步進(jìn)電機(jī)論文

1、CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY設(shè)計(jì)題目： 步進(jìn)電機(jī)控制器 學(xué)生姓名： 李毅航 劉權(quán)兵 徐重瑤 張國(guó)為 學(xué)院名稱(chēng)： 電氣與信息工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)： 電子信息工程 班級(jí)名稱(chēng)： 電子 0841 學(xué) 號(hào)： 22 24 34 37 完成時(shí)間： 2011年7月6日 2011 年 7 月 6 日小組成員：電子0841班 22號(hào) 李毅航 （程序源代碼）電子0841班 24號(hào) 劉權(quán)兵 （Proteus電路設(shè)計(jì)）電子0841班 34號(hào) 徐重瑤 （論文）電子0841班 37號(hào) 張國(guó)為 （Protel原理圖和PCB圖）步進(jìn)電機(jī)控制器李毅航、劉權(quán)兵、徐重瑤、張國(guó)為 （電子0841班

2、22號(hào)、24號(hào)、34號(hào)、37號(hào)）摘 要： 步進(jìn)電機(jī)是一種以脈沖控制的轉(zhuǎn)動(dòng)器件，由于是以脈沖驅(qū)動(dòng)，很適合心數(shù)字或微型計(jì)算機(jī)來(lái)控制，所以我們又把它當(dāng)成是一種數(shù)字器件。本設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用51單片機(jī)控制4相步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，由單片產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速向某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并用LCD液晶顯示器顯示其實(shí)時(shí)工作狀態(tài)關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；步進(jìn)電機(jī)；脈沖；LCD液晶顯示器引言步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周

3、期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，最常見(jiàn)的是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字控制是步進(jìn)電機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)， 用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制的最常用手段。1. 步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)按照它們的結(jié)構(gòu)和工作原理可以劃分為磁阻式(也稱(chēng)反應(yīng)式或變磁阻式)電機(jī)、混合式電機(jī)、永磁式電機(jī)和特種電機(jī)等4種主要型式，下面主要以四相磁阻式步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的工作原理。圖1是一個(gè)四相磁阻式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，該電機(jī)定子上有8個(gè)凸齒，相距180度的兩個(gè)凸齒構(gòu)成一相，每一相上的線(xiàn)圈反相連接，這樣8個(gè)齒就構(gòu)成四相，AA1,B

4、B1,CC1,DD1，因此稱(chēng)為四相步進(jìn)電機(jī)。 圖1四相磁阻式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖四相步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)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(shí)序與波形分別如圖2.a、b、c所示： a b c圖2 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 2. 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的功能是實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于51單片機(jī)控制的4相步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器收到驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)后，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)按照設(shè)定的方

5、向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，將電脈沖轉(zhuǎn)化成角位移。電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率來(lái)控制決定，可以通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 系統(tǒng)框圖如圖3所示:時(shí) 鐘脈 沖單片機(jī)AT98C51電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步 進(jìn)電 機(jī)128*64 LCD驅(qū)動(dòng)與顯示鍵 盤(pán) 圖3系統(tǒng)框圖驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是實(shí)現(xiàn)功率放大。一般脈沖分配器輸出的驅(qū)動(dòng)能力是有限的，它不可能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，而要經(jīng)過(guò)一級(jí)功率放大。3. 硬件電路設(shè)計(jì)在單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中，輸入由單片機(jī)接口電路構(gòu)成的5個(gè)按鍵完成，單片機(jī)根據(jù)輸人的鍵值控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、停止和加減速的操作信號(hào)，并在LCD顯示器中顯示出其工作狀態(tài)，再由驅(qū)動(dòng)電路輸出脈沖控制步

6、進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。如圖4所示:圖4 硬件電路圖像直流電機(jī)一樣，步進(jìn)電機(jī)也需要驅(qū)動(dòng)電路才能被單片機(jī)的I/O口控制，這是因?yàn)閷?duì)于電機(jī)這類(lèi)功率器件，普通單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)能力不夠。為了讓步進(jìn)電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，還要有一套驅(qū)動(dòng)電路才能讓它有足夠的能量。下面圖5是一個(gè)12V的4相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路圖:圖5 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路在這個(gè)設(shè)計(jì)中，我用到了一個(gè)128*64的LCD液晶顯示器來(lái)顯示步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。下面圖6為L(zhǎng)CD器件圖，表1為L(zhǎng)CD引腳功能: 表1 LCD顯示器功能表引腳號(hào)引腳名稱(chēng)功能說(shuō)明1H: 選擇芯片IC1（右半屏）信號(hào)2H: 選擇芯片IC2（左半屏）信號(hào)3GND模塊的電源地 4VCC模塊的

