機電一體化課程設計說明書基于單片機的步進電機控制電路的設計

1、機電一體化課程設計說明書基于單片機的步進電機控制電路的設計 院（系） 成教院 專 業(yè) 機電一體化 班 級 09機電班 學生姓名 荊晶 指導老師 成 績 指導教師 簽發(fā) 年 月 日目 錄摘 要1緒論21.1引言21.2步進電機的發(fā)展趨勢21.3國內外研究概況21.4 步進電機的選型3第一章元器件42.1 光電耦合器42.2達林頓管42.3 步進電機42.4 單片機AT89C525第二章硬件電路設計63.1 單片機最小系統(tǒng)63.2 步進電機控制電路73.3 正反轉、停止控制電路8第四章 程序設計10總結14參考文獻15摘 要步進電機是一種將電脈沖信號的轉換為角位移的機電元件，與其它類型的電機相比具

2、有易于精確控制、無累積誤差等優(yōu)點，在眾多的領域應用廣泛。本設計采用AT89C52單片機對步進電機進行控制，通過IO口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片74LS06反相輸出，通過光電耦合器輸出的脈沖作為三相步進的各相得控制信號。為了獲得足夠大的的驅動功率，光電耦合器輸出的脈沖經(jīng)達林頓管進行放大。關鍵詞：步進電機、單片機、光電耦合、功率放大緒論1.1 引言 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅

3、動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。1.2 步進電機的發(fā)展趨勢步進電機在今后的發(fā)展，依賴于新型材料的應用、設計手段，以及與驅動技術的最佳匹配。隨著自動控制技術、計算機網(wǎng)絡通信技術在眾多的領域中的進一步發(fā)展以及數(shù)字化、智能化技術日益發(fā)展，步進電機將會在更深入廣泛的領域中

4、得以應用。最后，電力電子技術、微電子技術的發(fā)展，高性能永磁材料的應用及優(yōu)化設計技術對步進電機發(fā)展起到重要的作用。同時驅動技術改進的作用也不容忽視的，對步進電機的設計和發(fā)展產(chǎn)生了很多的影響，也提出了一系列研究的新課題和新方向。1.3國內外研究概況 近年來，隨著微電子技術、大功率電力電子器件及驅動技術的進步，步進電機在自動化領域的應用也越來越廣泛。我國的步進電機行業(yè)起步較早，并一度以反應式步進電機的生產(chǎn)與應用成為國際電機行業(yè)的一大特色，目前，仍有許多國內用戶使用反應式步進電機?；旌鲜讲竭M電機的特點是力矩大、運行平穩(wěn)、高頻矩頻特性好，在發(fā)達國家中，越來越廣泛的使用性能優(yōu)越的五相和三相混合式步進電機。

5、步進電機驅動技術的發(fā)展也十分迅速。我國步進電機的應用雖然起步較早，但其驅動技術的發(fā)展相對落后，成為制約步進電機應用與發(fā)展的主要因素。國內仍有不少用戶沿用已被國外淘汰的單電壓串電阻等落后的驅動方式，驅動器電路中使用分立元件居多，可靠性差，且各廠家的驅動技術規(guī)范、技術等級、生產(chǎn)工藝參差不齊。1.4 步進電機的選型圖1 步進電機的外形86BYG350F系列步進電機是由杭州日升公司推出的三相步進電機，其外形如圖1所示，電機的技術參數(shù)如表一所示。電機型號相數(shù)相電流相電阻相電感步距角保持轉矩轉動慣量重量AmH°N.mkg. kg86BYG350FA33.354.25120.6/1.22.01.3

6、22表一 電機的技術參數(shù)第一章 元器件2.1 光電耦合器光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等。在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉換。2.2 達林頓管達林頓管又稱復合管。它將二只三極管適當?shù)倪B接在一起，以組成一只等效的新的三極管。這等效于三極

7、管的放大倍數(shù)是二者之積。在電子學電路設計中，達林頓接法常用于功率放大器和穩(wěn)壓電源中。判斷極性如下：以兩個相同極性的三極管為例，前面為三極管集電極跟后面三極管集電極相接，前面為三極管射極跟后面三極管基極相接，前面三極管功率一般比后面三極管小，前面三極管基極為達林頓管基極，后面三極管射極為達林頓管射極，用法跟三極管一樣。達林頓管的性能特點：放大倍數(shù)大（可達數(shù)百、數(shù)千倍）；驅動能力強；功率大；開關速度快；可做成功率放大模塊；易于集成化。2.3 步進電機步進電機是數(shù)字控制電機，它是將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，電機就轉動一定角度。電機的總轉動角度是由輸入脈沖的個數(shù)決定的，而電機的轉速是由脈

8、沖信號的頻率決定，因此非常適合于單片機的控制。步進電機的一些基本參數(shù) 電機固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86byg250a型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為電機固有步距角，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。 步進電機的相數(shù)： 是指電機內部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三

9、相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。保持轉矩： 是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。2.4 單片機AT89C52AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8

10、位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。 AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合

