基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計【畢業(yè)論文】

本科畢業(yè)論文基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要：步進電機是一種通過電脈沖信號控制相繞組電流，實現(xiàn)規(guī)定角度轉(zhuǎn)動的元件，它的優(yōu)點是易于精確控制而且控制方法多種多樣，由于其良好的性能但功能較為齊全，適應(yīng)性強，操作方便，可靠性高,能夠有機地把電子技術(shù)、單片機技術(shù)、電機的控制技術(shù)結(jié)合起來步進電機控制系統(tǒng)。這套系統(tǒng)能使我們更好地理解《機電傳動與控Abstract:SteppingmotorisacurrentbypulsesofelectricitycontrolphasewindingsrealizerotatingcomponentssetAngle.Itisegoodperformance,steppingmotorcanbewidemicrocontrollertocontrolthesteppingmotor,realizethecontrolmethodsoftware.usingsoftwareinsteadofbecausethattheintroductionofsometechnologiesinourspecializedtextbooksarealwitcannotcombinethetheorywithengineeringpracticeorganically.Asaresult,thpaperistodesignasetofhardwaresystemwhichisscomplete,multiused,convenientinoperatimicrocontrollertechnology,motorrelevantcoursesmoredeKeywords:SCM;steppingmotor;H-bri 11.1國內(nèi)外的研究情況 11.2步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計的意義 1.2.1基于單片機的步進電機控制系統(tǒng) 11.3本論文研究的主用工作和安排 22步進電機的概況 22.1步進電機的特點 22.2步進電機的類型 32.3六線四相混合式步進電機 33步進電機控制系統(tǒng)的概述 43.1步進電機控制系統(tǒng)簡介 43.2本系統(tǒng)簡介及特點 43.3本系統(tǒng)可實現(xiàn)功能 4系統(tǒng)硬件設(shè)計 54.1系統(tǒng)組成 54.2系統(tǒng)核心——AT89S52 64.2.1系統(tǒng)端口分配 64.3系統(tǒng)外圍電路設(shè)計 74.3.1顯示電路設(shè)計 74.3.2鍵盤電路設(shè)計 74.3.3復(fù)位電路 84.4驅(qū)動電路原理 85系統(tǒng)軟件設(shè)計 95.1系統(tǒng)軟件主流程 5.2端口定義 5.3各個模塊流程 5.4系統(tǒng)軟件運行仿真 6.1硬件制作 6.2程序燒入運行與調(diào)試 7總結(jié)與展望 7.1本項目取得成果 7.2研究展望 錯誤!未定義書簽。 1由于步進電機的各項突出優(yōu)點，使它成為了機電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵先生，廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)中。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機床發(fā)展需要的各種功勞。雖然與發(fā)達國家相比，我們我國的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已經(jīng)在我國占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，近年來由于微型計算機方面的快速發(fā)展，使步進電機的控制發(fā)生了革命性變化。優(yōu)點突出的步進電機被廣泛應(yīng)用在電子計算機的許多外圍設(shè)備中，例如打印機，紙帶輸送機構(gòu)，卡片閱讀機，主動輪驅(qū)動機構(gòu)和存儲器存通信和雷達設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。因而，對于步進電機控制的研究也就顯得尤為重要了。當(dāng)今工業(yè)控制的主流系統(tǒng)，是以微處理器為核心的控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)已經(jīng)取代了常規(guī)的模擬檢測、調(diào)節(jié)、顯示、記錄等儀器設(shè)備的系統(tǒng)，并且具有高度復(fù)雜的計算方法和處理方法，被控制對象的各種動態(tài)過程都能按照規(guī)定的方式和要求來運行。一般的步進電機控制器都會用硬件來實現(xiàn)，現(xiàn)在在電子市場上能賣到的一些脈沖分配器專用集而基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)就能很好地解決這些問題：采用單片機的軟件和硬件結(jié)合進行控制，運用其強大的可編程和運算功能，充分利用單片機的各種資源，能靈活的對步進電機進行路，使步進電機可在智能化程序控制下完成正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加減速及細分等各種操作。