单片机实习报告.doc

步进电机控制系统（设计）题 目: 基于51单片机的步进电机控制系统设计 姓 名: 党振如 胡容 学 院: 工学院 专 业: 自动化 班 级: 自动化71班 学 号: 3027228 3227119 指导教师: 吕成绪 2010 年 6 月 8日南京农业大学教务处制目录一、步进电机的分类、结构和工作原理 1.1步进电机的工作原理 1.1.1步进电机的常用术语 1.1.2步进电机的基本控制 1.2步进电机的结构、分类和特点 1.2.1步进电机的内外结构 1.2.2 步进电机的三大分类 1.2.3步进电机的特点二、步进电机的驱动 2.1 步进电机对驱动电源的要求 2.2驱动电路的选择 2.3 ULN2003芯片的特点三、实现轻负载时步进电机的正反转 3.1控制要求 3.2所需器件 3.3设计原理 3.4正反转设控制程序流程 3.5步进电机正反转控制程序四、步进电机转速控制 4.1恒速控制 4.2加减速控制五、方案确定 5.1原理图 5.2软件程序设计六、设计小结 6.1实习心得一、步进电机的分类、结构及工作原理 1.1 步进电机的工作原理 当步进电机收到一个脉冲信号，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，从而达到调速的目的。步进电机的这些特性非常适合使用单片机来控制，控制信号由单片机产生，步进电机则根据控制信号来工作。1.1.1 步进电机的常用术语 步距角：表示控制系统每发一个步进脉冲信号，步进电机转子所应转动的角度理论值。 其中： Z -转子的齿数 N 步进电机工作拍数。齿距角：相邻两齿中心线间的夹角 步进电机转速：步进电机的相数：是指步进电机内部的线圈组数。运行频率：是指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。启动频率：是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率。1.1.2 步进电机的基本控制（1）控制换相顺序步进电机的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。通常我们把通电换相这一过程成为脉冲分配。例如，步进电机的八拍工作方式，其各相通电的顺序为AAB-B-BC-C-CD-D-DA（正转）或DA-D-CD-C-BC-B-BA-A（反转），通电控制脉冲必须严格这一顺序分别控制A,B,C,D相的通电和断电。（2）控制步进电机的转向如果按定的工作方式正序通电换相，步进电机就正转；如果按反序通电换相，则步进电机就反转。（3）控制步进电机的转速如果给定步进电机一个控制脉冲，它就转一步，再发一个控制脉冲，它就会再转一步。两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转得越快。因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速。调整单片机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。调整单片机输出的步进脉冲频率的方法：A、软件延时方法：改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率，但这种方法使CPU长时间等待无法进行其他工作，因此没有实用价值。在单独进行步进电机的演示时可以采用。B、定时器中断方法在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速。这种方法占用CPU时间较少，是一种比较实用的调速方法。用单片机对步进电机进行速度控制，实际上就是控制每次换相的时间间隔。升速时，使脉冲频率逐渐升高，降速时则相反。12 步进电机的结构、分类和特点 1.2.1步进电机的三大分类1)反应式步进电机（VAriABle ReluCtAnCe，简称 VR）反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。 2)永磁式步进电机（PermAnent MAgnet），简称 PM永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步进角比较大，它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小（相比反应式），但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。 3)混合式步进电机（HyBrid，简称 HB） 混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。 1.2.2步进电机的内外结构 步进电机转子均匀分布着很多小齿，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）下面是定转子的展开如图所示： 电动机定子铁心和一般电机一样由硅钢片叠成，铁心内孔表面有开口槽。转子装有一个轴向磁化永磁体用以产生一个单向磁场。永磁体产生的磁通，在每一个气隙圆周上都是单方向通过气隙的，这时作用在气隙中的磁势是同极性的，称为单极磁势。而转子包括两段，一段经永磁体磁化成N 极，另一段磁化为S 极，每段转子齿以一个齿距间隔均匀分布，但两段转子的齿相互错开1/2 个转子齿距。 1.2.3步进电机的特点1） 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2） 步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。二、步进电机的驱动2.1步进电机对驱动电源的要求：电源的相数、电压、电流、通电方式与步进电机的求相适应；满足启动频率和运行频率的要求： （1）作可靠、抗干扰能力强 （2）成本低，效率高，安装和维护方便 （3）驱动电源由环形分配器和功率驱动器组成2.2驱动电路的选择：步进电机的驱动电机有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。单电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。它的最大特点是结构简单，因它的工作效率低，特别是在高频下更显的突出。它的外接电阻R要消耗相当一部分的热量，这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。