步进电机控制器

步进电机控制器一设计任务书〔一〕设计内容：用80C51单片机设计一个步进电机控制器〔二〕设计要求：〔1〕用80C51设计一个步进电机控制器〔2〕可控制步进电机的启动与停止、正转与反转〔3〕10档速度调节〔4〕点动控制〔5〕可显示电机运行参数二设计总体方案〔一〕控制方式控制方式主要有：电机转速加减按钮；正反转按钮；停止启动按钮。控制方式是按键控制。由于设计只需要四个按钮，不需要采用复杂编码，考虑硬件条件，线路连接和经济性等方面，选择独立按键的方式。〔二〕步进电机控制设计方案由于课程设计所用的实验箱上有步进电机单元，而且电机与驱动芯片ULN2803已经连接好，故只需将AT89C51的I/O接口与实验箱ULN2803芯片上预留的4个接口对应连接即可〔三〕单片机的选择AT89C51高性能8位单片机，内部集成CPU，存储器，I/O接口，从而构成较为完整的计算机，价格廉价。本次课程设计是在仿真环境下进行，我们课程设计实验室所用的仿真器就是用AT89C51，没有太过考虑单片机选择的问题。〔四〕程序编写语言的选择软件局部的选择主要是指编程语言的选择，编译调试工具根据设计平台选择伟福软件。编程语言主要有以下两种方案。方案一：采用C语言编程。C语言是一种结构化的高级语言，编程灵活，可移植性强，但占用资源多，执行效率低。方案二：采用汇编语言进行编程。汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言，占用资源少，程序执行效率高，但不易移植。本学期所学的单片机是用汇编语言来讲述的，故本次课程设计采用汇编语言来进行程序编写。三硬件设计〔一〕总体设计方框图如下列图一：步进电机ULN2803启动电路键盘控制电路复位电路89C51单片机电源及时钟电路步进电机ULN2803启动电路键盘控制电路复位电路89C51单片机电源及时钟电路图1总体设计方框图〔二〕步进电机原理及控制技术1〕步进电机将电脉冲转化为角位移或线位移的开环数字控制执行机构在非超载的情况下，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，不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度〔步距角〕。分为反响式步进电机〔VR〕、永磁式步进电机〔PM〕、混合式步进电机〔HB〕。2〕步进电机工作原理开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，那么转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。双四拍运行方式：AB→BC→CD→DA→AB四相八拍运行方式：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A3)控制技术(1)换相顺序的控制通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式下，其各相通电顺序为A→B→C→A，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通断。三相双三拍的通电顺序为AB→BC→CA→AB，三相六拍的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A。(2)步进电机的换向控制如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。假设步进电机的励磁方式为三相六拍，即A→AB→B→BC→C→CA→A。如果按反序通电换相，即A→AC→C→CB→B→BA→A，那么电机就反转。其他方式情况类似。(3)步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。(4)步进电机的起停控制步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。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，跳过电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，那么需采用适宜的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。(5)步进电机的加减速控制在步进电机控制系统中，通过实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于惯性跟不上电信号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。所有步进电机在启动时，必须有加速过程，在停止时波形有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比拟符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，有了这些数据，才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程有突然施加的脉冲启动频率f0。