步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱 微機(jī)原理與應(yīng)用 課題名稱 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課程名稱 微機(jī)原理與應(yīng)用 課 題 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 審 批 任務(wù)書下達(dá)日期 任務(wù)完成日期 目 錄第1章 目的與要求 綜合運(yùn)用所學(xué)的單片機(jī)原理與應(yīng)用理論知識(shí)，通過實(shí)踐加強(qiáng)對所學(xué)知識(shí)的理解，具備設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的能力，以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，要求能夠通過鍵盤設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，并在LED顯示器上顯示步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速或工作狀態(tài)。本課題以單片機(jī)為核心，設(shè)

2、計(jì)并制作出步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)要求：1、按下不同的鍵，分別使步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。2、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)可以是正反轉(zhuǎn)，加速減速，五種不同速度的各種組 合。3、通過LED數(shù)碼管顯示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。第2章 步進(jìn)電機(jī)的原理介紹2.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(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)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。

3、如下圖所示，驅(qū)動(dòng)方式為二相四拍方式各線圈通通電順序如下表： 相順序ABAB01100101102001131001表1-1電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制和速度控制： 當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳B-BA-AB-BA-AB時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)锳B-BA-AB-BA-AB時(shí)為反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，微電腦向步進(jìn)電機(jī)輸入端傳送1或0信息，則可實(shí)現(xiàn)上述操作。通過不同長度的延時(shí)來得到不同頻率的步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖，從而得到多種步進(jìn)速度，也就是改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。2.2 步進(jìn)電機(jī)的基本術(shù)語2.2.1 相數(shù)產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)，常用m表示。2.2.2 拍數(shù)完成一個(gè)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)

4、轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以兩相電機(jī)為例，有兩相四拍運(yùn)行方式即AB-BA-AB-BA-AB，兩相八拍運(yùn)行方式 AB-B-BA-A-AB-B-BA-A-AB。2.2.3 步距角對應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，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)二相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。2.2.4 信號(hào)分配 二相步進(jìn)電機(jī)，工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為,步距角為1.8度；二相八拍為,步距角為0.9度。兩相四拍為AB-BA-AB-BA

5、-AB,步距角為1.8度；兩相八拍為AB-B-BA-A-AB-B-BA-A-AB,步距角為0.9度。這里選取四拍的的工作方式。第3章 設(shè)計(jì)總體思路3.1 方案與思路因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的控制是通過脈沖信號(hào)來控制的，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。所以怎樣產(chǎn)生這個(gè)脈沖信號(hào)和產(chǎn)生怎樣的信號(hào)是電機(jī)控制的關(guān)鍵。用單片機(jī)來產(chǎn)生這個(gè)脈沖信號(hào)，通過單片機(jī)的P1口輸出脈沖信號(hào)，因?yàn)樗x電機(jī)是兩相的，所以只需要P1口的低四位P1.0P1.3分別接到電機(jī)的四根電線上。定時(shí)器定時(shí)來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過鍵盤的按鈕，就可以改變定時(shí)初值從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，P0口接LED數(shù)碼管，可以顯示當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速和按鈕狀態(tài)，

6、具體結(jié)構(gòu)見3.2框圖3.2 總框圖p0.0p0.7AT89C51單片機(jī)p2.0p2.3p1.0p1.3p3.0p3.4步進(jìn)電機(jī)四位數(shù)碼顯示管復(fù)位、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)加速、減速按鈕圖3-1第4章 程序設(shè)計(jì)4.1 主程序進(jìn)入主程序顯示初始化狀態(tài)，主程序由鍵盤程序、顯示程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序三部分組成，主程序首先初始化各變量，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各引腳均輸出高電平，然后調(diào)用鍵盤程序，并作判斷，有鍵按下，則調(diào)用鍵盤程序，并顯示出狀態(tài)。開始顯示初始化狀態(tài)“00”按鍵檢測Flag=0Flag=1Flag=2以初始速度正向旋轉(zhuǎn)“010”以初始速度反向旋轉(zhuǎn)“110”加速減速減速加速是否為極限速度是否為極限速度保持速度顯示上

7、限速度加/減顯示改變保持速度顯示上限速度加/減顯示改變結(jié)束NYNYNYNY 圖4-14.2 顯示子程序轉(zhuǎn)速的顯示是給用戶最直觀的概念，知道電機(jī)的轉(zhuǎn)的快慢，知道電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，而需要怎樣的速度，再對它進(jìn)行加減速。而這個(gè)顯示是調(diào)用顯示子程序。具體流程圖如下： 顯示Flag=0?第一個(gè)數(shù)碼管顯示“0”（正傳）YFlag=2？N第一個(gè)數(shù)碼管顯示“1”（反轉(zhuǎn)）N復(fù)位顯示“00”Y第二位顯示“”第3、4位顯示轉(zhuǎn)速。第三位顯示轉(zhuǎn)速/10，第四位顯示轉(zhuǎn)速%10NEXT 圖4-24.3 鍵盤掃描子程序鍵盤是我們唯一和電機(jī)溝通的橋梁，通過鍵盤的輸入從而改變電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，這里所需要的鍵盤數(shù)量不多，可以根據(jù)學(xué)習(xí)板做

