設計，初步理解了利用計算機控制技術進行四相步進電機控制系統(tǒng)的設計。最后，我明白：知識不是孤立的，相互之間有聯系的，我們要學會理解知識點以及學科之間的融合滲透。本次課程設計涉及到了計算機技術，自動控制技術，微機技術，數字電子技術等眾多知識，因而我們需要把把各個學科之間的知識融合起來，形成一個整體。認識到Proteus這個軟件的強大功能，為以后的學習和工作打下基礎。我相信未來是屬于我們的，隨著科學技術的發(fā)展，計算機控制技術的應用將將越來越廣泛，發(fā)揮越來越重要的作用。

37、參考文獻1 于海生編著.計算機控制技術.北京：機械工業(yè)出版社.20052 譚浩強編著.C程序設計（第四版）.北京：清華大學出版社.20083 彭虎、周佩琳編著.微機原理與接口技術. 北京：電子工業(yè)出版社.2007.4 劉教瑜、曾勇編著.單片機原理與應用.武漢：武漢理工大學出版社.20085 頂明亮、唐前輝編著.51單片機應用設計與仿真：基于SWeil與proteus.北京：北京航空航天大學出版社.20096 徐安編著.微型計算機控制技術. 北京:科學出版社. 2005.7 楊立編著.計算機控制與仿真技術.北京:中國水利水電出版社. 20068 彭旭昀編著.機電控制系統(tǒng)原理及工程應用.北京：機械工業(yè)出版社.20069 楊益強、李長虹編著.控制器件.北京：中國水利水電出版社.2005附錄1：總電路圖附錄2：源程序#include<reg51.h>#include<stdio.h>void delay1(void);void delay2(void);void display(int);int bs=0;int cishu;main()char a,b,c,d,j,*q,done18=0x01,0x02,0x0