基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)伺服控制器的設(shè)計(參考論文)

1、成績 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)伺服控制器的設(shè)計 題 目 課 程 名 稱 院 部 名 稱 專 業(yè) 班 級 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 畢業(yè)設(shè)計地點畢業(yè)設(shè)計學(xué)時指 導(dǎo) 教 師【注：根據(jù)畢業(yè)設(shè)計大綱第四項具體要求撰寫畢業(yè)設(shè)計報告】目 錄1設(shè)計任務(wù)和要求32設(shè)計思路43系統(tǒng)硬件設(shè)計53.1 硬件電路的工作原理53.2步進(jìn)電機(jī)模塊53.3控制模塊63.4主要元件介紹：64軟件編程115 調(diào)試過程與結(jié)果205.1正轉(zhuǎn)結(jié)果顯示：205.1.1正轉(zhuǎn)加速：215.1.2正轉(zhuǎn)減速：216 總結(jié)與體會247 參考資料268 附錄261設(shè)計任務(wù)和要求單片機(jī)畢業(yè)設(shè)計是考察學(xué)生利用所學(xué)過的專業(yè)知識，進(jìn)行綜合的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計并最

2、終完成實際系統(tǒng)連接，能夠使學(xué)生對電氣與自動化的專業(yè)知識進(jìn)行綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作能力，提高學(xué)生的動手實踐能力。最終形成一篇符合規(guī)范的設(shè)計說明書，并參加綜合實踐答辯，為后期的畢業(yè)設(shè)計做好準(zhǔn)備。本次設(shè)計考核的能力主要有：1) 專業(yè)知識應(yīng)用能力，包括電路分析、電子技術(shù)、單片機(jī)、檢測技術(shù)、電氣控制、電機(jī)與拖動、微特電機(jī)及其驅(qū)動、計算機(jī)高級語言、計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)辦公軟件等課程，還包括本專業(yè)的拓展性課程如變頻器、組態(tài)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、伺服電機(jī)等課程。2) 項目設(shè)計與運(yùn)作能力，團(tuán)隊協(xié)作能力，技術(shù)文檔撰寫能力，PPT匯報與口頭表達(dá)能力。3) 電氣與自動化系統(tǒng)的設(shè)計與實際應(yīng)用能力。要求完

3、成的工作量包括：1) 現(xiàn)場仿真演示效果。2) 學(xué)生結(jié)合課題進(jìn)行PPT演講與答辯。3) 學(xué)生上交課題要求的各類設(shè)計技術(shù)文檔。2設(shè)計思路電路基本理論:步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频膱?zhí)行機(jī)構(gòu)，通俗一點講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。可通過控制脈沖數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確的定位目的。通過對步進(jìn)電機(jī)的軟件設(shè)計和硬件設(shè)計包括步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用，根據(jù)原理和硬件的設(shè)計利用c語言編寫程序，經(jīng)過反復(fù)運(yùn)行和調(diào)試，實現(xiàn)單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，它的的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控

4、制信號由單片機(jī)產(chǎn)生。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，控制換相順序，即通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照一定順序分別控制各相的通斷。通過控制脈沖個數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，即給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，若按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的速度，即給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步，兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。同時通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的?；趩纹瑱C(jī)和proteus的步進(jìn)電機(jī)控制電路的基本組成如圖所示：根據(jù)設(shè)計要求，采

5、用的方案如下。硬件部分實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，包括控制開關(guān)模塊；電機(jī)轉(zhuǎn)動模塊。軟件部分實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制功能，主要設(shè)計思想通過控制臺控制程序的開關(guān)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。電源驅(qū)動89C51單片機(jī)，在89C51中裝載程序，通過開關(guān)按鍵來輸入信號，89C51向驅(qū)動電路提供信號使步進(jìn)電機(jī)動作。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 硬件電路的工作原理總電路圖通過對開關(guān)k1 k2 k3的開關(guān)，來實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停止，通過k4 k5來進(jìn)行加減速，并且有相應(yīng)的LED燈的顯示。3.2步進(jìn)電機(jī)模塊功能：單片機(jī)輸出的程序通過轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動器給步進(jìn)電機(jī)一個脈沖信號，使步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。3.3控制模塊功能：通過控制臺實現(xiàn)對單片機(jī)程

