步进电机控制及驱动电路的设计

武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 0 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 指导教师 指导教师 工作单位 工作单位 信息工程学院信息工程学院 题题 目目 步进电机的控制及驱动电路设计步进电机的控制及驱动电路设计 初始条件 初始条件 本设计既可以使用集成移位寄存器 驱动器 555 定时器和必要的门电路 以及所需电阻 电容 二极管 三极管 开关等元件 本设计也可以使用单片机系统构建步进电机的控制及驱 动电路 自行设计所需电源 要求完成的主要任务要求完成的主要任务 包括课程设计工作量及其技术要求 以及说明书撰写等具体要求 1 课程设计工作量 1 周 2 技术要求 设计一个方波发生器提供系统时钟 设计一个步进电机的驱动信号发生器 可以实现电机正转 反转控制和转速控制 要求驱动器有足够的输出电流以驱动小功率 4 相步进电机 要求可以实现步进电机的单相或双相激励 确定设计方案 按功能模块的划分选择元 器件和集成电路 设计分电路 阐述基本原理 绘制总体电路原理图 3 查阅至少 5 篇参考文献 按 武汉理工大学课程设计工作规范 要求撰写设计报告书 全 文用 A4 纸打印 图纸应符合绘图规范 时间安排 时间安排 1 2008 年 7 月 5 日集中 作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明 2 2008 年 7 月 5 日 查阅相关资料 学习电路的工作原理 2 2008 年 7 月 6 日 至 2007 年 7 月 7 日 方案选择和电路设计 2 2008 年 7 月 8 日 至 2007 年 7 月 10 日 电路调试和设计说明书撰写 3 2008 年 7 月 11 日上交课程设计成果及报告 同时进行答辩 课设答疑地点 鉴主 14 楼电子科学与技术实验室 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 数字电子技术基础 课程设计说明书 1 目目 录录 1 1 步进电机原理步进电机原理 2 1 1 步进电机简介 2 1 2 步进电机原理及控制技术 2 1 3 步进电机驱动方法 2 1 4 总体设计方框图 3 1 5 设计原理分析 3 1 5 1 元器件介绍 3 1 5 2 方案论证 5 2 2 硬件设计硬件设计 6 2 1 控制电路 6 2 2 最小系统 6 2 3 驱动电路 7 2 4 显示电路 7 2 5 总体电路图 8 3 3 软件设计软件设计 9 4 4 程序编写程序编写 9 5 5 实验心得及体会实验心得及体会 17 参考文献参考文献 17 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 2 1 步进电机原理及硬件和软件设计 1 1 步进电机简介 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步进电机件 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 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 1 2 步进电机基本原理 通常电机的转子为永磁体 当电流流过 定子绕组时 定子绕组产生一矢量 磁 场 该磁场会带动转子旋转一角度 使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一 致 当定子的矢量磁场旋转一个角度 转子也随着该磁场转一个角度 每输入一个 电脉冲 电动机转动一个角度前进一步 它输出的角位移与输入的脉冲数成正比 转速与脉冲频率成正比 改变绕组通电的顺序 电机就会反转 所以可用控制脉冲 数量 频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动 1 3 步进电机驱动方法 步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作 而必须使用专用的步进电 动机驱动器 如下图所示 它由脉冲发生控制单元 功率驱动单元 保护单元等组 成 图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现 驱动单元与步进电动机直 接耦合 也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 3 1 41 4 总体设计方案框图总体设计方案框图 51 单片机单片机 数码管数码管 反向驱动反向驱动步进电机步进电机 键盘键盘 电源电源 状态选择 状态显示状态显示 1 51 5 设计原理分析设计原理分析 1 5 11 5 1 元器件介绍元器件介绍 1 步进电机 步进电机是数字控制电机 它将脉冲信号转变成角位移 即给一个脉冲信号 步 进电机就转动一个角度 因此非常适合于单片机控制 步进电机区别于其他控制电机 的最大特点是 它是通过输入脉冲信号来进行控制的 即电机的总转动角度由输入脉 冲数决定 而电机的转速由脉冲信号频率决定 步进电机分三种 永磁式 PM 反应式 VR 和混合式 HB 步进电机又称为脉 冲电机 是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动 反转和制动的执行元件 其功 