步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計33頁

1、電氣及自動化課程設(shè)計報告題 目 步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計 課 程 電機與拖動 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 年 級： 2014級 專 業(yè)： 自動化 班 級： 2班 指導(dǎo)教師： 機械與電氣工程學(xué)院制2017年3月目錄1設(shè)計的任務(wù)與要求11.1 課程設(shè)計的任務(wù)11.2 課程設(shè)計的要求12 步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計方案制定12.1 步進電機工作的原理12.2 單片機的原理33 仿真軟件介紹43.1 Proteus軟件介紹43.2 Keil-uvision4軟件介紹54 步進電機控制系統(tǒng)電路仿真設(shè)計54.1驅(qū)動部分54.2時鐘部分54.3 復(fù)位部分64.4狀態(tài)指示部分64.5按鍵部分74.6系統(tǒng)程序框圖74.7 系

2、統(tǒng)整圖84.8 元器件清單95 步進電機控制系統(tǒng)電路仿真設(shè)計方案的仿真實現(xiàn)96.總結(jié)167 參考文獻16附錄：17步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計1設(shè)計的任務(wù)與要求1.1 課程設(shè)計的任務(wù)步進電機是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動機，它突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速啟停，正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非常可行，因此在打印機等辦公自動化設(shè)備以及各種控制設(shè)備等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求與日俱增，研制步進電機驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。1.2 課程設(shè)計的要求本

3、次實驗是基于單片機的控制系統(tǒng)設(shè)計，用匯編語言和C語言編寫出電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、停止程序，通過單片機、電機的驅(qū)動芯片ULN2001以及相應(yīng)的按鍵實現(xiàn)以上功能，并且步進電機的工作狀態(tài)要用LCD液晶顯示器顯示出來。本次課程設(shè)計介紹步進電機以及單片機工作原理、該系統(tǒng)的硬件電路、程序組成，同時對軟、硬件進行了調(diào)試。該設(shè)計具有思路明確、可靠性高、穩(wěn)定性強等特點，通過調(diào)試實現(xiàn)了上述功能。2 步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計方案制定2.1 步進電機工作的原理步進電機的工作原理就是步進轉(zhuǎn)動，其功能是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或者是直線位移，就是給一個脈沖信號，電動機轉(zhuǎn)動一個角度或是前進一步。步進電機的角位移量與脈沖數(shù)

4、成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率（f）成正比，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個歩距角。步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備步進電機驅(qū)動器。典型的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅(qū)動器和步進電機本體三部分組成，步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號。每發(fā)一個脈沖，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個歩距角，即步進一步。步進電機轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低?？刂破鞯姆较蛐盘枦Q定步進電機的順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)。通常，步進電機驅(qū)動器由邏輯控

5、制電路、功率驅(qū)動電路、保護電路和電源組成。步進電機驅(qū)動器一旦接收到來自控制器方向的信號和步進脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機通電方式產(chǎn)生步進電機各相勵磁繞組導(dǎo)通或截止信號?？刂齐娐份敵龅男盘柟β屎艿停荒芴峁┎竭M電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅(qū)動器的功率驅(qū)動部分。功率驅(qū)動電路向步進電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。保護電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅(qū)動器和電機的運行。如圖1所示的步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四項反應(yīng)式步進電機工作原理圖。圖

6、1 四項步進電機步進示意圖開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。以此類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子就會沿著A、B、C、D反向轉(zhuǎn)動。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所示。a. 單四拍 b.雙四拍 c.八拍圖2 步進電機

7、工作時序波形圖2.2 單片機的原理（1）單片機原理概述單片機是把微型計算機主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計算機。圖3中表示單片機的典型結(jié)構(gòu)。由于單片機的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號傳送距離，優(yōu)化了系統(tǒng)配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運行速度，同時它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。圖3 典型單片機結(jié)構(gòu)（2）AT89C51簡介 AT89C51含E²PROM電可編閃速存儲器。有兩級或三級程序存儲器保密系統(tǒng)，防止E²PROM中的程序被非法復(fù)制。不可用紫外線擦除，調(diào)高了編程效率。程序存儲器E²PROM容量可達2