8、成獨(dú)立式鍵盤，鍵盤的焊接是行線接單片機(jī)P3口的p3.0p3.4,通過調(diào)用KEY掃描鍵盤，調(diào)用延時(shí)程序，再判斷是否有鍵按下，如果無鍵按下就返回繼續(xù)掃描，如果有鍵按下，則調(diào)用delay延時(shí)去抖動(dòng)，再讀鍵值，等待鍵釋放，具體流程如下圖：鍵盤掃描復(fù)位是否按下正轉(zhuǎn)是否按下Flag=0轉(zhuǎn)速為10反轉(zhuǎn)是否按下Flag=1轉(zhuǎn)速為10減？為最高速度？速度加1保持20加？為最低速度？速度減1保持1返回Flag=2轉(zhuǎn)速=0NYYNNYYNNYYNYN圖4-3第5章 硬件設(shè)計(jì)5.1 硬件的設(shè)計(jì)與選取5.1.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定

9、子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四 相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。5.1.2 步進(jìn)電機(jī)的分類 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號(hào)（電機(jī)外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號(hào)）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像70BYG、90BYG、1

10、30BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。 5.1.3步進(jìn)電機(jī)的注意點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時(shí)6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。 這里規(guī)定電機(jī)轉(zhuǎn)速120轉(zhuǎn)每分鐘。步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。這里要求不高，使用整步狀態(tài)。于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12V的電壓除12V恒壓驅(qū)動(dòng)外

11、也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源，不過要考慮溫升。應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。綜上所述，電機(jī)選取42BYG系列感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)，兩相四拍整步狀態(tài)。選用后建立起模塊如下：圖5-15.2 單片機(jī)的選取MCS-51系列單片機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的單片機(jī)，MCS-51單片機(jī)的兩個(gè)子系列，下表是兩個(gè)子系列的比較：子系列ROM容量RAM容量尋址范圍I/O特性中斷源定時(shí)器并行口串行口51子系列4KB128B264KB216481552子系列8KB256B364KB3164816 表5-251子系列:有8031/8051/8751 和 80C31/80C51/87C5152子系列:有8032/8052/8752 和 8

12、0C32/80C52/87C52由于單片機(jī)的種類繁多,又因?yàn)槲覀兊囊蟛桓?所以選取單片機(jī)是很快的,所以這里選用AT89C51單片機(jī)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案的分析，可以選擇帶有EPROM的單片機(jī)，應(yīng)用程序直接存儲(chǔ)在片內(nèi)，不用在外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，電路可以簡化。ATMEL公司生產(chǎn)的AT89CXX系列單片機(jī)，AT89CXX系列與MCS-51系列單片機(jī)相比，有兩大優(yōu)勢：第一，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)器，使程序的寫入更方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整個(gè)硬件電路的體積更小。它以較小的體積、良好的性能價(jià)格比倍受青睞。本次課程設(shè)計(jì)采用89C52單片機(jī)。AT89C52單片機(jī)的接口圖如圖所示： 圖5-35.3 四

13、位LED數(shù)碼管的選取數(shù)碼管選用7段共陽4位LED圖5-45.4 其他零件根據(jù)實(shí)際情況選取晶振選11.0592MHZ 普通按鈕 Button電阻 RES 1K 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 ULN28035.5 硬件的焊接步進(jìn)電機(jī)的四線接法P1.0A、P1.1B P1.2A、P1.3B圖5-5第6章 調(diào)試與故障分析6.1 軟件部分將程序?qū)懭雓eil程序編輯界面進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試步驟如下1、定義各個(gè)變量uchar maichong;uchar zhuansu;uchar flag。2、定義正反轉(zhuǎn)、加減速端口Sbit key_z=P31;sbit key_f=P32;sbit key_jia=P33;sbit key_

14、jian=P34。3、調(diào)用顯示子程序。4、調(diào)用鍵盤掃描子程序。5、執(zhí)行主程序 6.2 硬件部分根據(jù)原理圖將硬件焊接好，用Proteus軟件下載keil軟件生成的HEX文件到單片機(jī)中，再給單片機(jī)上電，程序就開始運(yùn)行。顯示初始化如下：圖6-1按下正轉(zhuǎn)按鈕從P1口輸出脈沖，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，顯示如下：圖6-2按下反轉(zhuǎn)按鈕從P1口輸出脈沖，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，顯示如下：圖6-3按下加速按鈕電機(jī)速度增加，按下減速按鈕電機(jī)速度減少顯示如下： 圖6-46.3 故障分析及解決由于步進(jìn)電機(jī)的相序位置與單片機(jī)的P1口的4個(gè)輸出口連接不對電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不正確，解決方法，首先先用四個(gè)發(fā)光二極管模擬電機(jī)四個(gè)相序通過觀察發(fā)光二極管閃