用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移 由于开环下就能实现精确定位的特点 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 4 使其在工业控制领域获得了广泛应用 步进电机的运转是由电脉冲信号控制的 其角 位移量或线位移量与脉冲数成正比 每个一个脉冲 步进电机就转动一个角度或前进 倒退一步 步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定 四相步进电机的工作原理 该设计采用了 20BY 0 型步进电机 该电机为四相步进电机 采用单极性直流电源 供电 只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电 就能使步进电机转动 当某一 相绕组通电时 对应的磁极产生磁场 并与转子形成磁路 这时 如果定子和转子的 小齿没有对齐 在磁场的作用下 由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点 则转子 将转动一定的角度 使转子与定子的齿相互对齐 由此可见 错齿是促使电机旋转的 原因 步进电机的静态指标及术语 相数 产生不同队 N S 磁场的激磁线圈对数 常用 m 表示 拍数 完成一个磁场周期性变化所需脉冲用 n 表示 定位转矩 电机在不通电的状态下 电机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 静转矩 电机在额定静态作业下 电机不做旋转运动时 电机转轴的锁定力矩 此力矩是衡量电机体积的标准 与驱动电压及驱动电源等无关 虽然静态转矩与电 磁激磁匝数成正比 与定子和转子间的气隙有关 但过分采用减小气隙 增加励磁 匝数来提高静转矩是不可取的 这样会造成电机的发热及机械噪音 四相步进电机的脉冲分配规律 对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器 专用集成芯片环形脉冲分配器等 本设计利用单片机进行控制 主要是利用软件进行 环形脉冲分配 四相步进电机的工作方式为四相单四拍 双四拍和四相八拍工作的方 式 各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图所示 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 5 本设计的电机工作方式为四相单四拍 根据步进电机的工作的时序和波形图 总 结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律 四相双四拍的脉冲分配规律 在每 一种工作方式中 脉冲的频率越高 其转速就越快 但脉冲频率高到一定程度 步进 电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象 所以脉冲频率一定要控制在步进电机 允许的范围内 2 89C51 单片机 89C51 单片机是一种低功耗 低电压 高性能的 8 位单片机 它采用 CMOS 和高密 度非易失性存储技术 而且其输出引脚和指令系统都与 MCS 51 兼容 片内的 Flash ROM 允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程 内部除 CPU 外 还包括 256 字节 RAM 4 个 8 位并行 I O 口 5 个中断源 2 个中断优先级 2 个 16 位可编程 定时计数器 89C51 单片机是一种功能强 灵活性高且价格合理的单片机 完全满足本 系统设计需要 1 5 21 5 2 方案论证方案论证 从课程设计要求可知 该系统的输入量为速度和方向 速度应该有增减变化 通 常用加减按钮控制速度 由于设置八个键盘功能 采用 P1 口间接八个独立按键 系统 的输出线与步进电机的绕组数有关 这里选 5 线 4 相步进电机制 该电机共有四相绕 组 工作电压为 5V 可以个单片机共用一个电源 步进电机的四相绕组用 P1 口的 P1 0 P1 3 控制 由于 P1 口驱动能力不够 因而用一片 2803 增加驱动能力 用 P0 口 控制液晶显示转动状态及速度 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 6 2 2 硬件设计硬件设计 本设计的硬件电路只要包括控制电路 最小系统 驱动电路 显示电路四大部分 最小系统只要是为了使单片机正常工作 控制电路只要由开关和按键组成 由操作者 根据相应的工作需要进行操作 显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速 驱 动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大 从而驱动电机转动 2 12 1 控制电路控制电路 据系统的控制要求 控制输入部分设置了启动控制 换向控制 加速控制和减速 控制按钮 分别是 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 控制电路如下图所示 通 过 K1 K2 K3 选择单相 二相 一二相驱动 通过 K4 K5 选择正转 反转 通过 K6 K7 控制转速 K8 控制系统回复初始状态或重置状态 根据步进电机的工作原理可以知道 步进电机转速的控制主要是通过控制通入电 机的脉冲频率 从而控制电机的转速 