6、序的開與關(guān)3.4主要元件介紹：3.4.1步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。 步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式(HB)，步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉(zhuǎn)和制動的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，由于開環(huán)下就能實現(xiàn)精確定位的特點，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電脈沖

7、信號控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每個一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度（不距角）或前進(jìn)、倒退一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。步進(jìn)電機(jī)28BYJ48：步進(jìn)電機(jī)28BYJ48型四相八拍電機(jī)，電壓為DC5VDC12V。當(dāng)對步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信 號對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。 四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-

8、D-A。），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC- CD-DA-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）四相步進(jìn)電機(jī)有兩種運(yùn)行方式，一、四相四拍；二、四相八拍。要想搞清楚四相八拍運(yùn)行方式下步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速如果計算，需要先清楚兩個基本概念。1、拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.2、步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒

9、為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。這兩個概念清楚后，我們再來計算轉(zhuǎn)速，以基本步距角1.8°的步進(jìn)電機(jī)為例（現(xiàn)在市場上常規(guī)的二、四相混合式步進(jìn)電機(jī)基本步距角都是1.8°），四相八拍運(yùn)行方式下，每接收一個脈沖信號，轉(zhuǎn)過0.9°，如果每秒鐘接收400個脈沖，那么轉(zhuǎn)速為每秒400X0.9°=360°，相當(dāng)與每秒鐘轉(zhuǎn)一圈，每分鐘60轉(zhuǎn)。由于單片機(jī)接口信號不夠大需要通過ULN2003放大再連接到相應(yīng)的電機(jī)接口，如下： 橙 

10、 黃 粉藍(lán)十六制（P1口）  1 0 0 0 0x08 1 1 0 0 0x0c 0 1 0 0 0x04 0 1 1 0 0x06 0 0 1 0 0x02 0 0 1 1 0x03 0 0 0 1 0x01 

11、;1 0 0 1 0x09所以可以定義正轉(zhuǎn)勵磁序列為A->AB->B->BC->C->CD->D->DAuchar code FFW=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;/反轉(zhuǎn)勵磁序列為AD->D->CD->C->BC->B->BA->Auchar code REV=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;步進(jìn)電機(jī)28BYJ48的主要技術(shù)參數(shù)：3、四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律 目前，對步進(jìn)電

12、機(jī)的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計利用單片機(jī)進(jìn)行控制，主要是利用軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配。四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時的時序 與波形分別如圖1 a、b、c所示。本設(shè)計的電機(jī)工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的時序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進(jìn)電機(jī)跟不上頻率的變化后電機(jī)會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi)。3.4.2

13、89C51單片機(jī)Atmel公司生產(chǎn)的89C51單片機(jī)是一種低功耗/低電壓高性能的8位單片機(jī)，它采用CMOS和高密度非易失性存儲技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容；片內(nèi)的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編程器來編程，內(nèi)部除CPU外，還包括256字節(jié)RAM，4個8位并行I/O口，5個中斷源，2個中斷優(yōu)先級，2個16位可編程定時計數(shù)器，89C51單片機(jī)是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價格合理的單片機(jī)，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計需要。89C51單片機(jī)部分引腳功能介紹：XTAL2（18腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的一端；在89C51 片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻

14、率就是晶體固有頻率。若需采用外部時鐘電路時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。89C51/8031正常工作時，該引腳應(yīng)有脈沖信號輸出。XTAL1（19腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端；在片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸入端，在采用外部時鐘時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。RST/VPD（9腳）：RST：復(fù)位信號輸入端，高電平有效。當(dāng)此輸入端保持兩個機(jī)器周期的高電平時，就可以完成復(fù)位操作。RST/VPD（9腳）：VPD ：RST引腳的第二功能，備用電源輸入端。當(dāng)主電源Vcc 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，將+5V電源自動接入該引腳，為RAM提供備用電源，以保證RAM中的信息不丟失，使得復(fù)位后能繼續(xù)正常運(yùn)行。E

