基于单片机的步进电机控制.doc

基于单片机的步进电机控制(软件)摘要 步进电机由于用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。 本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用汇编语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2004以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管现实出来。本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题方法。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。关键词：步进电机；脉宽调制；驱动机构；单片机；转动Based on the stepping motor control of SCM(software)AbstractThe open-loop system which is composed by step-motor is simple,cheap and very practical,so there are very wide range of applications in printers and other office automation equipment and various control devices,and many other fields.This article describes one design of step-motor system based on control of SCM.The program of the preparation of a motor、reverse、speed up、slow down,stop is written by compile language.The above functions are realized through the control of SCM,motor driver chip ULN2004 and correspond key, and the work state of stepper motor is disapply through the light-emitting diode.This article introduces the principle of stepper-motor and single-chip control of SCM,the system hardware circuit,the program components,while software and hardware for the debugging,at the same time introduces the problems which are appeared in the debugging process and the solutions of the problem.The design has the advantages of clear、high reliability、strong stability、etc.the above-mentioned functions are realized through the debugging. Key Words: Stepper motor; Pulse-width modulated; Driving mechanism; Single chip; rotation 目录序言5第一章 绪论6 1.1 课题研究的目的和意义6 1.2 国内外的研究概况6 1.3 论文的主要研究内容6第二章 步进电机与单片机简介7 2.1 步进电机概述7 2.2 单片机原理概述8第三章 系统硬件整体结构9 3.1 系统整图9第四章 系统软件设计11 4.1 系统开发软硬件环境11 4.2 系统主程序11 4.3 查键部分16 4.4 前进部分17 4.5 后退部分18 4.6 加速部分19 4.7 减速部分20第五章 系统的调试与检测22 5.1 程序编译时的错误与解决方法22 5.2 LM7812输出电压错误与解决方法22 5.3步进电机转动错误及解决方法22结 论23附 录24 附录1：源程序清单24参考文献28致 谢29序言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。它是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。本次毕业设计选用的步进电机是四相步进电机，通过软件和硬件的结合实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速功能，并且步进电机所处的状态用相应的发光二极管显示。主要通过三大块来设计，包括驱动电路的设计、状态显示部分和按键部分是设计。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而精确地控制转动角度；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的角度和加速度，从而达到调速的目的。本次论文分为五章，序言简要介绍了此次设计中有关步进电机及其启动器的相关概念。第一章是绪论，主要探讨了步进电机的研究背景和本论文的主要研究内容；第二章步进电机与单片机的原理；第三章系统整体硬件结构；第四章系统软件设计；第五章系统的调试与检测；最后是附录、参考文献和致谢。通过这几章的内容描述，详细介绍了本次毕业设计的内容、方法、以及设计中遇到的问题和解决问题的途径。第一章 绪论1.1 课题研究的目的和意义步进电机是用电脉冲信号控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率开实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。1.2 国内外研究概况我国数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电机系统，为了适应一些领域中高度精度定位和运行平稳的要求，我国改革开放初期研究步进电机细分驱动技术，细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动。另外还有基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现pc机与步进电机控制之间的数据通信，最终实现由pc机直接控制步进电机的方法。国外对步进电机的研究一直很活跃。