7、電源正端 5V0LCD驅(qū)動(dòng)電壓輸入端 6RSH/L 并行的指令/數(shù)據(jù)選擇信號(hào) 7R/WH/L 并行的讀寫(xiě)選擇信號(hào) 8EH/L 并行的使能信號(hào) 9DB0數(shù)據(jù)0 10DB1數(shù)據(jù)1 11DB2數(shù)據(jù)212DB3數(shù)據(jù)313DB4數(shù)據(jù)414DB5數(shù)據(jù)5 15DB6數(shù)據(jù)6 16DB7數(shù)據(jù)717H/L 復(fù)位 低電平有效 18-Vout電源 圖6 LCD器件圖設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的Protel的原理圖和PCD電路圖如下圖7、圖8圖7 Protel原理圖圖8 PCB電路圖4 軟件設(shè)計(jì)4.1 流程圖 軟件程序構(gòu)成包括主程序和子程序兩部分。主程序控制各個(gè)硬件電路的執(zhí)行過(guò)程順序而子程序主要是一些功能性程序，如定時(shí)器服務(wù)子程序、

8、鍵消延時(shí)子程序以及鍵掃描程序。開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，先初始化各引腳(設(shè)計(jì)用的是P2口引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片及步進(jìn)電機(jī)的控制，P1口用于鍵盤(pán)控制)。然后開(kāi)始執(zhí)行主程序，完成設(shè)置定時(shí)器選擇及工作模式選擇，再設(shè)置激勵(lì)方式、轉(zhuǎn)向軌跡、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向。爾后再調(diào)用鍵盤(pán)掃描函數(shù)，根據(jù)不同的按鍵信號(hào)執(zhí)行不同的控制功能。流程圖如圖7、圖8所示:圖8 中斷服務(wù)程序流程圖圖7 主程序流程圖 4.2 軟件編程PHASE EQU 11H;驅(qū)動(dòng)方式TIMES EQU 10LCDPAGE EQU 0B8HLCDLINE EQU 040HPAG EQU R0COL EQU R1E BIT P3.5RW BIT P3.4RS BIT P3.2

9、L BIT P3.1R BIT P3.0BUSY BIT P2.7 ORG 0000HAJMP STARTORG 0013HLJMP KEYORG 0100H;-主程序-;START: MOV P2,#0FFH ;顯示 LCALL INILCDLCALL CLEARMOV PAG,#00HMOV COL,#10H MOV DPTR,#CHANG LCALL DISPLAYMOV PAG,#00HMOV COL,#20HLCALL DISPLAYMOV PAG,#00HMOV COL,#30HLCALL DISPLAYMOV PAG,#00HMOV COL,#40HLCALL DISPLAYMO

10、V PAG,#00HMOV COL,#50HLCALL DISPLAYMOV PAG,#00HMOV COL,#60HLCALL DISPLAYMOV PAG,#06HMOV COL,#00HMOV DPTR,#DIANLCALL DISPLAYMOV PAG,#06HMOV COL,#10HLCALL DISPLAYMOV PAG,#06HMOV COL,#20HLCALL DISPLAYMOV PAG,#06HMOV COL,#30HLCALL DISPLAY MOV IE,#10000100BSETB IT1MOV SP,#070HSTR: JBC B.0,RL_11JBC B.2,RR

11、_11MOV PAG,#02HMOV COL,#20HMOV DPTR,#R_0LCALL DISPLAYMOV PAG,#02HMOV COL,#30HLCALL DISPLAY MOV PAG,#02HMOV COL,#40HLCALL DISPLAYMOV PAG,#02HMOV COL,#50HLCALL DISPLAYMOV R5,#30LCALL DELAYMOV PAG,#02HMOV COL,#20HMOV DPTR,#KONGLCALL DISPLAYMOV PAG,#02HMOV COL,#30HMOV DPTR,#KONGLCALL DISPLAY MOV PAG,#02