文中所設(shè)計的雙全橋驅(qū)動電路可使步進電機具有更高的性能，同時把數(shù)字電路與驅(qū)動電路隔離開，避免了步進電1.2.1基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進2電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)本方案有以下優(yōu)點：(1)單片機軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響；(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設(shè)定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性困；(3)單片機操作方便，交互性強，可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。并且這套系統(tǒng)能夠有機地把電子技術(shù)、單片2步進電機的概況步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(及步進角)。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。在電機控制領(lǐng)域，步進電機具有電機控制的獨特優(yōu)勢。這些電機通常用于測量和控制應(yīng)用。其應(yīng)用范圍包括噴墨打印機，數(shù)控機床和各類泵。步進電機所共有的這些特性使它非常適用于這些場1.無刷——步進電機是無刷的。換向器和電刷是那些常規(guī)電機最容易發(fā)生故障的組成部分，它2.負載無關(guān)——步進電機在負載不超過電機額定扭矩的情況下，無論負載多大都不影響電機的3.開環(huán)定位——步進電機的轉(zhuǎn)動是根據(jù)量化遞增或按照步數(shù)運行的。只要當(dāng)電機運行在它的扭5.優(yōu)秀的響應(yīng)啟動，停止和正反轉(zhuǎn)。3按結(jié)構(gòu)特點電磁式步進電機可分為反應(yīng)式步進電機(VR)、永磁式步進電機(PM)(1)反應(yīng)式步進電機(VariableReluctance,簡稱VR)反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應(yīng)(2)永磁式步進電機(PermanentMagnet,簡稱PM)永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式),但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電。(3)混合式步進電機(Hybrid,簡稱HB)混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點。混合式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機設(shè)計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組同時，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(dāng)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4四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。本設(shè)計所用3步進電機控制系統(tǒng)的概述步進電機控制系統(tǒng)是一個有機的完整的整體，由運動控制系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)組成。由操作系統(tǒng)完成把操作者的操作轉(zhuǎn)化為運動控制系統(tǒng)能接受的電信號，運動控制系統(tǒng)隨之作出反應(yīng)，完成規(guī)在步進電機控制系統(tǒng)中運動執(zhí)行部件為步進電機。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確進電機的運行要有一電子裝置進行驅(qū)動，這種裝置就是步進電機驅(qū)動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，加以放大以驅(qū)動步進電機。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號機)、步進電機。不同的控制方案，步進控制器、驅(qū)動器也有不同的類型。本設(shè)計采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動電路。通過軟件的控制，單片機按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)數(shù)字—角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動的速度與脈沖頻率整個系統(tǒng)以單片機為核心，設(shè)計出硬件系統(tǒng)。以其中的幾個口控制驅(qū)動電路，由于步進電機工作時，電機繞組內(nèi)的電流值一般都能達到數(shù)安培，而控制電機繞組內(nèi)電流變化的控制信號一般都是由邏輯電路產(chǎn)生的數(shù)字信號，電壓一般比較低，為了防止單片機或控制信號等受到后級模擬電路的干擾，通常在驅(qū)動電源的設(shè)計時都要設(shè)計電壓隔離接口，以便把數(shù)字信號和模擬信號隔離開。