三相步进电机控制系统的设计.doc

武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 1 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 肖阳肖阳 专业班级 专业班级 自动化自动化 08040804 指导教师 指导教师 张素文张素文 工作单位 工作单位 自动化学院自动化学院 题题 目目 三相步进电机控制系统的设计 初始条件 初始条件 设计一个三相步进电机控制系统 要求系统具有如下功能 用 K0 K2 做为通电方式选择键 K0 为三相单三拍 K1 为三相双三拍 K2 为三相六拍 K3 为启动 停止控制 K4 方向控制 正反转 K5 速度控制 快慢两档 用 4 位 LED 数码管显示工作步数 用 3 个 发光二极管显示状态 正转时红灯亮 反转时黄灯亮 不转时绿灯 亮 要求完成的主要任务要求完成的主要任务 1 硬件设计 系统总原理图及各部分详细原理图 2 软件设计 系统总体流程图 步进电机单三拍 双三拍 三相 六拍各模块流程图 显示模块流程图等 3 编写程序 能够完成上述任务 4 完成符合要求的设计说明书 时间安排 时间安排 2011 年 6 月 20 日 2010 年 6 月 30 日 指导教师签名 指导教师签名 年年 月月 日日 系主任 或责任教师 签名 系主任 或责任教师 签名 年年 月月 日日 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 2 摘要 本设计主要设计了基于单片机的三相步进电机系统 其中使用 80c51 单片 机作为主控芯片 利用 ULN2003A 集成电路 采用单极性驱动方式 使步进电机 完成步进电机三相单三拍 三相双三拍 三相六拍 启动 停止控制 方向控制 速度控制 快慢两档 用 4 位 LED 数码管显示工作步数 用 3 个发光二极管显 示状态 正转时红灯亮 反转时黄灯亮 不转时绿灯亮 电路结构简单 设计思路清晰 同时利用 KEIL 和 Proteus 进行联调仿真 结果比较直观 关键字关键字 步进电机 单片机 单极性驱动 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 3 目录 1 设计任务及要求 5 1 1 设计任务 5 1 2 任务分析 5 2 方案比较及选择 6 2 1 电机驱动选择方案 6 2 2 LED 显示选择方案 6 2 3 按键状态的读取 6 3 系统实现的原理 7 3 1 步进电机控制工作原理 7 3 1 1 步进电机的启停控制 7 3 1 2 步进电机的工作原理 7 3 1 3 步进电机的转向控制 7 3 1 4 步进电机的启停控制 8 3 1 5 步进电机的速度控制 8 3 2 系统设计思路 8 3 3 系统的整体框图 9 4 系统的硬件设计 10 4 1 总体设计 10 4 2 步进电机控制电路 11 4 2 1 启 停控制 正 反转控制 工作模式控制电路分析 11 4 2 2 步进电机控制电路 11 4 3 显示电路 12 4 3 1 发光二极管显示电路 12 4 3 2 八段数码管显示电路 12 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 4 5 系统软件设计 13 5 1 总体设计 13 5 1 2 系统总体流程图 15 5 2 关键模块设计 17 5 2 1 三相步进电机模块设计 17 5 2 2 显示模块设计 17 5 5 2 步进电机调速模块流程图 19 6 系统仿真 20 7 小结及体会 21 参考文献 22 附录 23 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 5 三相步进电机控制系统的设计 1 设计任务及要求 1 1 设计任务 设计一个三相步进电机控制系统 要求系统具有如下功能 用 K0 K2 做为 通电方式选择键 K0 为三相单三拍 K1 为三相双三拍 K2 为三相六拍 K3 为 启动 停止控制 K4 方向控制 K5 速度控制 快慢两档 用 4 位 LED 数码管显 示工作步数 用 3 个发光二极管显示状态 正转时红灯亮 反转时黄灯亮 不 转时绿灯亮 硬件设计 系统总原理图及各部分详细原理图 软件设计 系统总体流程 图 步进电机单三拍 双三拍 三相六拍各模块流程图 显示模块流程图等 编写程序 能够完成上述任务 1 2 任务分析 设计要求设计一个三相步进电机控制系统 分析可以得出它的几个基本功 能 1 三相步进电机控制系统能实现多运行方式 能够以三相单三拍 三相双三拍 三相六拍的方式运行 因此要输出相应的控制字进行控制 2 三相步进电机控制系统能实现正反转和调速控制 能够改变电机运行的方向 和速率 3 三相步进电机控制系统有显示功能 可以采用共阳极的 LED 数码管对步数进 行显示 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 6 2 方案比较及选择 2 1 电机驱动选择方案 方案 1 使用功率三极管等电子器件搭建成功率驱动电路来驱动电机的运 行 优点是电路简单 但信号不够稳定 器件较大而不便电路的集成 方案 2 使用专门的电机驱动芯片 ULN2004A 来驱动电机运行 其优点是便 于电路的集成 且驱动简单 驱动信号稳定 不受外部干扰 通过对方案的比较 我选择使用电机驱动芯片来作为驱动 