步進電機控制實驗

摘要步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精密執(zhí)行元件，具有快速起動和停止的特點。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)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機那么轉(zhuǎn)過一個步距。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電機的調(diào)速一般是改變輸入步進電機的脈沖的頻率來實現(xiàn)步進電機的調(diào)速,因為步進電機每給一個脈沖就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進電機的一個脈沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步進角來改變電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。其驅(qū)動速度和指令脈沖能嚴格同步,具有較高的重復定位精度,并能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和平滑速度調(diào)節(jié)。它的運行速度和步距不受電源電壓波動及負載的影響,因而被廣泛應(yīng)用于數(shù)模轉(zhuǎn)換、速度控制和位置控制系統(tǒng)。本文在分析了步進電機的驅(qū)動特性和步進電機驅(qū)動芯片ULN2003A的性能、結(jié)構(gòu)的根底上，結(jié)合AT89C51單片機，采用軟件延時來控制轉(zhuǎn)速,通過開關(guān)來改變電機轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)電機調(diào)速與正反轉(zhuǎn)的功能。關(guān)鍵詞：步進電機；AT89C51單片機；ULN2003A驅(qū)動。目錄第一章概述1第二章關(guān)于設(shè)計內(nèi)容的介紹22.1步進電機的原理22.2步進電機的分類32.389C51單片機42.4設(shè)計要求4第三章硬件電路設(shè)計53.1設(shè)計思路53.2總體設(shè)計框圖53.3電源電路53.4單片機最小系統(tǒng)63.4.1復位電路63.4.2晶振電路73.5按鍵、開關(guān)控制電路73.6顯示電路83.7驅(qū)動電路8第四章軟件設(shè)計104.1程序流程圖104.2程序設(shè)計思路114.3keil軟件介紹11第五章調(diào)試過程125.1操作控制125.2設(shè)計過程中遇到的主要問題以及解決方法12第六章總結(jié)13參考文獻14致謝14附錄15第一章概述步進電機最早是在1920年由英國人所開發(fā)。1950年后期晶體管的創(chuàng)造也逐漸應(yīng)用在步進電機上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過不斷改進，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的開展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進電機可以直接用數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便。一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機那么有定位和運轉(zhuǎn)兩種根本狀態(tài)，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的鼓勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機控制。步進電機還具有快速啟動、精確步進和定位等特點，因而在數(shù)控機床，繪圖儀，打印機以及光學儀器中得到廣泛的應(yīng)用。步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。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(yīng)用于各種開環(huán)控制。第二章關(guān)于設(shè)計內(nèi)容的介紹2.1步進電機的原理步進電機是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，步進電機轉(zhuǎn)動一定角度，帶動機械移動一小段距離。其特點為:(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。(3)改變脈沖順序，可改變轉(zhuǎn)動方向。例如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適宜的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖是該四相反響式步進電機工作原理示意圖。圖2.1.1四相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。當開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，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。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，那么轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。四相步進電機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序與波形分別如圖2.1.2a、b、c所示：a.單四拍b.雙四拍c八拍圖2.1.2步進電機工作時序波形圖2.2步進電機的分類步進電機分永磁式〔PM〕、反響式〔VR〕、和混合式〔HB〕三種。永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反響式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等興旺國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反響式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。從結(jié)構(gòu)上看，步進電機分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種，其根本原理如下：

〔1〕換相順序的控制通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進電機在單三拍的工作方式下，其各相通電順序為A→B→C→A，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A、B、C相的通斷。三相雙三拍的通電順序為AB→BC→CA→AB，三相六拍的通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A。

〔2〕步進電機的換向控制如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)。假設(shè)步進電機的勵磁方式為三相六拍，即A→AB→B→BC→C→CA→A。如果按反序通電換相，即A→AC→C→CB→B→BA→A，那么電機就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。

