步进电机的控制.doc

广西工学院单片机 课程设计 说明书设计题目 步进电机的控制 系别 电子信息与控制工程系 专业班级 自动化071班 姓名 * 学号 *摘要介绍了步进电机及其驱动程序控制控制模块，通过AT89S52单片机产生脉冲完成步进电机各种运行方式的控制，实现步进电机的正反转及速度控制。整个系统设计,结构简单、通过按键控制，操作方便，节省成本。关键词：步进电机；单片机控制；脉冲；正反转；控制字Stepper Motor ControlAbstract Describes the control of stepper motor control module and its driver, the pulse is generated by AT89S52 MCU operation mode to complete a variety of stepper motor control, reversing the stepping motor and speed control. The entire system design, simple structure, through the control buttons, easy to operate and cost savings.Key words Stepper motor; SCM control; pulse; reversing; control word目 录 第一章 绪论 1 11步进电机及其发展应用112设计要求1第二章 方案论证，设计方案 22.1 步进电机结构 22.2 对齿和错齿32.3 工作原理 42.4 工作方式 42.5方案的比较及选择 52.5.1 方案1 52.5.2 方案262.5.3 方案37第三章 硬件设计 8 3.1 原理图 8 3.2 ULN2003 8第四章 软件设计 10 4.1 流程图10 4.2步进电机驱动程序12第五章 系统调试 14第六章 结束语 14第七章 致谢14参考文献附录第一章 绪论11步进电机及其发展应用随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件, 具有快速起动和停止的特点。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。直流电机广泛应用于计算机外围设备( 如硬盘、软盘和光盘存储器) 、家电产品、医疗器械和电动车上, 无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢, 并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。他们都是利用电和磁的相互作用来实现向机械能能的转换。12设计要求掌握硬件原理，编写C语言程序，对步进电动机进行调速控制。设置多个按键，按下不同的按键控制不同步进电机的转速和转向。第二章 方案论证，设计方案2.1步进电机结构图2.1步进电机内部结构图如图 2.1 所示，步进电机分为转子和定子两部分：1. 定子：由硅钢片叠成的，定子上有 6 大磁极，每 2 个相对的磁极（， S）组成一对，共有 3 对。定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子 齿轴线错开。 0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 表示）， 即 A 与齿 1 相对齐，B 与齿 2 向右错开 1/3，C 与齿 3 向右错开 2/3，A与齿5 相对齐，（A就是 A，齿 5 就是齿 1）。2. 转子：由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿 相同，并且小齿的大小相同，间距相同。2. 2对齿和错齿图2.2步进电机转子展开反应式步进电机的动力来源于电磁力，只有电机存在错齿现象才能转动。在电磁力的作用下，转子被推动到最大磁导率的位置，定子小齿与转子小齿对 齐的位置，并处于平衡状态，如图 2.2 中的 A 相位置，这种现象被称为对齿。 而对于三相步进电机来说，当某一相得磁极处于最大磁导位置时，另外两相必 须处于非最大磁导位置，即定子和转子不对齐位置，这种现象被称为错齿。2.3工作原理图2.3步进电机三相接线图如图 2.3 所示，U1、V1、W1 接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2 分别接地。 如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。 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 。以反应式步进电机为例：如 A 相通电，B，C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐，（转子 不受任何力以下均同）。 如 B 相通电，A，C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐， 此时转子向右移过 1/3，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3，齿 4 与 A 偏移（-1/3）=2/3。 如 C 相通电，A，B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移 过 1/3，此时齿 4 与 A 偏移为 1/3 对齐。 如 A 相通电，B，C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3 这样经过 A、B、C、A 分别通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到 A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A， B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按 A，C，B，A 通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频 率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音 及减少角度等方面考虑。