步进电动机控制系统与开发

1、四川理工学院课 程 设 计题目： 步进电动机控制系统与开发 班 级： 学生姓名： 指导老师： 二一三年十二月引 言 步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实现单片机控制

2、步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、

3、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。 本课程设计主要是设计用微机对四相步进电机的运行方式、方向及速度的自动控制系统，和编写汇编程序实现要求的动作。目 录一、设计要求3二、步进电机工作原理32.1步进电机结构32.2步进电机的旋转4三、设计方案53.1单片机的选择53.2时钟电路的选择63.3驱动电路的选择63.4显示部分63.5步进电机的选择7四、硬件设计74.1硬件设计的总体框图74.2硬件电路设计图84.3电路连接图如下8四、软件设计91程序流程图92实

4、现源代码11五、结果分析17六、小结18参考文献19一、设计要求 （1）设计控制系统硬件电路。 （2）编写驱动程序，实现步进电动机来回走50步，然后红色发光二极管闪烁10次，从任意一点开始忙走100步，绿色发光二极管闪烁5次，停留50秒，黄色发光二极管闪烁5次，最后快速返回原处。二、步进电机工作原理2.1步进电机结构 电机转子均匀分布着40个小齿，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）下面是定子和转子的展开图

5、： 图1.12.2步进电机的旋转 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

6、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。图1.2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步进电机旋转的物理条件。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

7、般以二、三、四、五相为多。三、设计方案本设计能实现的功能模块分别为：单片机部分、时钟部分、控制驱动部分、显示部分和步进电机，下面将根据各个部分的方案选择进行分析。3.1单片机的选择采用51系列的单片机，51系列单片机应用很广泛，集成度高，可靠性强，系统结构简单，价格低廉，易于使用等等优点。 Atmel公司生产的90C51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FlashROM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

8、，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，90C51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，图2.1为本单片机的引脚图。图2.13.2时钟电路的选择方案一、直接利用单片机的定时器，通过编写程序完成定时功能。优点是不适用外围芯片，成本低，缺点是软件复杂点，可靠性不高，断电后无法记录时间。方案二、使用实时时钟芯片如DS1302、DS1307、PCF8485.优点是时间精确，耗电少，但是无主电源的情况下要有备用电池，确保时钟不停止，一般应用在较为精确且高档的设备上。从性价比上考虑，本设计直接利用单片机的定时时钟，通过编程实现定时的功能。 3.3驱动电路的选择 方案

9、一、UDN2916LB是SANKEN公司推出的一款两相步进电机双极驱动集成电路，能够驱动双绕组双极步进电机，特别适用于目前国内税控市场双步进微型打印机电机的控制。UDN2916LB适用的电机电压范围为1045V，逻辑电压不能超过7V；通过内部脉宽调制控制器(PWM)可实现最大750mA的输出电流；内置1/3和2/3分割器；逻辑输入实现1相/2相/W1-2phase激励模式；内置过热和交叉电流保护功能；集成钳位二极管；内置防止低压误操作等保护功能。UDN2916LB内部结构如图所示，芯片有两组电路构成，每组电路由PWM控制器、电桥及辅助电路组成。方案二、使用驱动芯片L298，L298为H桥驱动芯

10、片，可以为负载提供双向的电流。适合驱动2相或4相的步进电机，也可以驱动2台普通的有刷直流电机。驱动电流为2A，只用用298需要自己编写控制脉冲时序，而与297联合起来用只需单纯输入脉冲就可以，简单方便，但是相应的成本增加了。综合本设计的需求，在满足本设计的要求下，选用方案一较为经济。3.4显示部分 方案一、采用LCD液晶显示，LCD液晶显示具有方便，美观、显示信息量大的特点，现在市场上集成度高的显示屏在编程方面也较为简洁，缺点是成本较高。 方案二、采用LED数码管显示，数码管显示在、硬件连接方面显得较为复杂，在不同的应用场合下配合使用的芯片业不同，但是对于LCD液晶显示来说，在成本方面占较大优

11、势。 根据本设计的要求，最终选择了方案二。3.5步进电机的选择 常用的步进电动机分为单极性和双极性两种，步进电机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，达到调速的目的。 双极性步进电机每个绕组都可以两个方向通电。每个绕组都既可以是N极又可以是S极。又被称为单绕组步进电机，因为每极只有单一的绕组，它还被称为两相步进电动机，因为具有两个分离的线圈。 本设计采用双极性四线步进电动机，使用UDN2916驱动芯片四、硬件设计4.1硬件设计的总体框图 本设计主要有：单片机、LED显示、UDN2916

12、驱动和步进电机部分。STC90C51控制开关显示电路驱动部分步进电动机图3.1 打开控制开关，接通电源，通过USB接口将编译好的程序烧入CPU（STC90C51）。将CPU管脚P2.0P2.5的电平高低作为步进电动机驱动芯片（UDN2916）的输入信号，将驱动芯片的驱动引脚接步进电动机的输入线，从而控制步进电动机的运转。电动机驱动成功后，将先来回走50步，然后红色的LED灯闪烁10次；之后步进电动机再从任意一点开始以慢节拍走100步，然后绿色的LED灯闪烁5次；最后步进电动机快速退回原位，紧接着黄色的LED灯闪烁5次，结束程序4.2硬件电路设计图图3.24.3电路连接图如下 图4.3 如图所示