2 2 LED 显示选择方案 方案 1 把所要显示的数据通过专用的七段显示芯片的转换输出给 LED 显 示屏 其优点是输出简单 可以简化程序 但增加了芯片的费用 方案 2 通过软件把所要的数据转化为七段显示的数据 直接通过单片机 接口来显示 其优点是简化了电路 但增加了软件编写的负担 通过对方案的比较 我选择通过软件编写来输出显示信号 2 3 按键状态的读取 方案 1 把按键接到单片机的中断口 若有按键按下 单片机接收到中断信 号 再通过软件编写的中断程序来执行中断 优点是接线简单 简化了电路 但软件编写较为复杂 不易掌握 方案 2 不使用中断 直接把开关分别接在单片机的接口上 通过查询端口 信号来动作 其优点是程序得到简化 可读性加强 通过对方案的比较 我选择通过查询方式来读取端口信号 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 7 3 系统实现的原理 3 1 步进电机控制工作原理 3 1 1 步进电机的启停控制 步进电机由于其电气特性 运转时会有步进感 即振动感 为了使电机转动 平滑 减小振动 可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 可 以减小步进电机的步进角 提高电机运行的平稳性 在步进电机停转时 为了 防止因惯性而使电机轴产生顺滑 则需采用合适的锁定波形 产生锁定磁力矩 锁 定步进电机的转轴 使步进电机的转轴不能自由转动 3 1 2 步进电机的工作原理 图 1 步进电机三相接线图 如图 3 1 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 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 8 3 1 3 步进电机的转向控制 如果给定工作方式正序换相通电 步进电机正转 若步进电机的励磁方式 为三相六拍 即 A AB B BC C CA 如果按反序通电换相 即则电机就反转 其他方式情况类似 3 1 4 步进电机的启停控制 步进电机由于其电气特性 运转时会有步进感 即振动感 为了使电机转动 平滑 减小振动 可在步进电机控 制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形 波 可以减小步进电机的步进角 提高电机运行的平稳性 在步进电机停转时 为 了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 则需采用合适的锁定波形 产生锁定磁力 矩 锁定步进电机的转轴 使步进电机的转轴不能自由转动 3 1 5 步进电机的速度控制 步进电动机运转的速度是由输入到 A B C 三相绕组的频率所决定的 脉 冲的频率越高 电动机运转的速度越快 否则 速度就越慢 因而通过延时程 序控制输出脉冲的频率 就可以实现对步进电机速度的控制 3 2 系统设计思路 此次我们所设计的是一个步进电机控制系统 主要由单片机 80C51 3 相步 进电机 7 段数码管 及一些其他相关元件设计而成 可以通过开关来控制系 统的启 停工作 当系统运转时 用开关来控制方向 并使相应的指示灯亮起 同样由开关来选择工作模式 运转时 用 4 位 7 段数码管来输出步数 最后根 据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 9 3 3 系统的整体框图 下图为系统总体设计方框图 单片机 AT89C51 ULN2003A 驱动芯片 三相 步进电机 7 段 LED 数码管等一些电路模块组成 80c51 单 片机整体 控制 LED 显示模 块 开关选择 电机工作 模式 LED 显示 灯显示电 机工作状 态 三相步 进电机 模块 图 2 系统的整体框图 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 10 4 系统的硬件设计 4 1 总体设计 设计一个单片机三相步进电机控制系统要求系统具有如下功能 1 用 K0 K2 做为通电方式选择键 K0 为单三拍 K1 为双三拍 K2 为三 相六拍 2 K3 K4 分别为启动和方向控制 3 正转时红色指示灯亮 反转时黄色指示灯亮 不转时绿色指示灯亮 4 用 4 位 LED 显示工作步数 根据设计要求用 PROTEUS 所做的硬件连线图如下图 1 图 2 总体硬件连线 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 11 4 2 步进电机控制电路 4 2 1 启 停控制 正 反转控制 工作模式控制电路分析 原理图如下 图 3 按键控制图 1 K3 为启 停控制开关 控制整个系统的开启和关闭 2 K4 为正 反转控制开关 控制步进电机的转向 3 K0 K3 为工作模式控制开关 KO 接电时 为步进电机单三拍工作模式 K1 接电时 为步进电机双三拍工作模式 K2 接电时 步进电机工作模式为三相六 拍 K5 速度控制 快慢两档 4 2 2 步进电机控制电路 将 80c51 的 P1 0 P1 3 作为步进电机的输出控制口 原理图如下 图 4 步进电机的输出控制口 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 12 4 3 显示电路 4 3 1 发光二极管显示电路 用 3 