步進電機的控制

《RC正弦波振蕩電路》課程設計說明書專業(yè)班級：2012級電子信息科學與技術2班姓名：指導教師：江鄭云設計時間:2014、11、26——2014、11、10物理與電氣工程學院2014年11月10日摘要步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、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，電機那么轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期的誤差而無累計誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變得非常簡單。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就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步進電機的轉速，從而實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。在本設計方案中采用AT89C52型單片機內(nèi)部的定時器改變CP脈沖的頻率從而實現(xiàn)對步進電機的轉速進行控制，實現(xiàn)電機調(diào)速與正反轉的功能。關鍵詞：步進電機單片機小系統(tǒng)數(shù)碼管發(fā)光二極管目錄引言…………………11.1設計背景………11.2設計要求………2二、硬件電路的設計……………………22.1系統(tǒng)總電路框圖………………22.2電路單元………22.2.1STC89C52小系統(tǒng)…………..22.2.2ULN2003驅動芯片………….32.2.3步進電機……………………42.3原理圖………….52.3.1最小系統(tǒng)原理圖……………62.3.2鍵盤模塊原理圖…………….62.3.3八位數(shù)碼管顯示原理圖…….72.3.4電機驅動模塊原理圖………7三、軟件系統(tǒng)……………83.1系統(tǒng)流程圖…………………..83.2主程序………..9四、參考資料……………11一、引言1.1設計背景一、步進電動機是將電信號轉換成相應角位移或線位移的電動機,它的運用需要專門的驅動電源,驅動電源的輸出受外部的脈沖信號控制。每一個脈沖信號可使步進電機旋轉一個固定的角度,這個角度稱為距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉的總角度,脈沖的頻率決定了電機旋轉的速度,改變繞阻的通電順序可以改變電機旋轉的方向。在數(shù)字控制系統(tǒng)中,它既可以用作驅動電機,也可用作伺服電機。它在工業(yè)過程中得到廣泛的應用,尤其在智能儀表和需要精確定位的場合應用更為廣泛。二、步進電機有三線式、五線式、六線式三種,但其控制方式均相同,必須以脈沖電流來驅動。每旋轉一圈以200個勵磁信號來計算,那么每個勵磁信號前進1.8度,其旋轉角度與脈沖成正比,正、反轉可有脈沖順序來控制。三、步進電動機的勵磁方式可以分為全部勵磁及半步勵磁,其中全部勵磁又有1相勵磁及2相勵磁之分,而半步勵磁又分為1－2相勵磁。下列圖為步進電動機的控制等效電路,適應控制A、B、/A、/B的勵磁信號,及每控制步進電機的轉動。每輸出一個脈沖信號,步進電機只走一步。因此,依序不斷送出脈沖信號,步進電動機即可連續(xù)轉動。四、28BYJ-48是最普通的減速步進電動機,最大轉速是14圈/分鐘。該電機要是節(jié)拍太快的話,就不動了,而且還有一點異響。這個型號的電機最適合用于學習,真正現(xiàn)實中用處不大,無論是轉速、扭曲都不太理想,唯一的優(yōu)點就是價格廉價。28BYJ-48步進電機是四相八拍電動機,電壓為DC5V～DC12V。當對步進電機按一定順序施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時,它可以連續(xù)不斷的轉動。每一個脈沖信號使得步進電機的某一相或兩相繞阻的通電狀態(tài)改變一次,也就是對應轉子轉過一定的角度。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時,轉子轉過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電狀態(tài)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(雙相繞阻通電)四拍(AB-BC-CD-DA-AB),四相八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)。1.2設計要求本設計為步進電機單片機控制系統(tǒng)，其功能如下：〔1〕控制電機的啟動、停止；〔2〕具有對步進電機的正反轉、加減速控制；〔3〕控制按鈕分別為正轉、反轉、加速、減速鍵；〔4〕通過LED燈顯示轉動方向；〔5〕能夠通過八位LED數(shù)碼管顯示當前的轉動速度。本設計的要求：(1)獨立設計原理圖及硬件電路(2)獨立編寫和調(diào)試相應的程序(3)制作出相應功能的完整電路板(4)掌握單片機和步進電機的原理及相應電路的設計(5)熟悉KEIL、STC下載等軟件的使用方法(6)熟悉模塊化設計的思想(7)設計說明書按照格式標準，結構層次合理，設計重點突出，并附上原理圖和設計流程圖。二、硬件電路設計2.1系統(tǒng)總電路框圖LED顯示速度方向LED顯示速度方向單片機數(shù)碼管顯示速度鍵盤數(shù)碼管顯示速度鍵盤步進機步進機2.2電路單元2.2.1STC89C52RC小系統(tǒng)本設計的MCU是STC89C52RC單片機，此單片機的驅動能力強，程序存儲器和RAM都比擬大，而且本錢不高，能滿足本設計的要求，其外型如下圖。單片機小系統(tǒng)板本設計單片機最小系統(tǒng)采用單片機的型號為STC89C52，結構包括CPU、存儲器、并行接口、兩個定時/計數(shù)器T0和T1、兩個外部中斷INT0和INT1和中斷系統(tǒng)，外接晶振頻率為11.0592MHZ。