步进电机控制器设计

单片机原理课程设计 题 目步进电机控制器设计学 院物联网专 业自动化姓 名学 号综合得分2011年 6月目录摘要3一、涉及内容介绍41.1 步进电机工作原理41.2 设计目的51.3 设计要求61.4 仪器设备6二、设计思路及相关内容62.1 设计思路62.2 总体设计框图及电路原理图72.3 单片机及其最小系统82.4 按键电路82.5 步进电机状态显示电路92.6 步进电机驱动电路9三、程序设计113.1 程序设计思路113.2 程序设计流程图113.3 主程序设计12四、总结15五、参考文献16摘要：随着现代科学技术的迅猛发展，尤其是微型计算机的出现，给电机控制带来了革命性的变革。作为电机家族的重要组成部分，步进电机从一出现就得到了广泛的应用。由于步进电机能直接接受数字信号，所以特别适宜采用微机进行控制。本文以“数控机床工作台的直线位移量控制” 为应用背景，提出了一套可行的利用步进电机控制工作台精确位移的控制方案。在常见的数控机床中X-Y工作台是非常重要的组成部分，如图1所示图1 X-Y工作台及内部结构本文只以工作台在X轴方向的直线位移量控制为研究对象。Y轴方向可以采取相同的控制方案。步进电机通过丝杠将旋转运动变换为工作台的直线运动，从而实现工作台的位置控制。根据使用步进电机的情况，可采用齿轮减速，亦可直接驱动。本文采取直接驱动的方式，步进电机带动滚珠丝杠进而带动工作台位移。工作台在X轴方向的最大行程定为300mm，定位精度为Q=0.01mm,滚珠丝杠的螺距为t=2mm,则可得到步进电机每转当量数(步进数)为N=t/Q=200,则步进电机的步距角为=360/N=1.8所以选择步距角为1.8的混合式步进电机，利用了混合式步进电机输出力矩大，动态性能好的特点。对于步进电机采取“最佳点位控制”的方案，由上位机发出控制命令，通过串行通讯(RS-232总线)发送给AT89S51单片机，后者根据期望的工作台位移量采取对应的控制策略，保证工作台的精确定位。每次运行完毕后，AT89S51单片机都向上位机发送相应的状态标志字符，以使操作人员随时能够了解工作台目前的状态，为下一步动作做好准备。在工作台移动过程中，随时可以通过上位机控制步进电机锁定，以防止误操作。工作台的移动速度，采用单片机内部定时器记数的方式设定。单片机的软件系统加入了越限检测程序，可以在步进电机开始运行之前就完成越限检查。同时，系统加入了LED数码管，适时显示工作台的剩余位移量。一、涉及内容介绍1.1步进电机工作原理步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.1所示：（a） （b） （c）图2.1 步进电机的工作方式时序图步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生,其基本原理作用如下:(1)控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。(2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。(3)控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。1.2设计目的通过具体小型测试系统设计，时间单片机系统设计及调试的全过程，以加深对单片机内部结构、功能和指令系统的理解，并进一步学习单片机开发系统的应用及一些外围芯片的借口和编程方法，初步掌握单片机系统的硬、软件设计技术的调试技巧。1.3设计要求利用DP-51PRO.NET仿真器和设计模块设计步进电机转速控制器。利用单片机来控制步进电机的转速、正传和反转，通过改变相序来实现正传和反转之间的转变，并且可以通过显示步数的改变进一步调节步进电机的转速，使步进电机具有运行步设置，在线正反转以及启停控制，运行速度在线可调功能。1.4仪器设备（1） IN4003、BUTTIN ：二极管、按钮；（2） 7SEG-MPX4-CA、RESPACK-8、89C51、四位一体共阳极数码管、排阻、单片机（AT89C51）；（3） RES、CAP、CAP-ELEC、AND-4、CRYSTAL：电阻、电容、电解电容、4输入与门、晶振；（4） MOTOR-BISTEPPEA、L298：步进直流电机、电机驱动模块、二、设计思路及相关内容2.1设计思路本系统主要由按键电路、单片机最小系统、AT89S51单片机、步进电机状态显示电路、驱动电路以及步进电机等几部分组成。本系统采用四个独立按键，分别进行启动、停止、正反转以及加减速的控制。驱动电路采用分离元件组成，采用光耦进行信号隔离，利用三极管的开关作用实现步进电机的驱动。步进电机的供电采用独立12V供电。显示电路采用两个发光二极管和一个数码管，一个显示步进电机的启停控制、一个显示步进电机的正反转的状态。数码管用于显示步进电机速度的快慢。2.2总体设计框图及电路原理图总体设计框图如图3.1所示。