步进电机的最高启动频率〔突跳频率〕一般为0.1KHz到3~4KHz，而最高运行频率那么可以到达N*102KHz，以超过最高启动频率的频率直接启动，会产生堵转和失步的现象。〔三〕单片机AT89C51使用介绍本次设计采用伟福仿真器模仿AT89C51环境。AT89C51为一款典型的80C51单片机，具有8位数据总线，16位地址总线，128字节片内RAM和4K的片内ROM以及四个并行I/O口等单元，其连接图如图2所示。图2AT89C51连接图〔四〕控制电路图3所示图3SB1:启动按钮SB2：加速按钮SB3：减速按钮SB4：正反转控制按钮〔五〕电机与P1口连接图4图4〔六〕总体电路图实验箱上的连接图5总图5四软件设计〔一〕主程序设计主程序流程图6主程序开始主程序开始设定程序初值按下SB1?延时再判SB1？等待中断标志求反按下SB4?延时再判SB4？等待中断标志求反按下SB3?延时再判SB3？等待中断减速按下SB2?延时再判SB2？等待中断加速判标志决定电机启，停判标志决定电机正，反转图6〔二〕定时中断程序设计中断效劳程序流程图7关定时器T1关定时器T1计算时间常数启动定时器T1取数据电机运行判控制字决定正，反转图7〔三〕源程序代码清单及注释ORG0000H;程序入口地址LJMPMAIN;跳转至主程序ORG001BH;定时器T1中断程序入口地址LJMPTT1;跳转到中断效劳程序ORG30H;主程序入口地址MAIN:MOVR0,#0H;给R0赋初值MOVDPTR,#TB;指向通电数据表首地址MOVP1,#0FFH;电动机停止MOVTMOD,#10H;设定定时器T1初值MOVTH1,#0HMOVTL1,#0FFHMOV25H,#0E0H;设定转速调节系数MOV24H,#0D0H;设定转速调节系数MOV23H,#0C0HMOV22H,#01HSETBET1;定时器T1中断开SETBEA;总中断MOVR7,#1;设置转速调节值MOV20H,#0;按键SB1检测程序SB1:JBP1.0,SB2;按键SB1是否按下〔P1.0=0？〕？否，跳转至SB2检测程序CALLD1;是，调用10ms延时程序延时JBP1.0,SB2;再次确认按键SB1是否按下〔P1.0=0？〕？否，跳转至SB2检测程序JNBP1.0,$;按键SB1真按下了，等待中断CPL00H;标志求反JNB00H,stop;00H=o?是，跳转到电机停止程序SETBTR1AJMPSB2;电机停止程序STOP:CLRTR1;停止定时器T1;按键SB2检测程序SB2:JBP1.1,SB3;按键SB2是否按下〔P1.0=0？〕？否，跳转至SB3检测程序CALLD1;是，调用10ms延时程序延时JBP1.1,SB3;再次确认按键SB2是否按下〔P1.0=0？〕？否，跳转至SB3检测程序JNBP1.1,$;按键SB2真按下了，等待中断INCR7;R7加1CJNER7,#136,SB3;R7不等于136，跳转到按键SB3检测程序MOVR7,#135;传送转速最大值至R7;按键SB3检测程序SB3:JBP1.2,SB4;按键SB3是否按下〔P1.2=0？〕？否，跳转至SB4检测程序CALLD1;是，调用10ms延时程序延时JBP1.2,SB4;再次确认按键SB3是否按下〔P1.2=0？〕？否，跳转至SB4检测程序JNBP1.2,$;按键SB3真按下了，等待中断DECR7;R7减1CJNER7,#0,SB4;R7不等于0，跳转到按键SB4检测程序MOVR7,#1;传送转速最小值至R7;按键SB4检测程序SB4:JBP1.3,CHONG;按键SB4是否按下〔P1.3=0？〕？否，跳转至按键重检CALLD1;是,调用10ms延时程序延时JBP1.3,CHONG;再次确认按键SB4是否按下〔P1.3=0？〕？否，跳转至按键重检JNBP1.3,$;按键SB4真按下了，等待中断CPL01H;01H求反〔转向控制字〕;按键重检CHONG:SJMPSB1;跳转至按键SB1检测程序;10ms延迟程序D1:MOVR6,#4;10ms延迟循环D11:MOVR5,#01HDJNZR5,$DJNZR6,D11RET;通电数据表TB:DB0EFH0CFH0DFH9FH0BFH3FH7FH6FH;定时器T1中断效劳程序TT1:CLRTR1;定时器T1关闭MOVA,25HMOVB,R7MULABMOV27H,APUSHBMOVA,24HMOVB,R7MULABPOPBADDA,B;计算定时常数MOVTH1,AMOVTL1,27HSETBTR1;启动定时器T1MOVA,R0MOVCA,@A+DPTR;指向通电数据表，取数据MOVP1,A;运行JB01H,NIZHUAN;01H=1?是，跳转至逆时针旋转程序INCR0;顺时针运行CJNER0,#08,ZHONG;R0不等于8，跳转至中断返回MOVR0,#0;R0=8,开始下一次循环AJMPZHONG;跳转至中断返回;逆时针旋转程序NIZHUAN:DECR0;R0减1CJNER0,#0FFH,ZHONG;R0不等于#OFFH，跳转至中断返回MOVR0,#7