所以由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，和單片機端口連接，設(shè)置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、速度、停止等功能，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)53.可在運行時設(shè)置速度(10—100轉(zhuǎn)/分鐘);5.四位共陽數(shù)碼管顯示速度(單位為：轉(zhuǎn)/分鐘);4系統(tǒng)硬件設(shè)計平臺，各個功能的實現(xiàn)都是以硬件為基礎(chǔ)的，為了充分發(fā)揮單系統(tǒng)組成方框圖如圖4-1所示：四位共陽數(shù)碼管及運行電機驅(qū)動電路按鍵圖4-1系統(tǒng)框圖系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動電路。鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、開始、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服6cP0.45789系列，以及最近推出的AVR,ARM等，品種繁多，功能各異。但是就目前來說，51系列的單片機仍用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash,256字節(jié)RAM,32位I/0口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。4.2.1系統(tǒng)端口分配AT89S52單片機引腳結(jié)構(gòu)如下圖4-2所示：2.P1.4—P1.5正反轉(zhuǎn)方向指示LE74.3系統(tǒng)外圍電路設(shè)計4.3.1顯示電路設(shè)計為了減少硬件開支，簡化電路，便于理解，本設(shè)計采用的是動態(tài)掃描顯示技術(shù)，動態(tài)掃描顯示技術(shù)是利用人類視覺上的“視覺殘留”的原理來實現(xiàn)的。比如要在個位顯示數(shù)字“123”,則單片機零，則百位顯示“1”,延時后再關(guān)閉百位顯示個位。循環(huán)反復(fù)掃描，當(dāng)掃描率16Hz時，人眼看起來就沒有閃爍感是靜態(tài)的一組數(shù)碼了。4.3.2鍵盤電路設(shè)計8620pFP2.0820pF191開文s9圖4-4鍵盤電路系統(tǒng)設(shè)計了6個按鍵，鍵盤作為一個外部中斷源，分別設(shè)置了步進電機的啟/停、正/反轉(zhuǎn)、加/減速等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法調(diào)用中斷服務(wù)程序，在開始運行之前可以先設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)速，由四位數(shù)碼管顯示。4.3.3復(fù)位電路圖4-5復(fù)位電路本設(shè)計所采用的是簡單的手動按鈕復(fù)位電路，其基本功能是：在上電或復(fù)位過程中，控制CPU的復(fù)位狀態(tài)：這段時間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。手動按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時，則Vcc的+5V電平就會直接加到RST端。手動按鈕復(fù)位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。4.4驅(qū)動電路原理9圖4-6L298N驅(qū)動電路原理圖L298N是專用驅(qū)動集成電路，屬于H橋集成電路，與L293D的差別是其輸出電流增大，功率增強。其輸出電流為2A,最高電流4A,最高工作電壓50V,可以驅(qū)動感性負載，如大功率直流電機，L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動并可以實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。內(nèi)含二個H橋的高電壓大電中所示，12腳和6腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。L298N的邏輯功能如下表4-1所列。表4-1L298N的邏輯功能電機運行情況HHL正轉(zhuǎn)HHLH同IN2(IN4)同IN1(IN3)快速停止LXX5系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為系統(tǒng)初始化、按鍵、顯示處理及控制脈沖輸出幾部分，事實上每一部分都是緊密相關(guān)的，每個功能模塊對于整體設(shè)計都是非程序流程圖的設(shè)計遵循自上而下的原則，從主體遂逐步細分到每個模塊的流程。本程序主要由鍵盤程序、顯示程序、步進電機驅(qū)動程序三部份組成，主程序首先初始化各變量，將顯示器、指示燈消隱，步進電機驅(qū)動的各引腳均輸出高電平，便進入待機狀態(tài)，等待鍵入相應(yīng)操作。然后調(diào)用鍵||士反轉(zhuǎn)處理圖5-1主程序框圖sbitS3=P3^4;//正轉(zhuǎn)鍵5.3各個模塊流程開始根據(jù)設(shè)定的參數(shù)和運行模式進行步進電機控制脈沖輸出運行。程序中按照設(shè)定參數(shù)順序輸出控制脈沖是受定時器中斷控制的。如下圖5-2所示：√發(fā)送速度及轉(zhuǎn)向信返回3.