微特電機課程設(shè)計步進電機正反轉(zhuǎn)

1、成績 電機控制課程設(shè)計報告書 題 目 步進電機正反轉(zhuǎn) 院 部 名 稱 專 業(yè) 班 級 組 長 姓 名 學(xué) 號 同 組 學(xué) 生 設(shè) 計 地 點 工科樓C 設(shè) 計 學(xué) 時 1周 指 導(dǎo) 教 師 周洪等 金陵科技學(xué)院教務(wù)處制目 錄1設(shè)計任務(wù)和要求12設(shè)計思路23系統(tǒng)硬件設(shè)計33.1 硬件電路的工作原理33.2步進電機模塊33.3控制模塊43.4主要元件介紹：44軟件編程95 調(diào)試過程與結(jié)果165.1正轉(zhuǎn)結(jié)果顯示：166 總結(jié)與體會187 參考資料208 附錄211設(shè)計任務(wù)和要求電機控制課程設(shè)計是考察學(xué)生利用所學(xué)過的電機控制專業(yè)知識，進行綜合的電機控制系統(tǒng)設(shè)計并最終完成實際系統(tǒng)連接，能夠使學(xué)生對電氣與

2、自動化的專業(yè)知識進行綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和團隊協(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、檢測技術(shù)、電氣控制、電機與拖動、微特電機及其驅(qū)動、計算機高級語言、計算機輔助設(shè)計、計算機辦公軟件等課程，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)、伺服電機等課程。2) 項目設(shè)計與運作能力，團隊協(xié)作能力，技術(shù)文檔撰寫能力，PPT匯報與口頭表達能力。3) 電氣與自動化系統(tǒng)的設(shè)計與實際應(yīng)用能力。要求完成的工作量包括：1) 制作實際成品，并

3、現(xiàn)場演示效果。2) 學(xué)生結(jié)合課題進行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。電路基本理論步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频膱?zhí)行機構(gòu)，通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度?？赏ㄟ^控制脈沖數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確的定位目的。通過對步進電機的軟件設(shè)計和硬件設(shè)計包括步進電機的結(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)運行和調(diào)試，實現(xiàn)單片機對步進電機的控制。步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構(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，控制信號由單片機產(chǎn)生。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到

4、一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(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，從而達到準(zhǔn)確定位的目的?？刂撇竭M電機的轉(zhuǎn)向，即給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，若按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)?？刂撇竭M電機的速度，即給步進電機發(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，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。2設(shè)計思路基于單片機和proteus的步進電機控制電路的基本組成如圖所示根據(jù)設(shè)計要求，采用的方案如下。硬件部分實現(xiàn)電機

5、轉(zhuǎn)動，包括控制開關(guān)模塊；電機轉(zhuǎn)動模塊。軟件部分實現(xiàn)對步進電機的控制功能，主要設(shè)計思想通過控制臺控制程序的開關(guān)來控制電機的轉(zhuǎn)動。電源驅(qū)動89C51單片機，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電機動作。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)對步進電機的正反轉(zhuǎn)和停止，并且有相應(yīng)的LED燈的顯示。3.2步進電機模塊功能：單片機輸出的程序通過轉(zhuǎn)換器和電機驅(qū)動器給步進電機一個脈沖信號，使步進電機實現(xiàn)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。3.3控制模塊功能：通過控制臺實現(xiàn)對單片機程序的開與關(guān)3.4主要元件介紹：3.4.1步進電機：步進電機

6、是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。 步進電機分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式(HB)，步進電機又稱為脈沖電機，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。步進電機的運轉(zhuǎn)是由電脈沖信號控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每個一個脈

7、沖，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度（不距角）或前進、倒退一步。步進電機旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進電機為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。步進電機28BYJ48：步進電機28BYJ48型四相八拍電機，電壓為DC5VDC12V。當(dāng)對步進電機施加一系列連續(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)步進電機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。 四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A。），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC- CD-D

8、A-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）四相步進電機有兩種運行方式，一、四相四拍；二、四相八拍。要想搞清楚四相八拍運行方式下步進電機的轉(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，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.2、步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為=360度/（50*4