〔3〕步進電機的速度控制如果給步進電機發(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。調(diào)整送給步進電機的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)試。2.389C51單片機Atmel公司生產(chǎn)的89C51單片機是一種低功耗、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FlashROM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。2.4設(shè)計要求一個正反轉(zhuǎn)開關(guān)控制正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),一個一圈按鈕,按一下時轉(zhuǎn)一圈,一個連續(xù)轉(zhuǎn)動按鈕,按一下時連續(xù)轉(zhuǎn)動，再按一下時停止轉(zhuǎn)動，在連續(xù)轉(zhuǎn)動時一個加速按鈕按一下時加一檔速度，一個減速按鈕按一下時減一檔速度，速度有高速、中速和低速三檔〔高速、中速和低速只要有明顯差異〕，一個數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)的圈數(shù)，開始時顯示0，正轉(zhuǎn)一圈時加1，反轉(zhuǎn)一圈時減1，顯示0時反轉(zhuǎn)一圈那么顯示9，顯示9時正轉(zhuǎn)一圈那么顯示0。程序要求用C語言編寫。用protel畫出系統(tǒng)原理圖，要求是一個完整的單片機控制系統(tǒng)，電源為220V交流電。第三章硬件電路設(shè)計3.1設(shè)計思路本設(shè)計的硬件電路主要由按鍵、開關(guān)控制電路、單片機最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路、顯示電路組成?？刂齐娐酚砷_關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進行操作。最小系統(tǒng)是為了使單片機正常工作。顯示電路主要是為了顯示電機的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電路主要是對單片機輸出的脈沖進行功率放大，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。3.2總體設(shè)計框圖圖3.2總體設(shè)計框圖3.3電源電路交流220V經(jīng)降壓變壓器變成15V交流電，在通過整流橋、濾波變成5V直流電供應(yīng)單片機。圖3.3電源電路3.4單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，素質(zhì)用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)，對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、復位電路、晶振電路。復位電路復位是單片機的初始化操作，只要給RESET引腳加上2個機器周期以上的高電平信號，即可使單片機復位。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當程序運行出錯或是操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫死鎖狀態(tài)，也需要按復位鍵重新復位。在系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)上述的兩項功能，采用常用的按鍵電平復位電路，如下圖。圖復位電路從圖中可以看出，當系統(tǒng)得到工作電壓的時候，復位電路工作在上電自動復位狀態(tài)，通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)，只要Vcc的上升時間不超過1ms就可以實現(xiàn)自動上電復位功能。在本系統(tǒng)中，采用10uF的電容和10kΩ的電阻來實現(xiàn)復位電路。當系統(tǒng)出錯時，直接按開關(guān)實現(xiàn)模擬系統(tǒng)上電復位的功能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)重新復位啟動。晶振電路89C51單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器〔簡稱晶振〕或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖示。其電容值一般在5~30pf,晶振頻率的典型值為12MHz,采用6MHz的情況也比擬多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比擬穩(wěn)定，實用電路實用較多。圖3.4.2晶振電路3.5按鍵、開關(guān)控制電路根據(jù)設(shè)計要求，控制輸入局部設(shè)置了連續(xù)按鈕，點動按鈕，加速按鈕、減速按鈕和正反轉(zhuǎn)開關(guān)，分別是S1,S2,S3,S4和K，控制電路如圖3.5所示。通過是S1、S2狀態(tài)變化來實現(xiàn)電機的連續(xù)和點動控制。當K1的狀態(tài)變化時，可實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制。根據(jù)步進電機的工作原理可以知道，步進電機轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機的脈沖頻率，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。對于單片機而言，主要的方法有：軟件延時和定時中斷在此電路中電機的轉(zhuǎn)速控制主要是通過軟件延時來實現(xiàn)的，該電路控制電機速度變化主要是通過S3、S4的狀態(tài)實現(xiàn)，從而根據(jù)軟件延時來改變步進電機的輸出脈沖頻率，從而改變了電機的轉(zhuǎn)速。