目前，国外对步进电机的控制和驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小驱动器的体积，明显提高了整机的性能。比较典型的芯片有两类：一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减速过程，同时完成计长走步、正反转等。对于开环使用的步进电机，实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率而不失步活过冲。例如日本的ppmc101b便是这种芯片。采用这类专用集成电路可驱动3-5相电路，可选择励磁方式，转速精确，设定的转速范围宽、加减速的过渡时间及上升陡度可根据负载选定，此外还有单步运转和不同的停止方式。1.3 论文的主要研究内容 本论文所选的步进电机是四相步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本次设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速的级别。另外通过单片机实现它的正反转，步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。第二章 步进电机与单片机简介2.1 步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常简单。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速 与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电机能直接接收数字量的输入，所以特别适合微机控制。本次毕业设计采用的是步距角1.8度的四相八拍永磁式步进电机。步进电机的基本参数;（1） 步进电机的静态指标术语 1、 相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 2、 拍数;完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示， 指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 3、 步距角：对应一个脉冲信号，电子转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数*运行拍数）,以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/(50*4)=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/(50*8)=0.9度（俗称半步）。 4、 定位转矩：电机在不通电状态下，电子转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。 5、 静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，。这样会造成电机的发热及机械噪音。（2） 步进电机动态指标级术语 1、 步距角精度;步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示;误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。 2、 失步：电机运转是运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 3、 失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决问题的。 4、 最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加载负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 5、最大空载的运行频率：电机子啊某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 6、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测的运行中运输力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。 7、 电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振去一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 8、电机正反转控制：当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转。2.2 单片机原理概述单片机是把微型计算机主要部分都集成一块芯片上的单芯片微型计算机。图2-1中表示单片机的典型结构图。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内饿信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机的工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。 图2-135第三章 系统硬件整体结构3.1 系统整图系统整图如图3-1所示，本系统采用外部中断方式，p0口作为信号的输入部分，p1口为发光二极管显示部分，p2口作为电机的驱动部分。图3-1 系统整图系统电路由电源电路、复位电路、位置检测电路、晶振、步进电机、按键电路、驱动电路、单片机、显示电路组成。由AT89C51单片机送出时钟脉冲和方向电平到环形分配器PPM8713，PPM8713是专用的步进电机的步进脉冲产生芯片，它适用于三相和四相步进电机。环形分配器输出三相脉冲信号经一级光电隔离器与步进电机工作强点隔离，提高了系统抗干扰能力。使用功率放大器来提供步进电机的工作电流，将光电隔离器传送的弱点信号变为强点信号送往步进电机，步进电机能够正常运行。用按键设定步进电机的启停、转速、转向，改变转速、转向都可以在动态运行中进行，转速数值及转向都在LED数码管中动态显示。单片机利用外部中断来检测光耦中断口和键盘/显示器接口芯片8279中断口。系统框图如下。步进电机控制系统的组成如图所示： 控制系统图 步进电机控制程序设计的主要问题有三个： 第一、控制脉冲产生；第二、步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系；第三、步数的确定。 作为单片机控制步进电机的程序的构成也是主要由这几个问题，因此可以从这三个问题入手： （1）控制脉冲的产生 在单片机控制步进电机时，一般来讲，控制是用软件产生的。方法是先输出一个高电平，然后延时，再输出低电平，再进行延时。