11、在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。第二章 硬件電路設計以AT89C52單片機、74LS06、光電耦合器、達林頓管為主要控制部件設計步進電機控制系統(tǒng)，該設計的硬件電路主要包括：單片機最小系統(tǒng)、步進電機控制電路、正反轉控制電路。系統(tǒng)框圖如圖2所示。正反轉、停止單片機反相器光電耦合功率放大步進電機圖2 硬件電路原理方框圖3.1 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)是由復位電路和時鐘電路組成，其中復位操作有兩種基本形式：一種是上電復位，另外一種是上電與按鍵復位都有效的復位，本系統(tǒng)是屬于后者，如圖3所示。圖3 單片機最小系統(tǒng)3.2 步進電機控制電路步進電機是數(shù)字控制電機，步進電機是

12、否轉動是由控制繞組中的輸入脈沖的有無來控制的，每一步轉過的角度和方向是由三相控制繞組中的通電方式?jīng)Q定的，也就是說步進電機的控制是要求單片機軟件產(chǎn)生按規(guī)律變化的時序脈沖，然后通過借口和驅動放大電路來驅動步進電機。單片機的P2.0控制A相，P2.1控制B相，P2.2控制C相。當P2.0輸出高電平，經(jīng)74LS06反相為低電平，達林頓管復合截止，A相截止。當P2.0輸出低電平，經(jīng)74LS06反相為高電平，達林頓管復合導通，A相導通。因此P2.0用于控制A相是否導通，單片機輸出1，A相截止，輸出0，A相導通。同理P2.1用于控制B相，P2.2用于控制C相。本電路采用光電耦合器有效地提高了抗干擾能，電路如

13、圖4所示。如圖4步進電機控制電路3.3 正反轉、停止控制電路該電路采用獨立式鍵盤，就是每個按鈕單獨占一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵不會影響其它的I/O口線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個鍵被按下。獨立式鍵盤的優(yōu)點是電路配置靈活，軟件結構簡單，并且能同時檢測到多個鍵被按下的情況。但是每個按鍵需占用一個I/O口，在按鍵數(shù)量多時，I/O的浪費大，電路結構復雜。本電路由上拉電阻和按鍵組成，對每一個鍵來講，當鍵沒有被按下時單片機相應的引腳上的電平為高電平，當鍵被按下時，單片機相應的引腳的電平為低電平。其中，S1是啟動/停止安鍵，S2是正轉按鍵，S3是反轉按鍵，如圖5所

14、示。圖5正反轉、停止控制電路第四章 程序設計編寫三相六拍步進電機的通電方式的控制程序。步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，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，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。在三相六拍通電方式下，若按照A相 A相B相 B相 B相C相 C相 C相A相的順序通電，則步進電機正轉；若按照A相 A相C相 C相 B相C相 B相 B相A相的順序通電，則步進電機反轉。節(jié)拍通電相控制

15、模式正轉反轉二進制十六進制16A00000001H01H25AB00000011H03H34B00000010H02H43BC00000110H06H52C00000100H04H61CA00000101H05H表二 三相六拍控制模式由表二知，P2.0控制A相是否導通，輸出1，A相通，輸出0，A相截止。同理P2.1用于控制B相，P2.2用于控制C相。正轉節(jié)拍1是A相導通，B、C相截止，所以P2.0輸出1，P2.1、P2.2輸出0，因此P2口輸出值為01H（十六進制）。正轉節(jié)拍2是A、B相導通，C相截止，所以P2.0、P2.1輸出1， P2.2輸出0，因此P2口輸出值為03H。在程序設計中，只需

16、將正轉或反轉節(jié)拍控制值存放于數(shù)據(jù)中，然后按順序從數(shù)組中讀取并通過P2口輸出，即可以控制電機的正轉或反轉。控制流程圖，如圖6所示。初始化開始按鈕是否被按下？正轉按鈕是否被按下？電機正轉反轉按鈕是否被按下？電機反轉否停止按鈕是否被按下？電機反轉是是否是電機停止否圖6 程序流程圖主程序如下：#include<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code roundz=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05;/電機正轉控制數(shù)值uchar code roundf=0x01,0x

17、05,0x04,0x06,0x02,0x03;/電機反轉控制數(shù)值sbit s1=P20;/停止按鈕sbit s2=P21;/正轉按鈕sbit s3=P22;/反轉按鈕void delay(uint z)/延時函數(shù)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void rotatez(uint speed,uint step)/正轉控制函數(shù)uchar i;while(step-) /是否達到指定的步數(shù)P2=roundzi;/從P2口送出節(jié)拍控制值i+;if(i>5)i=0;delay(speed);void rotatef(uint spe

18、ed,uint step)/反轉控制函數(shù)uchar i;while(step-)/是否達到指定的步數(shù)P2=roundfi;/從P2口送出節(jié)拍控制值i+;if(i>5)i=0;delay(speed);void main()uchar t1=0,t2=0,t3=0;if(s1=0)/開始delay(5);/延時消抖if(s1=0)t1=1;while(t1)if(s1=0)/停止delay(5);if(s1=0)t1=0;if(s2=0)/正轉delay(5);if(s2=0)t2=1;t3=0;if(s3=0)/反轉delay(5);if(s3=0)t2=0;t3=1; while(t2)/執(zhí)行正轉rotatez(100,1000);while(t3)/執(zhí)行反轉rotatef(100,1000);總結在硬件電路設計過程中，功率放大時整個系統(tǒng)設計中最為重要的部分。步進電機在運行中會產(chǎn)生反向電動勢，因此就需要驅動系統(tǒng)盡量克服電機的反電