按鍵流程：在此運行模塊中，在開啟定時器后，便進入速度檔位顯示和允許操作鍵盤掃描判開始開始文返回Keil是由美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，在功能上、鐘建鍵鍵鐘建鍵鍵EileEditYiewBrojetFlgshPebugFe10深要對畫數(shù)用深要對畫數(shù)用msignedcharcodeSEG?[30]-10xC0//D相//D相轉(zhuǎn)size:data-30.1xdata-0cod*HELLO“-0ErFDF(s),OWarning圖5-5運用Keil運行程序在軟件程序下載無誤，硬件仿真成功的情況下，開始進行實物制作，我在電子市場買來電子元件，在實驗室親自動手制作步進電機控制系統(tǒng)的實物，由于條件的不足，制作的時完全是由個人焊設(shè)計這塊內(nèi)容并不熟悉，所以在實物制作時使用的是實驗板，使用實驗板所導(dǎo)致的后果就是經(jīng)常在燈也能實現(xiàn)點亮，但是在經(jīng)過仔細檢測以后我發(fā)現(xiàn)了兩個問題：1.電機的實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值并不相符合；2.起初我所設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍是(10—100轉(zhuǎn)/分鐘)在使用加速按鈕進行加速的過程中，上限顯示能夠達到100轉(zhuǎn)，但是在減速按鍵按下進行減速時，下線并不能達到10轉(zhuǎn)；發(fā)現(xiàn)問題以后，我圖6-1硬件實物圖當(dāng)接入12V電源以后，數(shù)碼管顯示設(shè)置的最低速度10轉(zhuǎn)/分鐘，可以在此狀態(tài)下按加速或者減速按鈕來選擇自己所需要的速度，范圍為10—100轉(zhuǎn)/分鐘，選擇好速度以后，按下ON按鍵，步進轉(zhuǎn)的紅色指示燈就會點亮，系統(tǒng)可在運轉(zhuǎn)時利用加速和減速按鈕選擇所需速度，可以利用正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)按鈕來選擇步進電機轉(zhuǎn)向，復(fù)位按鈕則是對單片機進行復(fù)位作用，如果按下復(fù)位按鈕，步進電機將停止轉(zhuǎn)動，數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速將會變?yōu)槌跏贾?0轉(zhuǎn)/分鐘。在調(diào)試過程中如果出現(xiàn)問題，鍵盤、顯示、以及步進電機無法實現(xiàn)各種功7總結(jié)與展望7.1本項目取得成果成一個操作方便，交互性強的控制系統(tǒng)。而且整個系統(tǒng)所包含的技術(shù)幾乎包括了現(xiàn)在學(xué)校《機電傳時斷電相不產(chǎn)生負的轉(zhuǎn)矩分量，其能量被輸7.2研究展望本人深知自己所作的工作還很不夠，由于軟件和硬件的各方面原因，系統(tǒng)的應(yīng)用討論不夠，精度還有待進一步提高，由于時間的原因，設(shè)備的原因，試驗做的不全面，相關(guān)驗證性的數(shù)據(jù)、信息不夠豐富?？梢钥隙ǎS著技術(shù)的不斷發(fā)展，步進電機的控制應(yīng)用前景將越來越廣闊，而其控制系不斷吸取新的技術(shù)和方法，并將它們應(yīng)用到本課題的研究上來，進一步深化我們的研究深度，爭取[4]楊剛《電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐》,電子工業(yè)出版社2004-01.[5]馬忠梅，籍順心.單片機應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京航空航天大學(xué)出版社，[6]劉振棟.步進電機接口電路的設(shè)計.1999年第9期電測與儀表.[7]馬忠梅，等.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(第3版).北京航空航天大學(xué)出版社.[8]李廣弟，朱月秀，王秀山.單片機基礎(chǔ)(修訂本).北京航空航天大學(xué)出版社.[9]何福慶，曹養(yǎng)書，羅小兵.可預(yù)置步進電機驅(qū)動器.成都大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,21(1):[10]RestonCondit,MicrochipTechnologyInc.Dr.DouglasW.JonesSteppingMotorsFundamentalsr(DS00907A2004MiJointAutomaticControlConf.,v附錄1:系統(tǒng)主體原理圖附錄附錄2:系統(tǒng)程序清單/*兩相四線制步進電機晶振12mhz*#include"intrins.h"http://#defineucharunsignedchar//無符號字符(8位)#defineuintunsignedint//無符號整數(shù)(16位)unsignedcharcodeSEG7[10]={0xCO,OxA4,OxBA,Ox99,0x92,0x82,0xC8,OxF9,0x80,0×90};管0~9的字形碼S1=P3^2;//開鍵S2=P3^3;//關(guān)鍵S5=P3^6;//加速鍵S6=P3^7;//減速鍵voidkey_K1(void);//啟動變量定義voidkey_K2(void)voidkey_K3(void);//正轉(zhuǎn)變量定義voidkey_K4(void);/voidkey_K6(void);ucharcnt_Z;//步進電機旋轉(zhuǎn)計數(shù)器變量定義ucharcnt_F;//步進電機旋轉(zhuǎn)計數(shù)器變量定義uintdedaM;//