对于单片机而言 主要的方法有 软件延时和 定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的 该电路控制 电机加速度主要是通过 K6 K7 的断开和闭合 从而控制外部中断根据按键次数 改 变速度值存储区中的数据 该数据为定时器的中断次数 这样就改变了步进电机的输 出脉冲频率 从而改变了电机的转速 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 7 2 22 2 最小系统最小系统 单片机最小系统或者称为最小应用系统 素质用最少的元件组成的单片机可 以工作的系统 对 51 系列单片机来说 最小系统一般应该包括 单片机 复位电路 晶振电路 2 32 3 驱动电路驱动电路 通过 ULN2803 构成驱动电路 电路图如下图所示 通过单片机的 P1 0 P1 3 输出 脉冲到 ULN2803 的 1B 4B 口 经信号放大后从 1C 4C 口分别输出到电机的 A B C D 相 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 8 2 42 4 显示电路显示电路 在该步进电机的控制器中 电机可以正反转 可以加速 减速 其中电机转速的 等级分为七级 为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级 这里设计了电机 转速和电机的工作状态的显示电路 在显示电路中 主要是利用了单片机的 P0 口 采 用 1602 液晶作显示 第一行根据键盘控制显示 Mode Single Mode Single Mode Double Mode Double Mode Mixed Mode Mixed 分别代表一相正转 一相反转 二相正转 二相反转 一二相正转 一二相反转 第二 行根据键盘控制显示 Speed 10 初始数字为 10 数字代表速度等级 共有 20 级 即数字可显示从 0 到 20 数字越小即周期越短速度越快 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 9 2 52 5 实物电路图实物电路图 各个部分的电路图组合成失误电路图 如下图所示 3 3 软件设计软件设计 通过分析可以看出 实现系统功能可以采用多种方法 由于随时有可能输入加速 加速信号和方向信号 因而采用中断方式效率最高 这样总共要完成 2 个部分的工作 才能满足课题要求 即主程序部分 定时器中断部分 其中主程序的主要功能是系统 初始参数的设置及启动开关的检测 若启动开关合上则系统开始工作 反之系统停止 工作 定时器部分控制脉冲频率 它决定了步进电机各个状态确定设置 下面分析主 程序与定时器中断程序及外部中断程序 1 主程序设计 主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置 系统状态的显示以及各种开关 状态的检测判断等 其中系统初始状态的设置内容较多 该系统中 需要初始化定时 器 外部中断 液晶屏 当上电时 液晶屏第一行显示 Mode 第二行显示 Speed 由于未设置步进电机工作状态 步进电机未工作 且液晶未显示步进电机 有关状态 2 定时中断设计 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 10 步进电机的状态设置由键盘的按下松开确定 K1 K8 的按下就会对数组进行赋值 通过对数组的判断确定我们所设置的工作状态 由于我们需要实时地调节步进电机的 转速 因此采用定时中断程序 每当扫描键盘时 K6 K7 的按下会对数组的值进行加 减 通过数组值的大小的改变控制步进电机的转动频率从而调节步进电机的转速 数 字值最大为 20 最小为 0 超出范围时数组值不可改变 由于对每一按键定义了一种功 能 当按下某些按键组合时会产生一些错误的设定 对于这种情况我们设定了 K8 作为 初始化 复位按键 按下 K8 会使系统回到初始状态 这时我们可以对系统进行重新正 确的设定或者转换另一种工作状态 4 4 程序编写程序编写 include define KeyPort P3 define LCD P0 sbit rs P2 4 定义液晶使能控制端口 sbit rw P2 5 sbit en P2 6 sbit A1 P1 0 定义反向驱动端口 sbit B1 P1 1 sbit C1 P1 2 sbit D1 P1 3 unsigned char n 5 unsigned char T 10 Y 0 unsigned char mode mode speed speed one Single two Double mixed Mixe d re Reset er Error define Coil AB1 A1 1 B1 1 C1 0 D1 0 对步进电机进行编码 define Coil BC1 A1 0 B1 1 C1 1 D1 0 define Coil CD1 A1 0 B1 0 C1 1 D1 1 define Coil DA1 A1 1 B1 0 C1 0 D1 1 define Coil A1 A1 1 B1 0 C1 0 D1 0 define Coil B1 A1 0 B1 1 C1 0 D1 0 define Coil C1 A1 0 B1 0 C1 1 D1 0 define Coil D1 A1 0 B1 0 C1 0 D1 1 define Coil OFF A1 0 B1 0 