15、A/Vpp（31腳）：Vpp：對8751片內(nèi)EPROM固化編程時，編程電壓輸入端（12-21V）。P0口：漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O口，每位能驅(qū)動8個LS型TTL負(fù)載。P0口可作為一個數(shù)據(jù)輸入/輸出口；在CPU訪問片外存儲器時，P0口為分時復(fù)用的低8位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線。P1口：帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，每位能驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)載。P3口：帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，每位能驅(qū)動4個LS型TTL負(fù)載。P3口除作為一般I/O口外，每個引腳都有第二功能。4軟件編程4.1主流程圖開始If（k5=0）If（k2=0）If（k1=0）判斷按鍵減速按鍵加速停止反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)按鍵If（

16、k4=0）If（k3=0）4.2主要程序：#include <reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code FFW= 0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;uchar code REV= 0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;sbit K1 = P30; sbit K2 = P31; sbit K3 = P32; sbit K4 = P33; sbit K5 = P34; void DelayMS(uin

17、t ms) uchar i;while(ms-) for(i=0;i<120;i+);void SETP_MOTOR_FFW(uchar n) uchar i,j;int M=25;for(i=0;i<5*n;i+) for(j=0;j<8;j+) if(K3 = 0)break;P1 = FFWj;if(K4 = 0)P0=0xf6;DelayMS(20);elseif(K5 = 0)P0=0xee;DelayMS(100);elseDelayMS(50);if(K4 = 1&&K5 = 1)P0 = 0xfe;void SETP_MOTOR_REV(uch

18、ar n) uchar i,j;int M=25;for(i=0;i<5*n;i+) for(j=0;j<8;j+) if(K3 = 0)break;P1 = REVj;if(K4 = 0)P0=0xf5;DelayMS(20);elseif(K5 = 0)P0=0xed;DelayMS(100);elseDelayMS(50);if(K4 = 1&&K5 = 1)P0 = 0xfd;void main() uchar N = 50;while(1) if(K1 = 0)P0 = 0xfe;SETP_MOTOR_FFW(N);if(K3 = 0) break;els

19、e if(K2 = 0) P0 = 0xfd;SETP_MOTOR_REV(N);if(K3 = 0) break;else P0 = 0xfb;P1 = 0x03;4.3程序分塊介紹：4.3.1正反轉(zhuǎn)的控制字設(shè)定：uchar code FFW= 0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;uchar code REV= 0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;本列4組步進(jìn)電動機(jī)工作于8拍方式正轉(zhuǎn)勵磁序列為A->AB->B->BC->C->CD->D->DA反轉(zhuǎn)勵磁序列為AD-

20、>D->CD->C->BC->B->BA->A正轉(zhuǎn)：sbit K1 = P30;反轉(zhuǎn)：sbit K2 = P31;停止sbit K3 = P32;加速：sbit K4 = P33; 減速：sbit K5 = P34; 4.3.2延時程序：void DelayMS(uint ms) uchar i;while(ms-) for(i=0;i<120;i+);4.3.3正轉(zhuǎn)部分void SETP_MOTOR_FFW(uchar n) uchar i,j;int M=25;for(i=0;i<5*n;i+) for(j=0;j<8;j+) i

21、f(K3 = 0)break;P1 = FFWj;if(K4 = 0)/加速P0=0xf6;DelayMS(20);elseif(K5 = 0)/減速P0=0xee;DelayMS(100);elseDelayMS(50);if(K4 = 1&&K5 = 1)P0 = 0xfe;按照正轉(zhuǎn)勵磁序列A->AB->B->BC->C->CD->D->DA進(jìn)行通電，轉(zhuǎn)動n圈，在轉(zhuǎn)動過程中，按下加速按鈕，電機(jī)加速，對應(yīng)的LED燈會亮，按下減速，電機(jī)減速，對應(yīng)的LED燈會亮，如果按下停止按鈕，會立刻停止轉(zhuǎn)動，亮停止燈。4.3.4反轉(zhuǎn)部分：void S