个不同颜色的发光二极管来作为指示灯显示 将 P3 5 接红灯 P3 6 接黄 灯 P3 7 接绿灯 正转时红色指示灯亮 反转时黄色指示灯亮 不转时绿色指 示灯亮 原理图如下 图 5 指示灯接线图 4 3 2 八段数码管显示电路 由 80c51 的 P0 口取出显示码 从 80c51 的 P2 0 P2 3 输出位选码 设计中我们 主要用到 4 位显示步数既可 原理图如下 图 6 led 接线图 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 13 5 系统软件设计 5 1 总体设计 5 1 1 步进电机的工作方式 1 三相单三拍工作方式 在这种工作方式下 A B C 三相轮流通电 电流切换三次 磁场旋转一周 转 子向前转过一个齿距角 因此这种通电方式叫做三相单三拍工作方式 这时步 距角 b 度 为 b 360 mz 公式 1 式中 m 定子相数 z 转子齿数 单三拍的数学模型 控制位 步序 P1 7P1 6P1 5P1 4P1 3P1 2 C 相 P1 1 B 相 P1 0 A 相 工作 状态 控制 模型 100000001A01H 200000010B02H 300000100C04H 表 1 2 三相六拍工作方式 在这种工作方式下 绕组以 A AB B BC C CA A 时序 或反时序 转换 6 次 磁场旋转一周 转子前进一个齿距 每次切换均使转子转动 1 5 故这种通 电方式称为三相六柏工作方式 其步距角 b 为 b 360 2mz 180 mz 公式 2 六拍的数学模型 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 14 控制位 步序 P1 7P1 6P1 5P1 4P1 3P1 2 C 相 P1 1 B 相 P1 0 A 相 工作 状态 控制 模型 100000001A01H 200000011AB03H 300000010B02H 400000110BC06H 500000100C04H 600000101CA05H 表 2 3 双三拍工作方式 这种工作方式每次都是有两相导通 两相绕组处在相同电压之下 以 AB BC CA AB 或反之 方式通电 故称为双三拍工作方式 以这种方式通电 转子 齿所处的位置相当于六拍控制方式中去掉单三拍后的三个位置 它的步距角计 算公式与单三拍时的公式相同 极分度角 齿距角 R k 1 m 进一步化简得齿数 z z q mR k 公式 3 式中 m 相数 q 每相的极数 k m 1 的正整数 R 正整数 为 0 1 2 3 双三拍的数学模型 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 15 控制位 步序 P1 7P1 6P1 5P1 4P1 3P1 2 C 相 P1 1 B 相 P1 0 A 相 工作 状态 控制 模型 100000011AB03H 200000110BC06H 300000101CA05H 表 3 5 1 2 系统总体流程图 设计说明 首先复位单片机 然后从 P3 口读出开关状态 判断是否启动 没 启动绿灯亮重新确认启动 启动后再次读取 P3 口数据 判断工作方式并将对应 的用来存储步进电机工作方式字的数组首地址值给 q 由 P3 4 口的双向开关来 控制步进电机的正反转 如果是正转则红灯亮 反转则绿灯亮 在电机每走一 步后 步数记数加 1 然后通过 LED 显示把工作步数显示出来 再从 P3 口把状 态信息读出来 与之前的 P3 口的状态信息进行比较 如果状态信息没有改变 电机继续运行 如果状态信息改变了 就需要重新返回程序的开端 对电机的 运行状态进行判断 让电机重新以新的状态运行 由此 开关的状态在电机每 走一步都会查询一遍 做到实时地反映 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 16 开始 P3 口 步数清 零 数码管输出 0 绿色显示灯亮 以已选择的序列 输出控制字 K1 K2 K2 选择工作 方式控制字序列 短延时长延 时 步数自增一 启 停按键 K3 按下 正 反转按键 K5 按下 选择正 转控制 字序列 红灯亮 选择反 转控制 字序列 黄灯亮 启 停按键 K3 按下 数码管输出步进 步数 调速键 K4 按下 图 5 1 系统总体流程图 Y Y Y Y N N N N 图 7 总体流程图 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 17 5 2 关键模块设计 5 2 1 三相步进电机模块设计 设计说明 在此设计中 采用的是三相步进电机 对于步进电机模块的程序 设计采用循环程序设计方法 先把正反转向的控制模型存放在内存单元中 然 后再逐一从单元中取出控制模块并输出 首先启动 选择步进电机的拍数 输 入步数 然后读入正反转的控制模型驱动步进电机转动 三相步进电机的流程框图 分模块入口 P1 0 1 不输出任何信号 P1 1 1 P1 2 1 选择单三拍控制 字序列输出 选择双三拍控制 字序列输出 选择三相六拍控 制字序列输出 分模块出口 N Y N N Y Y 图 8 三相步进电机的流程框图 5 2 2 显示模块设计 设计说明 显示模块是用 4 位八段数码管来显示工作步数 先将显示码存入 数组中 指向最左边一位 然后取出要显示的数据 指向换码表首地址 取出 