C1 0 D1 0 void DelayMs unsigned char t 定义延时 int x y for x t x 0 x 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 11 for y 110 y 0 y void write com unsigned char com 液晶显示状态控制程序 rs 0 rw 0 en 0 LCD com DelayMs 5 en 1 DelayMs 5 en 0 void write date unsigned char date 液晶数据显示程序 rs 1 rw 0 en 0 LCD date DelayMs 5 en 1 DelayMs 5 en 0 void init LCD 液晶初始化程序 int a write com 0 x38 write com 0 x06 write com 0 x01 write com 0 x0c write com 0 x80 for a 0 a 5 a write date mode a write com 0 x80 0 x40 for a 0 a 6 a 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 12 write date speed a void Init Timer0 定时器初始化 TMOD 0 x01 TH0 0 x00 TL0 0 x00 EA 1 ET0 1 TR0 1 PT0 1 void display 显示程序 char a b c d e if n 0 1 for a 0 a 6 a write date one a if n 0 0 for a 0 a 6 a write date two a if n 0 0 for a 0 a1 e 2 init LCD write com 0 x80 6 for a 0 a 5 a write date er a unsigned char KeyScan void 键盘扫面 unsigned char keyvalue if KeyPort 0 xff DelayMs 10 if KeyPort 0 xff keyvalue KeyPort while KeyPort 0 xff switch keyvalue case 0 xfe return 1 break case 0 xfd return 2 break case 0 xfb return 3 break case 0 xf7 return 4 break case 0 xef return 5 break 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 14 case 0 xdf return 6 break case 0 xbf return 7 break case 0 x7f return 8 break default return 0 break return 0 void danxiang 0 步进电机单相正转 Coil A1 DelayMs T Coil B1 DelayMs T Coil C1 DelayMs T Coil D1 DelayMs T void danxiang 1 步进电机单相发转 Coil D1 DelayMs T Coil C1 DelayMs T Coil B1 DelayMs T Coil A1 DelayMs T void erxiang 0 步进电机二相正转 Coil AB1 DelayMs T Coil BC1 DelayMs T Coil CD1 DelayMs T Coil DA1 DelayMs T 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 15 void erxiang 1 步进电机二相反转 Coil DA1 DelayMs T Coil CD1 DelayMs T Coil BC1 DelayMs T Coil AB1 DelayMs T void yi er 0 步进电机一二相正转 Coil A1 DelayMs T Coil AB1 DelayMs T Coil B1 DelayMs T Coil BC1 DelayMs T Coil C1 DelayMs T Coil CD1 DelayMs T Coil D1 DelayMs T Coil DA1 DelayMs T void yi er 1 步进电机一二相反转 Coil DA1 DelayMs T Coil D1 DelayMs T Coil CD1 DelayMs T Coil C1 DelayMs T 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 16 Coil BC1 DelayMs T Coil B1 DelayMs T Coil AB1 DelayMs T Coil A1 DelayMs T void run 步进电机控制程序 if n 0 1 if n 0 1 if n 1 1 if n 1 1 if n 2 1 if n 2 1 void Reset 初始化 复位程序 int a T 10 n 0 0 n 1 0 n 2 0 n 3 0 n 4 0 init LCD write com 0 x80 6 for a 0 a 10 a write date re a void main Coil OF