8、0K字節(jié)。AT89C51的主要參數(shù)如表1所示。表1 AT89C51的主要參數(shù)表型號定時器I/O串行口中斷速度其他特點89C512321624低電壓 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，用工業(yè)標(biāo)準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。其引腳如圖4所示。圖4 單片機的引腳排列3 仿真軟件介紹3.1 Proteus軟件介紹 Prote

9、us軟件是英國Labcebter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。 Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和

10、DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。3.2 Keil-uvision4軟件介紹 Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（Vision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。 C

11、51 工具包的整體結(jié)構(gòu)，其中 Vision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿 真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源 文件。然后分別由 C51 及 A51 編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)文件 可由 LIB51

12、 創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng) L51 連接定位生成絕 對目標(biāo)文件(.ABS)。ABS 文件由 OH51 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準的 Hex 文件，以供調(diào)試 器 dScope51 或 tScope51 使用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對 目標(biāo)板進行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中。4 步進電機控制系統(tǒng)電路仿真設(shè)計4.1驅(qū)動部分 如圖5所示，此電路是步進電機的驅(qū)動部分，選用的是ULN2001芯片來驅(qū)動的，UL

13、N2001系列是一款高耐壓，大電流達林頓管驅(qū)動器，包含7個NPN達林頓管。圖5 驅(qū)動部分 4.2時鐘部分時鐘電路它控制計算機的工作節(jié)奏，可以通過提高時鐘頻率來提高CPU的速度，本次設(shè)計采用的晶振為12MHz。如圖6所示。圖6 時鐘部分4.3 復(fù)位部分根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電位復(fù)位和上電或者開關(guān)復(fù)位。本次設(shè)計使用上電復(fù)位。如圖7所示。 圖7 復(fù)位部分 基本電路的最后一個部分是存儲器的設(shè)置，如果31引腳接電源，則采用內(nèi)部存儲器，如果31腳接地，則采用外部存儲器。將時鐘電路、復(fù)位電路連接并設(shè)置好存儲器，就構(gòu)成了最小系統(tǒng)。這是做任何單片機設(shè)計都必須有的部分。4.4狀態(tài)指示部分狀

14、態(tài)指示用P0口控制LCD的顯示，STA顯示的是轉(zhuǎn)動的速度，RUN顯示的是機器是否運轉(zhuǎn)，用它來表示步進電機所處的狀態(tài)。如圖8所示。圖8 狀態(tài)指示部分4.5按鍵部分 本次設(shè)計選用的是單片機的P2口來控制信號的輸入，所以把按鍵開關(guān)和P2口連接起來，當(dāng)按下開關(guān)KEY1時，相當(dāng)于給P2.0口一個低電平，開始轉(zhuǎn)動；當(dāng)按下開關(guān)KEY2時，相當(dāng)于給P2.1口一個低電平，步進電機反轉(zhuǎn)，相反則正轉(zhuǎn)；當(dāng)按下開關(guān)KEY3時，相當(dāng)于給P2.2口一個低電平，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。如圖9所示。圖9 按鍵部分4.6系統(tǒng)程序框圖 系統(tǒng)分為電機正轉(zhuǎn)、電機反轉(zhuǎn)、開始與轉(zhuǎn)速的幾部分組成，其主程序框圖如圖10所示。圖10 系統(tǒng)程序圖4.7 系統(tǒng)整

15、圖 系統(tǒng)整圖如圖11所示，本系統(tǒng)采用外部中斷方式，P2口為信號的輸入部分，P0口為發(fā)光LCD顯示部分，P1口作為電機的驅(qū)動部分。圖11 系統(tǒng)整圖4.8 元器件清單 根據(jù)以上原理圖，本次設(shè)計所需要的一些元器件如下表：表2 元器件列表序號標(biāo)號器件名稱數(shù)值1C1、C2電容30PF、30PF2R1、R2、R3、R4電阻1K、10K、10K、10K3X1晶振12MHz4C3電解電容30PF5LCD1液晶顯示屏6RP1排阻7按鈕8步進電機5 步進電機控制系統(tǒng)電路仿真設(shè)計方案的仿真實現(xiàn) （1）速度1正轉(zhuǎn)。運行程序，閉合開始按鈕，斷開正/反轉(zhuǎn)按鈕，速度按鈕為速度1。LED1液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)如下：STA：Z