12、HMOV COL,#40HMOV DPTR,#KONGLCALL DISPLAYMOV PAG,#02HMOV COL,#50HMOV DPTR,#KONGLCALL DISPLAY MOV R5,#30LCALL DELAYSJMP STRRL_11: LJMP RL_1RR_11: LJMP RR_1;-按鍵子程序-;KEY: ;定時(shí)器按鍵掃描 PUSH ACCPUSH PSWMOV R2,#200DJNZ R2,$ ;防抖延時(shí)MOV A,P1JNB ACC.0,KEY_1 JNB ACC.1,KEY_2 JNB ACC.2,KEY_3 JNB ACC.3,KEY_4 JNB ACC.4,

13、KEY_5 KEY_1:;正轉(zhuǎn)按鍵 MOV B,#00000001BJMP RET_0KEY_2:;停止按鍵 MOV B,#00000010BJMP RET_0KEY_3:;反轉(zhuǎn)按鍵 MOV B,#00000100BJMP RET_0KEY_4:;加速按鍵 MOV B,#00001000BJMP RET_0KEY_5:;減速按鍵 MOV B,#00010000BRET_0: POP PSWPOP ACCRETIRL_1: ;左轉(zhuǎn) MOV PAG,#02H MOV COL,#30H MOV DPTR,#KONGLCALL DISPLAYMOV PAG,#02H MOV COL,#40H MOV

14、DPTR,#KONGLCALL DISPLAY MOV PAG,#02HMOVCOL,#18HMOV DPTR,#ZHENGLCALL DISPLAY MOV PAG,#02HMOVCOL,#28HMOV DPTR,#ZHUANLCALL DISPLAYMOV PAG,#02HMOV COL,#48HMOV DPTR,#ZHENGLCALL DISPLAYMOV PAG,#02HMOV COL,#58HMOV DPTR,#CHANG_0LCALL DISPLAY MOV A,#PHASERL1:MOV R5,#TIMESRL2: MOV P0,A LCALL DELAYRL AJBC B.0,

15、RL_1JBC B.1,STOPJBC B.2,RR_13JB B.3,ACCEJB B.4,DECEJMP RL1ACCE:;左轉(zhuǎn)高速 MOV PAG,#02H MOV COL,#48H MOV DPTR,#GAO LCALL DISPLAY MOV PAG,#02H MOV COL,#58H MOV DPTR,#SULCALL DISPLAYMOV R5,#5JMP RL2DECE: ;左轉(zhuǎn)低速 MOV PAG,#02H MOV COL,#48H MOV DPTR,#DI LCALL DISPLAY MOV PAG,#02H MOV COL,#58H MOV DPTR,#SULCALL D

16、ISPLAY MOV R5,#17JMP RL2RR_13: LJMP RR_1STOP: ;停止 MOV PAG,#02HMOV COL,#18HMOV DPTR,#KONGLCALL DISPLAYMOV PAG,#02HMOV COL,#58HMOV DPTR,#KONGLCALL DISPLAY STP: JBC B.0,RL_13 JBC B.2,RR_1MOV PAG,#02HMOV COL,#28HMOV DPTR,#TINGLCALL DISPLAYMOV PAG,#02HMOV COL,#48HMOV DPTR,#ZHILCALL DISPLAYMOV R5,#30 LCAL

17、L DELAYJBC B.0,RL_13 JBC B.2,RR_1MOV PAG,#02HMOV COL,#28HMOV DPTR,#KONGLCALL DISPLAYMOV PAG,#02HMOV COL,#48HMOV DPTR,#KONGLCALL DISPLAYMOV R5,#30 LCALL DELAY SJMP STPRL_13: LJMP RL_1RR_1: ;右轉(zhuǎn) MOV PAG,#02H MOV COL,#30H MOV DPTR,#KONGLCALL DISPLAYMOV PAG,#02H MOV COL,#40H MOV DPTR,#KONGLCALL DISPLAY M