9、）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為=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°的步進電機為例（現(xiàn)在市場上常規(guī)的二、四相混合式步進電機基本步距角都是1.8°），四相八拍運行方式下，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)。由于單片機接口信號不夠大需要通過ULN2003放大再連接到相應(yīng)的電機接口，如下： 橙  黃 粉藍十六制（P1口） 

10、 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 1 0 0 1 

11、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;步進電機28BYJ48的主要技術(shù)參數(shù)：3、四相步進電機的脈沖分配規(guī)律 目前，對步進電機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

12、配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計利用單片機進行控制，主要是利用軟件進行環(huán)形脈沖分配。四相步進電機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)計的電機工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進電機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，步進電機跟不上頻率的變化后電機會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進電機允許的范圍內(nèi)。3.4.2 89C51單片機Atmel公司生產(chǎn)的89C51單片機是一種

13、低功耗/低電壓高性能的8位單片機，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單片機是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計需要。89C51單片機部分引腳功能介紹：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

14、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)正常運行。EA/Vpp（31腳）：Vpp：對8751片內(nèi)EPROM固化

15、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主流程圖開始按鍵判斷按鍵If P3.0=0If P3.1=0If P3.2=0正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)停止LED1亮LED2亮LED3亮4.2主要程序：#include <

16、;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;void DelayMS(uint ms) uchar i;while(ms-) for(i=0;i<120;i+);void SETP_MOTOR_FFW(

17、uchar n) uchar i,j;for(i=0;i<5*n;i+) for(j=0;j<8;j+) if(K3 = 0)break;P1 = FFWj;DelayMS(25);void SETP_MOTOR_REV(uchar n) uchar i,j;for(i=0;i<5*n;i+) for(j=0;j<8;j+) if(K3 = 0)break;P1 = REVj;DelayMS(25);void main() uchar N = 1.5;while(1) if(K1 = 0) P0 = 0xfe;SETP_MOTOR_FFW(N);if(K3 = 0) b

18、reak;else 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組步進電動機工作于8拍方式正轉(zhuǎn)勵磁序列為A->AB->B->BC->C->CD->D->DA反轉(zhuǎn)

19、勵磁序列為AD->D->CD->C->BC->B->BA->A正轉(zhuǎn)：sbit K1 = P30;反轉(zhuǎn)：sbit K2 = P31;停止sbit K3 = P32;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;for(i=0;i<5*n;i+) for(j=0;j<8;j+) if(K3 = 0)break;P1 = FFWj;DelayMS(25)

20、;按照正轉(zhuǎn)勵磁序列A->AB->B->BC->C->CD->D->DA進行通電，轉(zhuǎn)動n圈，在轉(zhuǎn)動過程中，按下停止按鈕，會立刻停止轉(zhuǎn)動。4.3.4反轉(zhuǎn)部分：void SETP_MOTOR_REV(uchar n) uchar i,j;for(i=0;i<5*n;i+) for(j=0;j<8;j+) if(K3 = 0)break;P1 = REVj;DelayMS(25);按照反轉(zhuǎn)勵磁序列為AD->D->CD->C->BC->B->BA->A進行通電，轉(zhuǎn)動n圈，在轉(zhuǎn)動過程中，按下停止按鈕，會立刻停止

21、轉(zhuǎn)動。4.3.5主程序：void main() uchar N = 3; /運轉(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); /電動機反轉(zhuǎn)if(K3 = 0) break;else P0 = 0xfb; /LED3點亮，停止指示燈P1 = 0x03;5 調(diào)試過程與結(jié)果5.1正轉(zhuǎn)結(jié)果顯示：5.2反轉(zhuǎn)結(jié)果顯示：5.3停止結(jié)果顯示;在仿真過程中要注意元件

22、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)與體會在做本次課程設(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。我們是在做單片機課程設(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)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，在這次課程設(shè)計中，我們運用到了以前所學(xué)的專業(yè)課知識，如：CAD制圖、匯編語言、

23、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，這是我做這次課程設(shè)計的又一收獲。后，要做好一個課程設(shè)計，就必須做到：在設(shè)計程序之前，對所用單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解，知道該單片機內(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課程設(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、解決問題和實踐能力的提高都會受益于我在以后的學(xué)習(xí)、工作和生活中。設(shè)計過程，好比是我們?nèi)祟惓砷L的歷程，常有一些不如意，但畢竟這是第一次做，難免會遇