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基于单片机实现的四相步进电机控制器设计.doc

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基于单片机实现的四相步进电机控制器设计.doc

四相步进电机控制器第1页共52页基于单片机实现的四相步进电机控制器设计指导老师王彦作者摘要本设计采用ATMEL公司DIP40封装的AT89S52单片机实现对四相步进电机的手动和遥控控制。由单片机产生的脉冲信号经过脉冲分配后分解出对应的四相脉冲,分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。转速的调节和状态的改变由按键进行选择。通过键盘扫描把选择的信息反馈给单片机,单片机根据反馈信息做出相应的判断并改变输出脉冲的频率或转动状态信号。电机转动的不同状态由LED数码管显示。红外信号的发射由另一块单片机和红外线LED完成,用红外万能接收头接收红外信号,可以实现对电机的控制进行红外遥控。关键字四相步进电机单片机功率放大红外遥控ControllerforfourphasestepmotorAbstractThedesignadoptstwomicroprocessorDIP40encapsulation,AT89S52ofATMELcompanytocontrolfourphasestepmotor.Afteradmeasuredit,thepulsegeneratedbymicroprocessorbecometherelevantfourphasepulse.Thesepulses,whicharemagnifiedbydrivingcircuit,areusedtodrivethefourphasestepmotor.Regulatingrotatespeedandchangingestateareusedsomekeys.Passscanningthekeyboardtofeedsinglebacktomicroprocessor.Themicroprocessormakesthejudgmentandchangethepulsefrequentaccordingtothefeedbackinformation.LEDshowdifferentrunningestate.TheinfraredsingleisemittedbyanothermicroprocessorandinfraredrayLED,usinginfraredinceptmoduletoaccepttheinfraredsignal.Systemcancontrolmotorwithinfraredtelecontrol.Keywordfourphasestepmotormicroprocessorpowermagnifyinfraredtelecontrol四相步进电机控制器第2页共52页目录前言..........................................................................................................................................31.系统设计................................................................................................................................31.1功能介绍.......................................................................................................................31.2总体设计方案.................................................................................................................31.2.1总体设计思路........................................................................................................31.2.2方案论证与比较...................................................................................................................31.3电机的参数.....................................................................................................................71.4系统组成.........................................................................................................................72.单元电路设计......................................................................................................................82.1功率放大驱动电路方案设计.........................................................................................82.2显示电路方案设计.........................................................................................................92.3单片机电源电路设计.....................................................................................................92.4红外发射电路设计.......................................................................................................103.