如圖2.2.2ULN2003驅動芯片本設計使用的是生活中被廣泛使用的電機驅動芯片ULN2003APG，其內(nèi)部結構及外形如圖4所示。步進電機驅動芯片功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力，以便于驅動各種類型的負載。功率驅動電路是功率電子設備輸出電路的一個重要組成成分。在大型儀器儀表系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到伺機電機、步進電機、各種電磁閥、泵等驅動電壓高且功率較大的器件。ULN2000、ULN2800高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品就屬于這類可控大功率器件，由于這類器件功能強、應用范圍域廣，深受用戶的歡送。本設計采用ULN2003作為步進電機的驅動芯片，ULN2003電路具有以下特點：電流增益高〔大于1000〕帶負載能力強〔輸出電流大于500mA〕溫度范圍寬〔-40℃—85℃〕工作電壓高〔大于50V〕ULN2003是由高電壓達林頓晶體管陣列組成，因此一對輸入輸出最小單元其內(nèi)部結構如下列圖2.2.3步進電機本設計使用步進電機28BYJ-48型四相五線電機，電壓為DC5V。當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)不斷地轉動。每一個脈沖信號對應步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應轉子轉過一定的角度〔一個步距角〕。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉子轉過一個齒距。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四拍〔單相繞組通電A-B-C-D-A〕，雙四拍〔雙相繞組通電AB-BC-CD-DA-AB〕，八拍〔A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A〕。表1為單四拍驅動方式。步進電機實物圖拍導線12345紅++++4橙-3黃-2粉-1藍-表1步進電機單四拍驅動方式步進電機控制原理步進電機是數(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。步進電機可分為反響式步進電機、永磁式步進電機和混合式步進電機。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，圖2-1為電機內(nèi)部原理圖。圖2-1四相步進電機內(nèi)部原理圖A→B→C→D為四拍控制換相順序：通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：四相步進電機的單四拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C-D，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C,D相的通斷。控制步進電機的轉向：如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，那么電機就反轉。控制步進電機的速度：如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。2.3原理圖2.3.1最小系統(tǒng)原理圖2.3.2鍵盤模塊原理圖2.3.3八位數(shù)碼管顯示模塊原理圖2.3.3八位數(shù)碼管顯示原理圖2.3.3八位數(shù)碼管顯示原理圖八位數(shù)碼管原理圖2.3.4電機驅動模塊原理圖三、軟件程序開始3.1流程圖開始判斷啟動鍵是否按下?判斷啟動鍵是否按下?等待按鍵按下是等待按鍵按下直到按鍵按下電機以初速度轉動,與此同時表示正轉的直到按鍵按下電機以初速度轉動,與此同時表示正轉的LED燈亮，且數(shù)碼管顯示其速度大小反轉鍵是否按下？反轉鍵是否按下？反轉是反轉否正轉正轉加速,數(shù)碼管顯示當前速度檔位加速鍵是否按下加速,數(shù)碼管顯示當前速度檔位加速鍵是否按下?否減速鍵是否按下減速鍵是否按下?減速,數(shù)碼管顯示當前速度檔位減速,數(shù)碼管顯示當前速度檔位否按原有狀態(tài)轉動停止鍵是否按下按原有狀態(tài)轉動停止鍵是否按下?否停止轉動是停止轉動結束結束3.2主程序ORG0000HLJMPSTARTORG0003H ;外部中斷0入口地址LJMPSpeed_UpORG0013H ;外部中斷1入口地址LJMPSpeed_DownORG0100HSpeedEQU20H;速度給初值NUMEQU21HMOVSpeed,#200MOVNUM,#1START:SETBEA;翻開中斷總允許位SETBEX0SETBEX1SETBIT0SETBIT1MOVP3,#0FFHJBP3.7,$ ;起始鍵是否按下;正轉程序ZZ:LCALLDISPLAYMOVR7,#4MOVP1,#0F8HMOVA,#01HMOVP3,#0FFHL1:MOVP2,ALCALLDELAYRLADJNZR7,L1JNBP3.1,FZ;判斷反轉鍵是否按下JNBP3.6,LL;判斷停止鍵是否按下LJMPZZ;反轉程序FZ:LCALLDISPLAYMOVR7,#4MOVP1,#8FHMOVA,#08HMOVP3,#0FFHL2:MOVP2,ALCALLDELAYRRADJNZR7,L2JNBP3.0,ZZ;判斷正轉鍵是否按下JNBP3.6,LL;判斷停止鍵是否按下LJMPFZLL:SETBP3.7;加速程序Speed_Up:MOV20H,#200MOVA,SpeedSUBBA,#20MOVSpeed,AINCNUMRETI;減速程序Speed_Down:MOV20H,#200MOVA,SpeedADDA,#20MOVSpeed,ADECNUMRETI;延時程序DELAY:MOVR6,#SpeedDD:MOVR5,#50DJNZR5,$DJNZR6,DDRETDISPLAY:PUSHACC