18、OV P AG,#02HMOV COL,#18HMOV DPTR,#FANLCALL DISPLAY MOV PAG,#02HMOV COL,#28HLCALL DISPLAYMOV PAG,#02HMOV COL,#48HMOV DPTR,#ZHENGLCALL DISPLAYMOV PAG,#02HMOV COL,#58HMOV DPTR,#CHANG_0LCALL DISPLAY MOV A,#PHASERR1: MOV R5,#TIMESRR2: MOV P0,ALCALL DELAYRR AJBC B.0,RL_12JBC B.1,STOP_2JBC B.2,RR_12JB B.3,

19、ACCE0JB B.4,DECE0JMP RR1RL_12: LJMP RL_1STOP_2: LJMP STOPRR_12: LJMP RR_1ACCE0: ;右轉(zhuǎn)高速 MOV PAG,#02H MOV COL,#48H MOV DPTR,#GAO LCALL DISPLAY MOV PAG,#02H MOV COL,#58H MOV DPTR,#SULCALL DISPLAY MOV R5,#5JMP RR2DECE0:;右轉(zhuǎn)低速 MOV PAG,#02H MOV COL,#48H MOV DPTR,#DI LCALL DISPLAY MOV PAG,#02H MOV COL,#58H M

20、OV DPTR,#SULCALL DISPLAY MOV R5,#17JMP RR2JMP RR1;-顯示子程序-;DISPLAY:LCALL DISROM ;顯示上半字INC PAG LCALL DISROM ;顯示下半字RETINILCD: ;初始化LCD MOV R7,#38HLCALL WCODEMOV R7,#0FHLCALL WCODEMOV R7,#0C0HLCALL WCODEMOV R7,#01HLCALL WCODEMOV R7,#06HLCALL WCODERET CLEAR: ;清屏 PUSH BMOV COL,#00HMOV B,#00H CLE_0:MOV PAG,

21、B MOV DPTR,#KONG LCALL DISPLAY MOV A,#10H ADD A,COL MOV COL,A CJNE COL,#80H,CLE_0 INC BINC BMOV PAG,BMOV COL,#00H CJNE PAG,#08H,CLE_0POP BRETCHKBUSY: ;檢查L(zhǎng)CD是否忙 SETB ECLR RSSETB RWMOV P2,#0FFHJNB BUSY,$RETWCODE: ;寫(xiě)入LCD命令 LCALL CHKBUSYMOV P2,#0FFHCLR RWCLR RS SETB EMOV P2,R7CLR ERETWDATA:;寫(xiě)入LCD數(shù)據(jù) LCAL

22、L CHKBUSYMOV P2,#0FFHCLR RWSETB RSSETB EMOV P2,R7CLR ERETDISROM: ;顯示寫(xiě)入 PUSH ACC CLR CMOV A,COLSUBB A,#64JNC RSIDELSIDE: SETB L CLR RMOV A,PAG ADD A,#LCDPAGE MOV R7,A LCALL WCODE MOV A,COL ADD A,#LCDLINE MOV R7,A LCALL WCODEMOV R2,#0WLS: CLR A MOVC A,A+DPTRMOV R7,A LCALL WDATAINC DPTRINC R2CJNE R2,#1

23、6,WLSJMP RET0RSIDE: CLR LSETB RCLR CMOV A,PAG ADD A,#LCDPAGE MOV R7,A LCALL WCODE MOV A,COL ADD A,#LCDLINESUBB A,#64 MOV R7,A LCALL WCODEMOV R2,#0WRS: CLR A MOVC A,A+DPTRMOV R7,A LCALL WDATAINC DPTRINC R2CJNE R2,#16,WRSRET0: POP ACC RET DELAY:;延時(shí)子程序 MOV R6,#50D1: MOV R7,#100 DJNZ R7,$DJNZ R6,D1DJNZ

24、R5,DELAYRET;-漢字表-;ORG 2000HCHANG: /*- 文字: 長(zhǎng) -*/ DB 0x80,0x80,0x80,0x80,0xFF,0x80,0x80,0xA0DB 0x90,0x88,0x84,0x82,0x80,0x80,0x80,0x00DB 0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF,0x40,0x21,0x12DB 0x04,0x08,0x10,0x20,0x20,0x40,0x40,0x00CHUN: /*- 文字: 春 -*/DB 0x40,0x44,0x54,0x54,0xD4,0x54,0x74,0x5FDB 0x54,0x54,0xD4,0x54,