软件设计..............................................................................................................................103.1编程语言......................................................................................................................103.2软件实现方法..............................................................................................................103.2.1双四拍正转..........................................................................................................................113.2.2双四拍反转..........................................................................................................................113.2.3单双八拍正转......................................................................................................................113.2.4单双B八拍反转.................................................................................................................113.3程序流程图如下所示..........................................................................................123.4三相步进电机程序清单..............................................................................................154.结束语..................................................................................................................................15附录1.....................................................................................................................................16附录2.....................................................................................................................................17四相步进电机控制器第3页共52页前言一般,电动机都是连续旋转,而步进电动机却是一步一步转动的,故称为步进电动机。每输入一个脉冲信号,该电动机就转过一定的角度(有的步进电动机可以直接输出线位移,称为直线电动机)。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移(或直线位移)的执行元件。它有两个工作其一是传递转矩,其二是传递信息。步进电动机的转子为多极分布,定子上嵌有多相星形连接的控制绕组,由专门电源输入电脉冲信号,每输入一个脉冲信号,步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号,输出的角位移是断续的,所以又称为脉冲电动机。随着数字控制系统的发展,步进电动机的应用将逐渐扩大。步进电动机的种类很多,按励磁方式可分为反应式、永磁式和感应子式按相数分则可分为单相、两相和多相三种。这里使用的是反应式四相步进电机,它的工作方式有单四拍正转,单四拍反转,双四拍正转,双四拍反转,单双八拍正转,单双八拍反转六种。针对这些状态,设计的控制器能很好地实现状态的转换及转速的改变。1.系统设计1.1功能介绍一、基本功能(1)步进电机能够在双四拍和单双八拍两种工作方式间切换。(2)能够实现步进电机单步和连续运行。(3)能实现步进电机正\反转及速度变换。(4)显示工作状态二、扩展功能红外线遥控实现电机的各种状态之间的启动和转换1.2总体设计方案1.2.1总体设计思路用于控制的电机是MITSUMI公司生产的M35SP7T型四相反应式步进电机。为满足手动和红外遥控相互独立,采用两块AT89S52单片机分别控制手动模块和红外遥控模块。手动模块完成所有基本功能以及红外接收,遥控模块用来发射红外遥控信号。1.2.2方案论证与比较1.控制部分的设计方案论证与选择方案一、用逻辑电路实现。用NE555定时器芯片产生脉冲,用74HC74组成的电路实现脉冲的分配。用组合和时序电路实现频率的调节。整个电路要用到的分立元件太多,电路联接复杂,而且抗干扰能力不强,稳定性和精确度不高。方案二、用单片机实现。由于单片机集成了运算器电路、控制电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等,所以用单片机设计控制电路省去了很多分立元器四相步进电机控制器第4页共52页件。对于脉冲的产生及分配,频率的调节,转速及状态的改变都可以由单片机实现,不必再分别用分立元器件实现。由于单片机的可编程特性,应用单片机程序对四相步进电机进行控制,不仅功能易于实现,而且精确度高,稳定性好,抗干扰能力强。方案三、用FPGA实现。众所周知,FPGA做控制核心,外围电路简单,整体性能好,有更好的稳定性,更高的精度,更强的抗干扰能力。但是其价格昂贵,用于本设计的电机控制性价比不高。综上所述,选择方案二。利用单片机实现主要控制,按键进行选择。2.功率驱动电路的设计方案论证与选择单片机端口输出的电流只有几个毫安,不能直接驱动步进电机。为了给步进电机提供足够的电流,必须设计驱动电路。考虑到本次驱动的电机所带负载和功率不大,对电源的要求也不是太高,故采用单一电压型电源供电。由于绕组是感性的,功率放大器必须设计得能保护晶体管不受电感在接通和断开瞬间时的尖峰信号的冲击。同时,为了使绕组在断电时能够加快电流的衰减,以免断开的相绕组中的衰减电流对电动机起制动效应,还必须为放大电路设计抑制电路或是泄放回路。这里对抑制电路有三种方案如下方案一二极管抑制电路二极管抑制电路如图1.2.1所示。当绕组通电时,二极管承受反向电压,不导通。当三极管转变为截止状态或是绕组断电时,绕组将产生一个与原来承受的电压极性相反的感应电势,使二极管导通,形成绕组L和二极管构成的回路。假设绕组电阻为R,则回路中电流的衰减时间常数为TL/R。由于R一般较小,因而T一般较大,只适用于步进电机低速运行。图1.2.1二极管抑制电路图1.2.2二极管电阻抑制电路方案二二极管电阻抑制电路二极管电阻抑制电路如图1.2.2所示。在这个抑制电路中,增加了一个与二极管串联的电阻RS,当绕组断电时泄放回路的时间常数为TL/(RRS),这就加快了断电绕组中电流的衰减,减小了泄放回路时间常数。但由于RS的存在,使三极管在绕组断电时承受较大的反向电压。方案三稳压二极管抑制电路这种电路是用一个稳压二极管代替串联电阻,其电路如图1.2.3所示。当绕组断电时,由于稳压管的稳压特性,给三极管的反向电压也不会太大,泄放回路电流衰减得更快。当断电相绕组的感应电势升高到使稳压二极管击穿并导通时,断电相绕组中的储能以热能形式在稳压二极管内消散。

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