13、，排线连接P2.0-P2.5到驱动芯片的M_IN端（I12，I11，I02，I01，P2，P1），驱动芯片的输出端口M_OUT（B+，B-，A+，A-）连接到步进电动机。CPU端口P0.0P0.2分别连接到红，绿，黄LED灯。四、软件设计1程序流程图调用GO1（）函数正转100次调用GO3（）函数 快速退原处 调用延时函数delay()等待50s绿灯闪烁5次调用GO2（）函数正走50次红灯闪烁10次程序开始程序结束黄灯闪烁5次图4.1流程图说明：首先程序进行初始化，然后编译运行程序。延时函数delay()的实现是依赖于函数内部循环汇编语句所需的机器周期以及CPU内部的时钟周期来实现的(Fosc

14、=11.9MHZ)。2实现源代码/* 单相四拍通电驱动时序： * 正转： A/ B A B/ * 反转： B/ A B A/ * * * UDN2916电流控制真值表： * I0 I1 输出电流 * L L 最大 * HL 最大*2/3 * LH 最大*1/3 * H H 0 * */ #include reg52.h#define RELOAD_HIGH 0x3C#define RELOAD_LOW 0xB0sbit hh = P07;void system_tick(void) interrupt 3 unsigned int second_cnts = 0;TR1=0; / 停止定时器T

15、H1 = RELOAD_HIGH; / 设置重装值TL1 = RELOAD_LOW;TR1 = 1; / 重新启动定时器second_cnts+; / 减时标计数器if (second_cnts = 100) / 五十秒钟过去了. 进行相应的操作hh = 0;ET1 = 0;EA = 0; / 执行中断操作int speed = 280;int steps = 25; /50sbit PH1 = P25; /定义管脚sbit PH2 = P24;sbit I01 = P23;sbit I11 = P22;sbit I02 = P21;sbit I12 = P20;sbit red = P00;

16、sbit green = P01;sbit yellow = P02;void delay(int);void Go1(void);void Go2(void);void Go3(void);void main() int cishu = 10;while(steps-) Go1();while(cishu-)red = 1;delay(500);red = 0;delay(500);red = green;steps = 12;speed = 480; while(steps-) Go2();cishu = 5;while(cishu-) green = 1;delay(500);green

17、 = 0;delay(500);green = yellow;steps = 10;while(steps-)delay(5000);steps = 12;speed = 80; while(steps-) Go3();cishu = 50;while(cishu-)yellow = 1;delay(500);yellow = 0;delay(500);void Go1() PH1 = 0; /PH1为0 则A线圈为反向电流 I01 = 0;I11 = 0; /以最大电流输出PH2 = 0; /PH2为0 则B线圈为反向电流I02 = 1;PH2 = 1; /PH2为1 则B线圈为正电流I02

18、 = 0; /以最大电流输出I12 = 0;delay(speed);PH1 = 1; /PH1为1 则A线圈为正向电流 I01 = 0; /以最大电流输出I11 = 0;PH2 = 1; /PH2为1 则B线圈为正向电流I02 = 1; /输出0I12 = 1; delay(speed);PH1 = 1; /PH1为1 则A线圈为正向电流I01 = 1;I11 = 1;PH2 = 0; /PH2为0 则B线圈为反向电流I02 = 0;I12 = 0;delay(speed); void Go3()PH1 = 1; /PH1为1 则A线圈为正向电流I01 = 1;I11 = 1;PH2 = 0

19、; /PH2为0 则B线圈为反向电流I02 = 0;I12 = 0;delay(speed);PH1 = 1; /PH1为1 则A线圈为正向电流 I01 = 0; /以最大电流输出I11 = 0;PH2 = 1; /PH2为1 则B线圈为正向电流I02 = 1; /输出0I12 = 1; delay(speed);PH1 = 0; /PH1为0 则A线圈为反向电流 I01 = 1; /输出0I11 = 1;PH2 = 1; /PH2为1 则B线圈为正电流I02 = 0; /以最大电流输出I12 = 0;delay(speed);PH1 = 0; /PH1为0 则A线圈为反向电流 I01 = 0;I11 = 0; /以最大电流输出PH2 = 0; /PH2为0 则B线圈为反向电流I02 = 1;I12 = 1; /输出0delay(speed); void delay(int time) int i,j; for(j=0; j time; j+) for(i =0 ; i 111; i+);五、结果分析通过观察得出步进电动机先来回走50步，然后红色的LED灯闪烁10次；之后步进电动机再从任意一点开始以慢节拍走100步，然后绿色的LED灯闪烁5次；最后步进电动机快速退回原位，紧接着黄色的LED灯闪烁5次，说明程序成功执行。步进电动机的来回进步，是通过对其内部A B两个绕组分别加