25、0x54,0x44,0x40,0x00DB 0x04,0x04,0x02,0x01,0xFE,0x92,0x92,0x92DB 0x92,0x92,0xFE,0x01,0x02,0x04,0x04,0x00GONG: /*- 文字: 工 -*/DB 0x00,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0xFCDB 0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x00,0x00DB 0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x3FDB 0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x00CHENG: /*-

26、 文字: 程 -*/DB 0x24,0x24,0xA4,0xFE,0x23,0x22,0x0,0x3EDB 0x22,0x22,0x22,0x22,0x22,0x3E,0x00,0x00DB0x08,0x06,0x01,0xFF,0x01,0x06,0x40,0x49DB 0x49,0x49,0x7F,0x49,0x49,0x49,0x41,0x00XUE: /*- 文字: 學(xué) -*/DB 0x40,0x30,0x11,0x96,0x90,0x90,0x91,0x96DB 0x90,0x90,0x98,0x14,0x13,0x50,0x30,0x00DB 0x04,0x04,0x04,0x04

27、,0x04,0x44,0x84,0x7EDB 0x06,0x05,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x00YUAN: /*- 文字: 院 -*/DB 0x0,0xFE,0x22,0x5A,0x86,0x10,0x0C,0x24DB 0x24,0x25,0x26,0x24,0x24,0x14,0x0C,0x00DB 0x00,0xFF,0x04,0x08,0x07,0x80,0x41,0x31DB 0x0F,0x01,0x01,0x3F,0x41,0x41,0x71,0x00DIAN: /*- 文字: 電 -*/DB 0x00,0x00,0xF8,0x88,0x88,0x88,

28、0x88,0xFFDB 0x88,0x88,0x88,0x88,0xF8,0x00,0x00,0x00DB 0x00,0x00,0x1F,0x08,0x08,0x08,0x08,0x7FDB 0x88,0x88,0x88,0x88,0x9F,0x80,0xF0,0x00ZI: /*- 文字: 子 -*/DB 0x80,0x82,0x82,0x82,0x82,0x82,0x82,0xE2DB 0xA2,0x92,0x8A,0x86,0x82,0x80,0x80,0x0DB 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x40,0x80,0x7FDB 0x00,0x00,0x00,0x00,

29、0x00,0x00,0x00,0x00LING: /*- 文字: 08 -*/DB 0x00,0xE0,0x10,0x08,0x08,0x10,0xE0,0x00DB 0x00,0x70,0x88,0x08,0x08,0x88,0x70,0x00DB 0x00,0x0F,0x10,0x20,0x20,0x10,0x0F,0x00DB 0x00,0x1C,0x22,0x21,0x21,0x22,0x1C,0x00SI: /*- 文字: 41 -*/DB 0x00,0x00,0xC0,0x20,0x10,0xF8,0x00,0x00DB 0x00,0x10,0x10,0xF8,0x00,0x00,

30、0x00,0x00DB 0x00,0x07,0x04,0x24,0x24,0x3F,0x24,0x00DB 0x00,0x20,0x20,0x3F,0x20,0x20,0x00,0x00ZHENG: /*- 文字: 正 -*/DB 0x00,0x02,0x02,0xC2,0x02,0x02,0x02,0xFEDB 0x82,0x82,0x82,0x82,0x82,0x02,0x00,0x00DB 0x40,0x40,0x40,0x7F,0x40,0x40,0x40,0x7FDB 0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x00FAN: /*- 文字: 反 -*/D

31、B 0x00,0x00,0xFC,0x24,0x24,0xE4,0x24,0x24DB 0x22,0x22,0x22,0xA3,0x62,0x00,0x00,0x00DB 0x40,0x30,0x8F,0x80,0x40,0x40,0x23,0x14DB 0x08,0x14,0x22,0x41,0x40,0x80,0x80,0x00ZHUAN: /*- 文字: 轉(zhuǎn) -*/DB 0xC8,0xB8,0x8F,0xE8,0x88,88H,0x40,0x48DB 0x48,0xE8,0x5F,0x48,0x48,0x48,0x40,0x00DB 0x08,0x18,0x08,0xFF,0x04,0x

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