延时时间的长短由步进电机的工作频率决定。（2）步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系产生时序脉冲的方法是: 1 单片机的IO端口，分别控制三相步进电机的A, B, C三相绕组; 2 控制模式写出控制模型;2 制模型的顺序向步进电机输入控制脉冲。（3）步数的确定步进电机运行的步数可由步距角和需要转过的角度来计算: 式中：步距角; 转子齿数; 拍数(一般三拍时=或六拍时=2 ); 控制绕组相数，=3第四章 系统软件设计4.1 系统开发软硬件环境与其它的微处理器一样，开发步进电机驱动系统控制程序也需要一套完整的软件和硬件开发工具。近年来，随着以51单片机为内核的单片机的不断发展和普及，国外的一些公司纷纷推出了以51单片机为基础的集成开发环境。本次毕业设计选用的单片机是AT89C51。4.2 系统主程序系统分为电机正转、电机反转、电机加速与电机减速的几部分组成，其主程序框图如图4-1所示 。 图4-1 主程序图1、直流电机驱动程序#include sbit KEY0=P30; /控制按键，为高电平时，直流电机工作。为0时启动步进电机；sbit KEY1 = P32; /控制直流电机调速按键sbit KEY2 = P33; /控制步进电机正反转、停机按键sbit PWM = P15; /定义直流电机PWM输出调速端口unsigned char CYCLE; /定义周期 该数字X基准定时时间 如果是10 则周期是10 x 0.1msunsigned char PWM_Num=0;/直流电机速度档位；unsigned char PWM_ON ;/定义高电平时间unsigned char Flag;/定义步进电机正反转和停止标志位unsigned char code F_Rotation4=0x1f,0x2f,0x4f,0x8f; /步进电机正转表格unsigned char code B_Rotation4=0x8f,0x4f,0x2f,0x1f; /步进电机反转表格/*/* 延时函数 */*/void Delay(unsigned int i)/延时 while(-i);/*/* 主函数 */*/main() unsigned char i; EX0=1; /外部中断0开，控制直流电机 EX1=1; /外部中断1开，控制步进电机 IT0=1; /边沿触发 IT1=1; /边沿触发 EA=1; /全局中断开 P0=0x06;/开机显示直流电机1档位TMOD|=0x01;/定时器设置 1ms in 12M crystalTH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%256;/定时1mS ET0=1; /打开中断TR0=1; CYCLE = 10;/ 时间可以调整 这个是10步调整 周期10ms，PWM的周期不变，8位PWM就是256步while(KEY0=1) /P3.0为高电平，则直流电机运转； switch(PWM_Num) case 0:P0=0x06;PWM_ON=0;break;/高电平时长，P0口段码为1； case 1:P0=0x5B;PWM_ON=4;break;/P0口段码为2； case 2:P0=0x4F;PWM_ON=6;break;/P0口段码为3 case 3:P0=0x66;PWM_ON=8;break; /P0口段码为4 case 4:P0=0x6D;PWM_ON=10;break; /P0口段码为停机S default:break; while(KEY0=0) /KEY0按下，则步进电机工作。 while(Flag=0) P0=0x71;/显示 F 标示正转 for(i=0;i4;i+) /4相 P2=F_Rotationi; /输出对应的相 可以自行换成反转表格 Delay(500); /改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 while(Flag=1) P0=0x7C;/显示 b 标示反转 for(i=0;i4;i+) /4相 P2=B_Rotationi; /输出对应的相 Delay(500); /改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 while(Flag=2) /停止 P0=0x6D;/ 显示 S P2=0x0F; /*/* 定时器中断函数，产生PWM波。 */*/ void tim(void) interrupt 1 using 1static unsigned char count; /TH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%256;/定时1mS if (count=PWM_ON) PWM = 1; count+;if(count = CYCLE) count=0;if(PWM_ON!=0) PWM = 0; /*/* 中断0入口函数 ，控制直流电机转速 */*/ void ISR_Key1(void) interrupt 0 using 1/定义档位 Delay(500); if(!KEY1) PWM_Num+; /s3按下触发一次 if(PWM_Num=5) PWM_Num=0; /*/* 中断入口函数，控制步进正反转、停机 */*/void ISR_Key2(void) interrupt 2 using 1 Delay(500); if(!KEY2) Flag+; /s3按下触发一次 if(Flag=3) Flag=0; 2、步进电机驱动程序#include unsigned char Flag;/定义正反转和停止标志位sbit KEY = P33;unsigned char code F_Rotation4=0xf1,0xf2,0xf4,0xf8; /正转表格unsigned char code B_Rotation4=0xf8,0xf4,0xf2,0xf1; /反转表格/*/* 延时函数 */*/void Delay(unsigned int i)/延时 while(-i);/*/* 主函数 */*/main() unsigned char i; EX1=1; /外部中断0开 IT1=1; /边沿触发 EA=1; /全局中断开 while(Flag=0) P0=0x71;/显示 F 标示正转 for(i=0;i4;i+) /4相 P1=F_Rotationi; /输出对应的相 可以自行换成反转表格 Delay(500); /改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 while(Flag=1) P0=0x7C;/显示 b 标示反转 for(i=0;i4;i+) /4相 P1=B_Rotationi; /输出对应的相 Delay(500); /改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 while(Flag=2) /停止 P0=0x6D;/ 显示 S P1=0; /*/* 中断入口函数 */*/void ISR_Key(void) interrupt 2 using 1 Delay(500); if(!KEY) Flag+; /s3按下触发一次 if(Flag=3) Flag=0; 4.3 查键部分查键程序用于判断p0.0口与p0.1口的值，当p0.0口为0时，电机正转，当p0.0口为1时，继续判断p0.1口的值，p0.1口为0时，电机反转。