往往采用 A-AB-B-BCC-CA-A 这种导电状态，这样 将原来每步 1/3 改变为 1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其 1/3 变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上 有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m,2/m(m-1)/m,1。并且 导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是旋转的物理条件。只要符合 这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市 场上一般以二、三、四、五相为多。2.4工作方式（三相）1. 单三拍：通电顺序为ABC ；2. 双三拍：通电顺序为ABBCCA ；3. 三相六拍：通电顺序为AABBBCCCA这三种工作方式的区别，如下表所示：表 2.1反应式步进电机三种工作方式的性能比较工作方式单三拍双三拍六拍步进周期TTT每相通电时间T2T3T走齿周期3T3T6T相电流小较大最大高频性能差较好较好转矩小中大电磁阻尼小较大较大振荡容易较容易不容易功耗小大中25方案的比较及选择251 方案1 图1 方案一 电路原理图表1 器件管脚说明P1口键盘输入XTAL晶振P2.0P2.3输出驱动RESET复位该方案用可以改进的地方：（1）、可增加数码显示；（2）、可在P2.1-P2.4输出增加LED光电耦合触发，实现光电隔离，增强抗干扰252 方案2 : 图2 方案二 电路原理图252方案3 : 图3 方案三 电路原理图该方案用可以改进的地方：（1）、可增加数码显示；（2）、可在P2.1-P2.4输出增加LED光电耦合触发，实现光电隔离，增强抗干扰综合起来方案二系统设计,结构简单、通过按键控制，操作方便，节省成本。能满足设计要求。故选择方案二。第三章 硬件设计3.1 原理图3.2 ULN2003ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。 ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，但独每个单元驱动电流最大可达350mA.资料的最后有引用电路，9脚可以悬空。 比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。ULN2003的作用：ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。 输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。 ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003A引脚图及功能:ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片。 经常在以下电路中使用，作为显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、伺服电机、步进电机驱动等电路中。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003 的封装采用DIP16 或SOP16 。ULN2003可以驱动7个继电器,具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。显示电路主要包括大型LED数码管BSI20-1(共阳极，数字净高12 cm)和高电压大电流驱动器ULN2003，大型LED数码管的每段是由多个LED发光二极管串并联而成的，因此导通电流大、导通压降高。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列电路，他具有7个独立的反相驱动器，每个驱动器的输出灌电流可达500 mA，导通时输出电压约1 V，截止时输出电压可达50 V。ULN2003的17脚为信号输入脚，依次对应的输出端为1610脚，8脚为接地端。当驱动电源电压为+12 V时，若要求数码管每段导通电流为40 mA，则每段的限流电阻为50。则一块ULN2003恰好驱动一个LED数码管的7段。大数码管采用共阳极接法，低电平有效。锁存器输出的电平经NPN三极管9014反相后，再由ULN2003放大后推动大数码管显示.第四章 软件设计41流程图该系统采用多个模块的方式来实现对步进电机的控制。控制模块采用单片机AT89S52 来直接驱动电机转动。延时程序 delay() 流程图： 键盘扫描 scan()流程图：正反转、延时模式控制子程序流程图：主函数流程图：中断控制正反转：总流程图：42步进电机驱动程序#include #define uchar unsigned charsbit key1=P34；/快速sbit key2=P35; /中速sbit key3=P36; /慢速uchar num,nn;bit bf;unsigned char idata F_Rotation4=0x02,0x04,0x08,0x10;/正转表格unsigned char idata B_Rotation4=0x10,0x08,0x040,0x02;/反转表格void Delay(unsigned int i)/延时 while(-i);uchar scan() /键盘检测，返回速度控制命令if(key1=0) Delay(500); if(key1=0) num=1; while(!key1); if(key2=0) Delay(500); if(key2=0) num=2; while(!key2); if(key3=0) Delay(500); if(key3=0) num=3; while(!key3); return num;void control(bit dir,uchar mode)/方向和速度控制uchar i;uchar idata *P;if(dir) P=F_Rotation; /正转else P=B_Rotation; /反转for(i=0;i4;i+) /4相 P1=Pi; /输出对应的相 可以自行换成反转表格 switch(mode) case 1:Delay(400);break; /速度选择，改变参数可以调整电机转速,数字越小，转速越大c