15、亮的順序就可以判斷是否輸出正確，電機(jī)相序A、A、B、B與P1口低四位一一相對應(yīng)接好，就可以使電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)了。第7章 總結(jié) 兩周的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束了，雖然時(shí)間不是很長，但我從中得到的卻還是很多，通過這次的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，使我更深入的了解的單片機(jī)的重要性，也從中學(xué)到了很多，通過做步進(jìn)電機(jī)這個(gè)課題，使我全面地的，系統(tǒng)的又重新學(xué)習(xí)了一遍單片機(jī)，同時(shí)又了解到不同電機(jī)不同的工作狀態(tài)，對其中的原理更加地的熟悉，對我以后的學(xué)習(xí)有了極大的幫助，雖然在做課程設(shè)計(jì)的過程中，我還有很多的東西是不知道的，但通過檢閱資料，在老師的細(xì)心指導(dǎo)下，再加上自己的不斷努力 ，最終是完成了自己的課程設(shè)計(jì)，在調(diào)試的過程中，依然會(huì)

16、有不少的問題，在細(xì)心總結(jié)查閱下還是被我一個(gè)一個(gè)的解決了，最終得到正確的結(jié)果。 因?yàn)槲覀兯鶎W(xué)的都是單片機(jī)方面的理論知識(shí)，應(yīng)用到實(shí)踐中去還比較少，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。在第一周由于考試原因沒有花費(fèi)太多精力，不過在周末的時(shí)候，抓緊時(shí)間去查閱和收集資料。去了圖書館借一些參考書，上網(wǎng)找一些相關(guān)資，通過不斷努力，終于把步進(jìn)電機(jī)的原理，工作狀態(tài)，控制結(jié)構(gòu)有所掌握，把思路和方案定了下來，然后通過分析與軟硬件的設(shè)計(jì)，在電腦上仿真完成。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而

17、提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟是一次全面的設(shè)計(jì)，難免會(huì)遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。在此也要感謝李曉秀老師的指導(dǎo)，在老師耐心指導(dǎo)下很多問題都得到了解決！第8章 參考文獻(xiàn)1王迎旭.單片機(jī)原理及及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社2張迎新.單片微型計(jì)算機(jī)原理、應(yīng)用及接口技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社3周向紅.51系列單片機(jī)應(yīng)用與實(shí)踐教程.北京：北京航天航空大學(xué)出版社4郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程.北京：電子工業(yè)出版社附 件系統(tǒng)原理圖圖附-1元器件清單AT89C52

18、單片機(jī) 1片11.0592MHZ的晶振 1片四位LED顯示器 1個(gè)電阻 4個(gè)ULN2803 1個(gè)步進(jìn)電機(jī) 1個(gè)按鈕BUTTON 5個(gè)源程序清單#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intunsignedcharcode table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x3f,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e;unsignedcharcode table1=0x03,0x06,0x0c,0x09,0x09,0x0c,0x06,0x03;u

19、char table_ begin;uchar maichong;uchar zhuansu;uchar flag;sbit key_fuwei=P30;sbit key_z=P31;sbit key_f=P32;sbit key_jia=P33;sbit key_jian=P34;void delay(uchar x)uchar i,j;for(i=0;i0;j-);void fuwei(void)flag=2;zhuansu=0;void display() uchar A1,A2,A3,A4; if(flag=0)A1=0;else A1=1;if(flag=2)A1=10; A2=0x

20、3f; A3=zhuansu/10; A4=zhuansu%10;P0=tableA1;delay(5); P2=0x01;delay(5);P2=0x00;delay(5);P0=A2;delay(5); P2=0x02; delay(5);P2=0x00;delay(5);P0=tableA3; delay(5);P2=0x04;delay(5);P2=0x00; delay(5);P0=tableA4; delay(5);P2=0x08; delay(5);P2=0x00;delay(5);void key()if(key_fuwei=0)delay(5);if(key_fuwei=0)

21、fuwei();display();if(key_z=0)delay(5);if(key_z=0)flag=0;zhuansu=10;while(key_z=0);if(key_f=0)delay(5);if(key_f=0)flag=1;zhuansu=10;while(key_f=0);if(key_jia=0)delay(5);if(key_jia=0)zhuansu+;if(zhuansu=21)zhuansu=20;while(key_jia=0);if(key_jian=0)delay(5);if(key_jian=0)zhuansu-;if(zhuansu=1)zhuansu=2

22、;while(key_jian=0); void dispose()switch(zhuansu)case 0:break;case 1:maichong=300;break;case 2:maichong=150;break;case 3:maichong=100;break;case 4:maichong=75;break;case 5:maichong=60;break;case 6:maichong=50;break;case 7:maichong=43;break;case 8:maichong=37;break;case 9:maichong=33;break;case 10:maichong=30;break;case 11:maichong=27;break;case 12:maichong=25;break;case 13:maichong=23;break;case 14:mai