如图4-2所示。图4-2 查键部分流程图4.4 前进部分系统初始化之后，前进子程序R0用于给P2口送不同的值，根据电机转动的相序，使电机正向转动，P2口的值分别为01H，03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H。流程图如图4-3所示。图4-3 前进部分流程图4.5 后退部分电机反转原理与正转相似，此时P2口的值分别为09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,01H。流程图如图4-4所示。图4-4 后退部分流程图4.6 加速部分 当电机正转或反转的时候，按下加速键，调用加速子程序，使电机每转动一步的延时时间变短，从而实现电机的加速。流程图如图4-5所示。图4-5 加速部分流程图4.7 减速部分 电机正转或反转的时候，按下减速键，通过改变电机每转动一步的延时时间，使时间变长，从而实现电机减速。流程图如图4-6。图4-6 减速部分流程图第五章 系统的调试与检测5.1 程序编译时的错误与解决方法把编好的程序（包括正反转程序、停止程序、显示程序等）合理安排好结合到一起进行编译。由于编译只能检查是否存在语法错误，所以还要看是否存在逻辑错误。程序修改好以后，当显示编译0错误，0警告的时候，这说明已经没有语法错误了，是否有逻辑错误还要看接上电路板通过仿真以后，步进电机能否正常转动，显示是否正常。5.2 LM7812输出电压错误与解决方法电路的工作离不开电源，所以电源是必不可少的。电源采用的是利用变压器将220V的电压转换为12V的电压，再利用桥堆整流使交流变成直流电，最后分别利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的电压。电路板焊接好以后，首先要检查一下电路设计是否合理、元器件焊接是否正确，焊接好以后需要仔细检查。用万用表分别检测从7812和7805第三个端口出来的是否是12V和5V，结果发现7805两端电压正常，7812两端电压非常不稳定。用用万用表仔细检查了每根线，发现了原因，电路板存在虚焊现象。再次将电路板焊好，检查好以后，用万用表检测两端输出电压，结果正确，电源准备工作完毕。5.3 步进电机转动错误及解决方法步进电机一开始不能正常转动，以为是电路焊接有问题，为了防止再次出现虚焊，首先将电路板用万用表检查了一遍，没问题。程序也是正确的。后来仔细看了步进电机工作原理，原来步进电机要正常实现正反转，四个相序必须弄清楚。把电机接上电源，用高电平分别接触电机的引线，每接触一下电机就会向前或向后转动一下，经过几次试验，终于搞清了电机的四个相序，排列顺序分别是1-A，2-C，3-B，4-D。弄清了相序，把电路板重新布线，焊接好，结果电机能够正常转动了。结论 本次毕业设计能够实现步进电机的启停、正反转以及速度的调节，通过本次毕业设计加强了我对软件编程和硬件设计的掌握，并且熟悉了ULN2004、74IS11等芯片。步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移等发生器等，所以说步进电机有着广阔的市场和远大的发展前景。附录附录1：源程序清单QIAN EQU 40HHOU EQU 41HJIA EQU 42HJIAN EQU 43HTING EQU 44HORG 000HLJMP MAINORG 003HLJMP DUAN / 外部中断0ORG 0030HMAIN: / 初始化 MOV R0, #OFH MOV 10H, #01H MOV 11H, #03H MOV 12H, #02H MOV 13H, #06H MOV 14H, #04H MOV 15H, #0CH MOV 16H, #08H MOV 17H, #09H MOV 20H, #50 MOV 21H, #40 MOV 22H, #30 MOV 23H, #20 MOV 24H, #10 MOV 25H, #5 MOV R1, #20H MOV IE, #10000001B CLR QIAN CLR HOU CLR JIA CLR JIAN CLR TING MOV A, R1 MOV R2, A SETB IT0 /边沿触发形式LOOP1:JNB QIAN, LOOP2 ACALL FRONT1LOOP2:JNB HOU, LOOP1 ACALL BAACK1DUAN:MOV A, PO CPL A ANL A, #1FH /去高三位，使按下去的一位为1 CJNE A, #00H, CHA AJMP DUANCHA:ACALL DELAY10MSMOV A, POCPL AANL A, #1FHJZ DIAN /为零转移ACALL ZHAORETIZHAO:MOV A, PO JNB ACC.0, FRONT JNB ACC.1, BACK JNB ACC.2, FAST JNB ACC.3, SLOW JNB ACC.4, STOPFRONT:SETB QIAN RETBACK:SETB JIA RETFAST:SETB JIA RETSLOW:SETB TING RETSTOP:SETB TING RETFRONT1:CLR QIAN CLR HOU CLR JIA CLR JIAN CLR TING INC RO /前进子程序R0用于给P2口送不同的值 MOV P2, R0 MOV A, R1 MOV R2, A /R2用于延时不同的时间 ACALL DELAYCJNE RO, #17H, XIA MOV RO, #10HXIA:JB QIAN, HUI /回主程序/XIA子程序用于过度JB HOU, HUIJB TING, HUIJNB JIA, XIA1ACALL JIA1XIA1:JNB JIAN, XIA2 /XIA子程序用于过度 ACALL JIAN1 JB TING, HUIXIA2:AJMP FRONT1HUI:RET /返回主程序JIA1:CJNE R1, #25H, XIA3 /加速 RETXIA3:INC R1 RETBACK1:CLR QIAN /后退 CLR HOU CLR JIA CLR JIAN CLR TING CJNE R0, #0FH, XIA8 MOV R0, #17HXIA8:DEC RO MOV P2, RO