图3.1 总体设计框图 电路原理图如图3.1.1所示。 图3.1.1 电路原理图2.3单片机及其最小系统51单片机是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4K字节的ROM,4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器。89S51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，且支持在线编程，完全满足本系统设计需要。单片机最小系统包括振荡电路和复位电路两部分。振荡电路用12M晶振，这样一个机器周期 。复位电路采用手动复位，当按下RESET按键，电阻R1、R2接通5V电源，此时R2分得电压大约为4V,为高电平，即置单片机RST脚为高电平，单片机复位。2.4按键电路采用4个按键用来控制步进电机的6种状态，即“正转”、“反转”、“加速”、“减速”、“启动”和“停止”。当按下其中一个按键时，电源通过上拉电阻和按键到地形成通路，使相应输入管脚接地，即给单片机送入一个低电平，此低电平即为有效电平。按键电路如图3.2所示。图3.2 按键电路 2.5步进电机状态显示电路状态指示采用2种颜色的发光二极管，“绿色”、“红色”分别表示步进电机的“正转”、“反转”、“停止”和“启动”状态。限流电阻选择220的电阻。采用一个数码管用来显示步进电机的档数，即显示步进电机速度的快慢。2.6步进电机驱动电路步进电机的驱动电路如图3.3所示，驱动电路采用光耦进行电气隔离和信号传输。采用三极管进行驱动，图中二极管起保护作用。图3.3 步进电机的驱动电路16三、程序设计 3.1程序设计思路根据单片机外围电路的设计，单片机的P10、P11、P12、P13为按键输入。P01、P04、P05、P06为输出。P2为数码管显示。P32、P34为LED输出显示。51单片机采用T0进行定时扫描键盘子程序，主程序根据键盘扫描的结果进行相应的操作。步进电机的正反转利用给步进电机送入与原来相反的脉冲即可，步进电机的加减速控制是主要控制步进电机送脉冲的时间。3.2程序设计流程图程序流程图如图4.1所示图4.1 程序流程图3.3主程序设计汇编语言：BA EQU P1.3BB EQU P1.2BC EQU P1.1BD EQU P1.0ORG 0000HLJMP MAINORG 0100HMAIN:ACALL DELAYSMRUN:JB P0.2, NEXT1 NEXT: MOV P1,#01HACALL DELAYMOV P1,#03HACALL DELAYMOV P1,#02HACALL DELAYMOV P1,#06HACALL DELAYMOV P1,#04HACALL DELAYMOV P1,#0CHACALL DELAYMOV P1,#08HACALL DELAYMOV P1,#09HACALL DELAY SJMP SMRUN NEXT1: JB P0.3,NEXT MOV P1,#09HACALL DELAYMOV P1,#08HACALL DELAYMOV P1,#0CHACALL DELAYMOV P1,#04HACALL DELAYMOV P1,#06HACALL DELAYMOV P1,#02HACALL DELAYMOV P1,#03HACALL DELAYMOV P1,#01HACALL DELAY SJMP SMRUN DELAY: MOV R4,#10H JB P0.0,SPEEDUP JB P0.1,SLOW ACALL DELAY0SLOW: MOV R5,#100H DJNZ R5,$ DJNZ R4,SLOWDELAY0: MOV R6,#300 DJNZ R6,$ DJNZ R4,DELAY0SPEEDUP: MOV R7,#10H DJNZ R7,$ DJNZ R4,SPEEDUPRET;END四、总结通过这次的单片机步进电机的设计实验，我了解并掌握了单片机实验的运用，设计出了步进电机的正反转以及调速电路。在这个过程中，我们真正的感到了设计带给我们的快乐，从发现问题到认真思考再到最终解决问题，这个过程也是我们进步提高的过程。而在程序设计阶段，也是出现错误最多的阶段，方老师给予了我们很多帮助，从语法错误到设计思想上的偏差，老师都给我一一指正，耐心指导，让我们体会到了程序设计的严谨性和强逻辑性，使我受益匪浅。课程设计是一门专业课，他是我对抽象的理论有了具体的认识，通过这次的课程设计。我初步掌握了单片机的硬件、软件设计技术及调试，收获颇丰。五、参考文献1丁元杰著.单片微机原理及应用M.机械工业出版社，2010年1月2朱承高.电工及电子技术手册M.北京：高等教育出版社，19903阎石.数字电子技术基础M（第三版）. 北京：高等教育出版社，19895 李广弟编著.单片机应用程序设计基础M.北京：北京航空航天大学出版社，1994年6月