双电压驱动是电路一般采用两种电源电压来驱动，因这两个电源分别是一个为高压一个为低压，因此也称为高低压驱动电路。双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降。不宜于电机的正常运行。对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定期额定电流和减少时间常数。但由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声。细分驱动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转动一步，一般会根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕阻会轮流切换，固可以使步进电机的转子旋转。细分控制的电路一般分为两类，一类是采用线性模拟功率放大器的方法获得阶梯形电流，这种方法简单，但效率低。别一种是用单片机采用数子脉宽调制的方法获得阶梯电流，这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。我们所使用的系统是小型步进电机，对电压和电流要求不是很高，故选择驱动芯片ULN2003A来驱动，并通过软件来实现步进电机的调速。2.3 ULN2003芯片的特点（1）ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由7个硅NPN达林顿管组成。（2）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COMS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。（3）ULN2003工作电压高，工作电压大，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。（4）ULN2003采用DIP-16或SOP-16塑料封装。ULN简单应用电路：三、实现轻负载时步进电机的正反转 3.1控制要求 我们共采用五个按钮，分别为正转、反转、停止、加速、减速按钮，以及三个发光二极管，分别为指示停止、正/反转、加/减速。当按下正或反转按钮时，LED灯亮，则电机恒速正转；当按下反转按钮时,LED灯灭，电机恒速反转。当运行过程中按下加或减速按钮时，LED灯亮，电机按原转向加速；当运行过程中按下加或减速按钮时，LED灯灭，电机按原转速减速。按停止按钮电机停止转动。3.2 所需器材两相五线式步进电机、ULN2003驱动芯片、80C51单片机、按钮、LED灯、链接导线晶振、电容、电源、电阻、三极管。3.3 设计原理步进电机是通过输入脉冲信号来进行控制的，步进电机的转动方向由改变加在步进电机绕组上的脉冲工作时序的相序来实现。首先我们要确定步进电机的工作方式，然后根据该工作方式的换相顺序进行脉冲分配。我们采用单四拍运行方式控制。unsigned char code F_Rotation4= 0xf1,0xf2,0xf4,0xf8; /顺时针表格unsigned char code B_Rotation4= 0xf8,0xf4,0xf2,0xf1; /逆时针表格在内存ROM区域开辟一个区域来存储这两个脉冲输出时续表，然后根据需要来分别调用。3.4正反转控制程序流程 开始 端口初始化 正转按键 判断按键 反转按键 正转 反转 结束按键判断 N Y 停转 3.5步进电机正反转程序if(!flag) /flag 为正反转标志位for(i=0;i4;i+) /单4拍P2=F_Rotationi; Delay(rate); /改变rate这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 if(flag)for(i=0;i4;i+) P2=B_Rotationi; Delay(rate); 四、步进电机转速控制4.1恒速控制控制步进电机的运行速度实际上就是控制单片机发出脉冲的频率，输出频率的高低是由延时时间的长短来决定的。 延时子程序的延时时间由RATE的值来决定，当RATE的值大时，延时时间长，步进电机的控制脉冲的频率就低，步进电机的转速就慢；当RATE得值小时，延时时间短，步进电机的控制脉冲的频率就高，步进电机的转速就快。因此，通过改变延时时间就可以控制步进电机的转速。4.2加减速控制用单片机对步进电机进行加减速控制，实际上就是在步进电机运行过程中逐渐改变脉冲的频率。加速时，控制脉冲的频率逐渐升高；恒速时，控制脉冲的频率不变；减速时，控制脉冲的频率逐渐降低。五、方案确定5.1原理图: 5.2软件程序设计:#include sbit key1=P00; /此键为停止按键sbit key2=P01; /此键为顺时针按键sbit key3=P02; /此键为逆时针按键sbit key4=P03; /此键为加速按键sbit key5=P04; /此键为减速按键sbit LED1=P10; /此灯为红灯。停止时点亮，转动后，有效按下加速或减速按键一次时点亮，当转速达到最高或最低极限时点亮该灯。sbit LED2=P11; /指示顺时针sbit LED3=P12; /指示逆时针unsigned char code F_Rotation4=0xf1,0xf2,0xf4,0xf8; /顺时针转表格unsigned char code B_Rotation4=0xf8,0xf4,0xf2,0xf1; /逆时针转表格/*/* 延时函数 */*/void Delay(unsigned int i)/延时 while(-i);/*/* 主函数 */*/main() bit flag=0; unsigned char i; unsigned int rate=30450; loop:P2=0; key1=0; key2=0;key3=0;key4=0;key5=0;LED1=0;LED2=1;LED3=1;while(1)if(key2=1)flag=0;LED1=1;LED2=0;goto next; if(key3=1)flag=1;LED1=1;LED3=0;goto next;next:while(1) if(key1=1) goto loop; if(key4=1) if(rate500) rate=rate-3000;LED1=0;Delay(15000);LED1=1;if(rate=450)LED1=0;else LED1=1; if(key5=1) if(ra