16、SPD：1UN RUN：ON 步進電機顯示轉(zhuǎn)速為+127。如圖12所示。圖12 速度1正轉(zhuǎn) （2）速度1反轉(zhuǎn)。運行程序，閉合開始按鈕，閉合正/反轉(zhuǎn)按鈕，速度按鈕為速度1。LED1液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)如下：STA：F SPD：1UN RUN：ON 步進電機顯示轉(zhuǎn)速149。如圖13所示。圖13 速度1反轉(zhuǎn) （3）速度1正轉(zhuǎn)停止。運行程序，斷開開始按鈕，斷開正/反轉(zhuǎn)按鈕，速度按鈕為速度1。LED1液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)如下：STA：Z SPD：1UN RUN：OFF 步進電機顯示轉(zhuǎn)速+138。如圖14所示。圖14 速度1正轉(zhuǎn)停止 （4）速度1反轉(zhuǎn)停止。運行程序，斷開開始按鈕，閉合正/反轉(zhuǎn)按鈕，速度按鈕為速

17、度1。LED1液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)如下：STA：F SPD：1UN RUN：OFF 步進電機顯示轉(zhuǎn)速117。如圖15所示。圖15 速度1反轉(zhuǎn)停止 （5）速度2正轉(zhuǎn)。運行程序，閉合開始按鈕，斷開正/反轉(zhuǎn)按鈕，速度按鈕為速度2。LED1液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)如下：STA：Z SPD：2UN RUN：ON 步進電機顯示轉(zhuǎn)速為+205。如圖16所示。圖16 速度2正轉(zhuǎn) （6）速度2反轉(zhuǎn)。運行程序，閉合開始按鈕，閉合正/反轉(zhuǎn)按鈕，速度按鈕為速度2。LED1液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)如下：STA：F SPD：2UN RUN：ON 步進電機顯示轉(zhuǎn)速為223。如圖17所示。圖17 速度2反轉(zhuǎn) （7）速度2正轉(zhuǎn)停止。運行程序

18、，斷開開始按鈕，斷開正/反轉(zhuǎn)按鈕，速度按鈕為速度1。LED1液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)如下：STA：Z SPD：2UN RUN：OFF 步進電機顯示轉(zhuǎn)速為+221。如圖18所示。圖18 速度2正轉(zhuǎn)停止（8）速度2反轉(zhuǎn)停止。運行程序，斷開開始按鈕，閉合正/反轉(zhuǎn)按鈕，速度按鈕為速度2。LED1液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)如下：STA：F SPD：2UN RUN：OFF 步進電機顯示轉(zhuǎn)速為241。如圖19所示。圖19 速度2反轉(zhuǎn)停止 （9）速度3正轉(zhuǎn)。運行程序，閉合開始按鈕，斷開正/反轉(zhuǎn)按鈕，速度按鈕為速度3。LED1液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)如下：STA：Z SPD：3UN RUN：ON 步進電機顯示轉(zhuǎn)速為+307。如圖2

19、0所示。圖20 速度3正轉(zhuǎn) （10）速度3反轉(zhuǎn)。運行程序，閉合開始按鈕，閉合正/反轉(zhuǎn)按鈕，速度按鈕為速度3。LED1液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)如下：STA：F SPD：3UN RUN：ON 步進電機顯示轉(zhuǎn)速為332。如圖21所示。圖21 速度3反轉(zhuǎn) （11）速度3正轉(zhuǎn)停止。運行程序，斷開開始按鈕，斷開正/反轉(zhuǎn)按鈕，速度按鈕為速度3。LED1液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)如下：STA：Z SPD：3UN RUN：OFF 步進電機顯示轉(zhuǎn)速為+315。如圖22所示。圖22 速度3正轉(zhuǎn)停止 （12）速度3反轉(zhuǎn)停止。運行程序，斷開開始按鈕，閉合正/反轉(zhuǎn)按鈕，速度按鈕為速度3。LED1液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)如下：STA：F SP