圖3.5按鍵、開關(guān)控制電路3.6顯示電路在該步進電機中，電機可以正反轉(zhuǎn)，其中為了方便知道電機的轉(zhuǎn)的圈數(shù)，這里設(shè)計了顯示電路。在顯示電路中，主要是利用了單片機的P2口。采用4個LED燈根據(jù)8421碼顯示所轉(zhuǎn)圈數(shù)。開始時顯示0，正轉(zhuǎn)一圈時加1，反轉(zhuǎn)一圈時減1，顯示0時反轉(zhuǎn)一圈那么顯示9，顯示9時正轉(zhuǎn)一圈那么顯示0。電路如圖3.6所示。圖3.6顯示電路3.7驅(qū)動電路ULN2003是大電流驅(qū)動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。可直接驅(qū)動繼電器等負載。輸入5VTTL電平，輸出可達500mA/50V。ULN2003是高耐壓、大電流達林頓系列,由七個硅NPN達林頓管組成。該電路的特點如下:ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。圖3.7驅(qū)動電路通過ULN2003構(gòu)成的驅(qū)動電路，電路圖如圖3.7所示。通過單片機的P1.0~P1.3輸出脈沖到ULN2003的IN1、IN2、IN4、IN6口，經(jīng)信號放大后從OUT1、OUT2、OUT4、OUT6口分別輸出到電機的A、B、C、D相。第四章軟件設(shè)計4.1程序流程圖S1=0?S2=0?NS1=0?S2=0?NNYYYY點動一圈點動一圈NNS3=0?S4=0?S3=0?S4=0?加速減速加速減速YYYY結(jié)束圖4.1程序流程圖4.2程序設(shè)計思路圖4.1程序流程圖主要表示的是程序開始運行時，首先判斷正反轉(zhuǎn)開關(guān)k打在哪個方向，假設(shè)K=0那么表示正轉(zhuǎn)，K=1表示反轉(zhuǎn)。然后繼續(xù)掃描鍵盤，當連續(xù)按鈕S1按下，步進電機開始連續(xù)轉(zhuǎn)動，再次按下時停止轉(zhuǎn)動。當點動按鈕S2按下步進電機轉(zhuǎn)動一圈后停止。當按下加速按鈕時分低、中、高三檔加速，按下減速按鈕時分低、中、高三檔減速。總之，啟動后程序不停地掃描鍵盤判斷是否有其他鍵按下，假設(shè)有其他鍵按下，那么程序進入相應(yīng)的模塊，通過按鍵來控制步進電機不同的工作方式。4.3keil軟件介紹Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、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〔uVision〕將這些部份組合在一起。第五章調(diào)試過程5.1操作控制電路經(jīng)調(diào)試符合題目要求，各項技術(shù)指標均到達設(shè)計的目的。具體操作控制方法如下：1、當電機按下連續(xù)按鈕時，步進電機根據(jù)制定默認狀態(tài)開始轉(zhuǎn)動；2、當電機按下加速按鈕時，步進電機換檔進行加速；3、當電機按下減速按鈕時，步進電機換擋減速；4、當電機再次按下連續(xù)按鈕時，步進電機停止轉(zhuǎn)動；5、當電機按下正反按鈕時，步進電機反轉(zhuǎn)；6、當電機再次按下正反按鈕時，步進電機正轉(zhuǎn)；7、當電機按下點動按鈕時，步進電機轉(zhuǎn)一圈后停止轉(zhuǎn)到。5.2設(shè)計過程中遇到的主要問題以及解決方法1、電動機換檔時低、中、高速不明顯原因：程序中maichong數(shù)值區(qū)別不大解決方法：改變程序中maichong的賦值，將各檔次區(qū)別增大即可2、步進電機按鈕按下有時轉(zhuǎn)有時無反響原因：接口接觸不良解決方法：換連線接口3、下載完程序步進電機按鈕無反映原因：程序未下載進去解決方法：確保單片機實驗箱電源已翻開后再次下載第六章總結(jié)通過這次單片機的課程設(shè)計，我更深一步掌握了單片機的原理，將單片機的理論和實踐相結(jié)合，了解了步進電機的組成原理，并初步掌握了步進電機設(shè)計及測試方法。在此次課程設(shè)計之前，我對步進電動機的了解僅限于它的定義，因為平時我們接觸的電動機主要是直流電動機和交流電動機，很少見到步進電動機，所以對于步進電動機比擬陌生。在做本次設(shè)計的過程中，通過老師的上課指導以及查閱大量有關(guān)步進電機的資料，我對步進電機有了深入的認識。這次設(shè)計使我學到了以前書本知識中所不曾了解的知識，掌握了分析問題、處理問題的方法以及調(diào)試、計算等根本技能，使實際工作能力得到了有效提高。通過這次的設(shè)計實驗，我穩(wěn)固了以前所學的知識，豐富了實踐也鍛煉了深入鉆研思考的能力，也增強了自己的動手能力和排除故障的能力。它讓我明白只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，才是真正地掌握一門技術(shù)。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)問題，不斷思索，不斷解決與領(lǐng)悟。在設(shè)計的過程中由于知識和經(jīng)驗的欠缺我遇到了很多問題，比方說編程調(diào)試時發(fā)現(xiàn)很多錯誤由于思路的偏離，只能從頭改起，還有早期思路尚未理清便開始編程導致系統(tǒng)的具體功能難以實現(xiàn)，從而發(fā)現(xiàn)了自己的很多缺乏之處。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷思索，不斷改正，對所設(shè)計的程序與電路的反復改動，最終在老師、同學的幫助和自身的不懈努力下，在規(guī)定的時間內(nèi)完成了課程設(shè)計。在這次課程設(shè)計中，我們發(fā)現(xiàn)了自己原來的知識還比擬欠缺，要學習的東西還太多，深切的感受到學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學習，努力提高自己的知識和綜合素質(zhì)。參考文獻[1]李廣第．單片機根底．第一版．北京航空航天大學出版社．北京．1994年6月

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