22、ETP_MOTOR_REV(uchar n) uchar i,j;int M=25;for(i=0;i<5*n;i+) for(j=0;j<8;j+) if(K3 = 0)break;P1 = REVj;if(K4 = 0)P0=0xf5;DelayMS(20);elseif(K5 = 0)P0=0xed;DelayMS(100);elseDelayMS(50);if(K4 = 1&&K5 = 1)P0 = 0xfd;按照反轉(zhuǎn)勵磁序列為AD->D->CD->C->BC->B->BA->A進(jìn)行通電，轉(zhuǎn)動n圈，在轉(zhuǎn)動過程中，按下

23、加速按鈕，電機(jī)加速，對應(yīng)的LED燈會亮，按下減速，電機(jī)減速，對應(yīng)的LED燈會亮，如果按下停止按鈕，會立刻停止轉(zhuǎn)動，亮停止燈。4.3.5主程序：void main() uchar N = 50; /運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)while(1) if(K1 = 0) P0 = 0xfe; /LED1點亮，正轉(zhuǎn)指示燈SETP_MOTOR_FFW(N); /電動機(jī)正轉(zhuǎn) if(K3 = 0) break;else if(K2 = 0) P0 = 0xfd; /LED2點亮，反轉(zhuǎn)指示燈SETP_MOTOR_REV(N); /電動機(jī)反轉(zhuǎn)if(K3 = 0) break;else P0 = 0xfb; /LED3點亮，停止指示燈

24、P1 = 0x03;5 調(diào)試過程與結(jié)果5.1正轉(zhuǎn)結(jié)果顯示：5.1.1正轉(zhuǎn)加速：5.1.2正轉(zhuǎn)減速：5.2反轉(zhuǎn)結(jié)果顯示：5.2.1反轉(zhuǎn)加速：5.2.2反轉(zhuǎn)減速：5.3停止結(jié)果顯示;在仿真過程中要注意元件的選擇，還有仿真跟實物存在的差異，仿真的數(shù)據(jù)不一定就適合實物，所以要根據(jù)實物來進(jìn)行修改，通過不斷的調(diào)試才能符合要求，在連接電路時要看好引腳。6 總結(jié)與體會在做本次畢業(yè)設(shè)計的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計資料了。為了讓自己的設(shè)計更加完善，查閱這方面的設(shè)計資料是十分必要的，同時也是必不可少的。我們是在做單片機(jī)畢業(yè)設(shè)計，但我們不是藝術(shù)家，他們可以拋開實際盡情在幻想的世界里翱翔，而我們一切都要有據(jù)

25、可依，有理可尋，不切實際的構(gòu)想永遠(yuǎn)只能是構(gòu)想，永遠(yuǎn)無法升級為設(shè)計。     其次，在這次畢業(yè)設(shè)計中，我們運(yùn)用到了以前所學(xué)的專業(yè)課知識，如：CAD制圖、匯編語言、模擬和數(shù)字電路知識等。雖然過去從未獨立應(yīng)用過它們，但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次畢業(yè)設(shè)計的又一收獲。后，要做好一個畢業(yè)設(shè)計，就必須做到：在設(shè)計程序之前，對所用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解，知道該單片機(jī)內(nèi)有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的的軟件流程圖；在設(shè)計程序時，不能妄想一次就將整個程序設(shè)計好，反復(fù)修改、不斷改進(jìn)是程序設(shè)計的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，一個程序的完美與否不僅僅是實現(xiàn)功能，而應(yīng)該讓人一看就能明白你的思路，這樣也為資料的保存和交流提供了方便；在設(shè)計課程過程中遇到問題是很正常德，但我們應(yīng)該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題的畢業(yè)設(shè)計結(jié)束了，但是從中學(xué)到的知識會讓我受益終身。發(fā)現(xiàn)、提出、分析