20、D：3UN RUN：OFF 步進電機顯示轉(zhuǎn)速為346。如圖23所示。圖23 速度3反轉(zhuǎn)停6.總結(jié) 本次步進電機控制系統(tǒng)課程設(shè)計采用單片機為控制核心，利用其強大的功能，把按鍵電路和LCD顯示電路，電機驅(qū)動電路有機的結(jié)合起來，組成一個操作方便，交互性強的簡單系統(tǒng)。通過系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。完成了整個硬件設(shè)計和軟件編程，能通過按鍵電路控制步進電機的轉(zhuǎn)速控制，能實現(xiàn)啟動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、速度控制；通過編程實現(xiàn)了通過單片機能輸出四相八拍的脈沖控制序列。驅(qū)動電路能提供12V，0.38A的驅(qū)動信號；整個電機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動方向等都能通過LCD管顯示出來。在本設(shè)計中作為電機正常工作比較重要的電機驅(qū)動模塊，本

21、設(shè)計中采用驅(qū)動芯片ULN2001來實現(xiàn)的，其特點是成本低，可靠性高，出現(xiàn)問題容易維護，實現(xiàn)相對容易等特點。在電機工作模式上本設(shè)計實現(xiàn)了四相八拍的脈沖控制方式。7 參考文獻1張友德.單片機微型機原理、應(yīng)用與實驗M .上海：復(fù)旦大學(xué)出版社 ，2005年：85-92.2李夙.異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制M. 北京：機械工業(yè)出版社，1998年：56-78.3王鴻鈺.步進電機控制入門M.上海：同濟大學(xué)出版社 ，1990年：88-94.4王秀和.永磁電機M.北京：中國電力出版社，2007：119-136.5房玉明，杭柏林.基于單片機的步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)M. 北京：電子工業(yè)出版社，2010年:156-161.6吳

22、玉香，李艷，劉華，毛宗源.電機及拖動. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013年：117-125.附錄：C程序：#include"reg51.h"#include"intrins.h"#include"absacc.h"#define busy 0x80#define uchar unsigned char#define unit unsigned intsbit RS=P23;sbit RW=P24;sbit E=P25;sbit KEY1=P20;sbit KEY2=P21;sbit KEY3=P22;uchar code tab8=0x

23、02,0x06,0x04,0x0C,0x08,0x09,0x01,0x03;uchar temp;void delay(uchar k)unit i,j;for(i=0;i<k;i+)for(j=0;j<60;j+);void test_1602busy()P0=0xFF;E=1;RS=0;RW=1;_nop_();_nop_();while(P0&busy)E=0;_nop_();E=1;_nop_();E=0;void write_1602Command(uchar co)test_1602busy();RS=0;RW=0;E=0;_nop_();P0=co;_nop_

24、();E=1;_nop_();E=0;void write_1602Data(uchar Data)test_1602busy();P0=Data;RS=1;RW=0;E=1;_nop_();E=0;void init_1602(void)write_1602Command(0x38);delay(5);write_1602Command(0x01);delay(5);write_1602Command(0x06);delay(5);write_1602Command(0x0F);delay(5);write_1602Command(0x0C);void DisplayOneChar(ucha

25、r X, uchar Y, uchar DData) Y&=1; X&=15; if(Y)X|=0x40; X|=0x80; write_1602Command(X); write_1602Data(DData); void display_1602(uchar *DData,X,Y) uchar ListLength=0; Y&=0x01; X&=0x0F; while(X<16) DisplayOneChar(X,Y,DDataListLength) ; ListLength+; X+; void main()uchar i=0;uchar delay_v