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 18 显示码 从 P0 口输出显示码 P2 口输入位选码 显示出 4 位工作步数 最后 修改数组地址 求下一位位选码继续显示 动态显示子程 序 取出要显示的数据 求待显示数据的显示 码 送位段码到 P0 口输出 送位显码到 P2 0 P2 3 输出 延时 4 位显示完了 吗 返回 修改数组地址 求下一位选码 图 9 显示模块的程序框图 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 19 5 5 2 步进电机调速模块流程图 分模块入口 P1 4 1 K 4 按下 RRR 50 循环次数为 50 调用单位延时程 序 k 自增一 返回 j RRR 达 到要求次数 RRR 500 循环次数为 500 图 10 步进电机调速模块流 程图 Y k 0 N Y N 如图 5 8 为步进电机调速模块流程图 当 P1 4 1 时 即 K4 按下 系统选 择单位延时程序的循环次数为 50 此时步进电机快速运转 当 P1 4 0 时 即 K4 无效 系统选择单位延时程序的循环时间为 500 次 此时步进电机慢速运转 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 20 6 系统仿真 当选择电机工作在单三拍 正转的模式下 K0 K4 置高电平 K1 K2 置低电 平 系统启动 K3 置高电平 电机开始转动 LED 四位显示屏显示工作步数 LED 指示灯红灯亮显示电机正转的状态 仿真图如下 图 11 系统仿真图 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 21 7 小结及体会 经过这个学期对微机的深入学习 并且在老师的悉心指导和严格要求下 我们终于完成了三相步进电机设计课程 从书本上的知识到自己亲手的课程设 计 每一步对我们来说无疑是巨大的尝试和挑战 也成就了我们目前在大学期 间独立完成的最大的项目 记得在刚接到这个课题时 由于对相关知识不是很 了解 我们都有些茫然不知所措 设计好一个步进电机需要什么专业知识 带 着这个疑问我们开始了地学习和实验 去图书馆查阅相关资料 上网去了解相 关的内容 渐渐头脑中的概念清晰了起来 在具体设计的过程中 我们遇到了 更大的困难 我们不断地给自己提出新的问题 然后去论证 推翻 再接着提 出新的问题 在这个循环往复的过程中 我们这篇稚嫩的设计日臻完善 虽然 我们的设计作品不是很成熟 即使借鉴前人的很多资料仍然还有很多不足之处 但我仍然心里有一种莫大的幸福感 因为我们实实在在地走过了一个完整的设 计所应该走的每一个过程 并且享受了每一个过程 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 22 参考文献 1 于海生编著 计算机控制技术 北京 机械工业出版社 2005 2 张义和 王敏男等编著 例说 51 单片机 北京 人民邮电出版社 2008 3 张靖武 周灵彬编著 单片机系统的 PROTEUS 设计与仿真 北京 电子 工业出版社 2007 4 求是科技编著 单片机典型模块设计实例导航 北京 人民邮电出版社 2008 5 顶明亮 唐前辉编著 51 单片机应用设计与仿真 基于 keil 与 proteus 北京 北京航空航天大学出版社 2009 6 李发海 王岩编著 电机与拖动基础 第 3 版 北京 清华大学出版社 2005 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 23 附录 总程序如下 include include void delay1 void void delay2 void void display int int bs 0 int cishu main char a b c d j q done1 8 0 x01 0 x02 0 x04 0 x00 0 x01 0 x04 0 x02 0 x00 done2 8 0 x03 0 x06 0 x05 0 x00 0 x03 0 x05 0 x06 0 x00 done3 14 0 x01 0 x03 0 x02 0 x06 0 x04 0 x05 0 x00 0 x01 0 x05 0 x04 0 x06 0 x0 2 0 x03 0 x00 P3 0 x20 P3 5 口置 1 绿灯亮 不工作 delay1 L a P3 while a a P3 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 24 delay1 a P3 判断工作模式 if a if a if a if a else cishu 500 if a P3 4 口为 1 电机正转 红灯亮 b 0 else P3 0 x40 P3 4 口为 电机反转 黄灯亮 if a else b 4 d b while 1 c q b 判断电机步数是否走完 if c 0 b d 步数走完 电机重新再走 else P1 c 从 P1 输出电机控制信号 b bs 总步数加 1 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 25 display bs 显示步数 j a a P3 if a j 判断 P3 口状态信号是否改变 if a 若为停止信号 总步数清零 goto L 状态信