《课程设计-基于单片机的步进电机控制系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《课程设计-基于单片机的步进电机控制系统设计（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电气工程及其自动化专业方向课程设计课题： 步进电机控制系统设计 班级 学号 姓名 专业 电气工程及其自动化 系别 电子与电气工程学院 指导教师 淮阴工学院电气工程及其自动化教研室2010 年 12 月2目 录1.系统概述1.1 步进电机控制工作原理 31.2 系统设计思路 32.系统硬件设计2.1 总体设计 42.2 步进电机控制电路 52.3 显示电路 63.系统软件设计3.1 总体设计 83.2 关键模块设计 104.设计感想5.参考文献附录 133一. 系统概述1.1 步进电机控制工作原理步进电机实际上是一个数字角度转换器，也是一个串行的数 模转换器。步进电机的基本控制包括启停控制、转向
2、控制、速度控制、换向控制 4 个方面。从结构上看，步进电机分为三相、四相、五相等类型，常用的则以三相为主。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍 3 种，下面具体加以阐述。1.1.1 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。 1.1.2 步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换
3、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。1.1.3 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。2 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速。1.1.4 步进电机的换向控制步进电机换向时，一定要在电机减速停止或降到突跳频率范围之内再换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第 1 个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求要有一定的脉冲宽度(一般不小于
4、 5s)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了减速换向加速 3 个过程。 1.2 系统设计思路4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，并行输入/ 输出接口 8255A，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，这次设计并不是使用键盘来输入运转步数，而是由 8 个开关置 0/1 设步数。运转时，用 3 位 7 段数码管来输出剩余步数。最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。详细的设计步骤将在下面说明
5、。 二.系统硬件设计2.1 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，K 0 为单三拍，K 1 为双三拍，K 2 为三相六拍；2.K3、K 4 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 K5-K12 作为步数的给定值；5.用 3 位 LED 显示剩余工作步数；根据设计要求用 PROTIU 所做的硬件连线5ALEA01XTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0./AD039.1/18P0.2/AD237.3/36P0.4/AD435.5/54P0.6/AD63.7
6、/72P2.7/A1528P2.0/A821.1/9P2./A023.3/14P2.4/A225.5/136.6/47P1.01.2P1.23.34P1.45.56P1.67.78 P3.0/RXD10.1/TP3.2/IN012./IT13P3.4/014P3.7/RD17.6/W6.5/T15U180C51D0341D23231D430529D68727RD5W36A0918REST35CS6PA0413PA2231PA440539PA68737PB01819PB22031PB4253PB62475PC01415PC21637PC41352PC6170U2825AC1nFC21nF X1C
7、RYSTALK0SW-SPDTK1SW-SPDTK2SW-SPDT红 灯LED-RED 黄 灯LED-YELOW绿 灯LED-GREN K3SW-SPDTK4SW-SPDTK12SW-SPDTK1SW-SPDTK10SW-SPDTK9SW-SPDTK8SW-SPDTK7SW-SPDTK6SW-SPDTK5SW-SPDT+12V 1B11C1622253B33C1444435B55C126667B77C10 OM9U3LN204A+8.+12v+12VD03Q02 1415 D27Q26 3839 D413Q412 5455D617Q616 7879 OE1LU474LS371 2U5:A740
8、图 1 2.2 步进电机控制电路2.2.1 启/停控制、正/反转控制、工作模式控制电路分析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，K O 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；K 2 接电时，步进电机工作模式为三相六拍。2.2.2 步数给定值控制电路用 8255A 的 PA8 个口来作为步数的输入口，用开关 K5-K12 来控制 8 位 2 进制数的数值，开关接电则为 1，接地为 0，控制步数范围 0255。6图 22.2.3 步进电机控制电路将 80C51
9、的 P1.0-P1.3 作为步进电机的输出控制口。图 32.3 显示电路2.3.1 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 PC7 接红灯，PC6 接黄灯，PC5 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7指示灯亮。图 42.3.2 八段数码管显示电路由 8255A 的 PB 口取出显示码，从 80c51 的 P1.5-1.7 输出位选码，设计中我们主要用到 3 位显示步数既可。8图 5三.系统软件设计3.1 总体设计3.1.1 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
10、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 (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P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2C 相P1.1B 相P1.0A 相工作状态控制模型1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H2 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02H3 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04H92.三相六拍工作方式在这种工作方式下,绕组以 AABBBCCCAA 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
11、称为三相六柏工作方式。其步距角 b 为:b = 360 /2mz = 180 /mz ( 2)六拍的数学模型：控制位步序P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2C 相P1.1B 相P1.0A 相工作状态控制模型1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H2 0 0 0 0 0 0 1 1 AB 03H3 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02H4 0 0 0 0 0 1 1 0 BC 06H5 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04H6 0 0 0 0 0 1 0 1 CA 05H3.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 ABBCC
12、AAB (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 + k1/m进一步化简得齿数 z:z = q (mR + k) (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：控制位步序P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2C 相P1.1B 相P1.0A 相工作状态控制模型1 0 0 0 0 0 0 1 1 AB 03H2 0 0 0 0 0 1 1 0 BC 06H3 0 0
13、0 0 0 1 0 1 CA 05H103.1.2 系统总体流程图设计说明：设 8255 地址为 8000-8300H，显示位地址为 30H。首先复位单片机，然后判断是否启动，没启动绿灯亮重新确认启动。启动后读取 PC 口数据，判断工作方式。接着由双向开关 K5 到 K12 来置入步数值到 R0 中。由 PC4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。前置流程已经完毕，接着就是由 P1 口输入控制模型来让步进电机转动，每走一步 R0-1，没走完继续直至 RO=0。最后由八段数码管同步输出所剩步数。具体流程详见下流程图。3.2 关键模块设计3.2.1 三相步进电机模块
14、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。3.2.2 显示模块设计设计说明：显示模块是用 3 位八段数码管来显示剩余步数。先将显示缓冲区首地址送 R2，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，取出显示码，从 PB 口输出显示码， P1 口输入位选码，显示出 3 位剩余步数，最后修改显示缓冲区，求下一位位选码继续显示。 11YNNYY单片机80C51给步进电机复位启动？ 绿灯亮N判断工作方式PA 口输入步数到 R0DPTR 正向控制模型指针PC4=0？正转反转红灯亮黄灯亮延时，且模型地址加 1R0-1=0?步进电机继续转动R0 减 18 段数码管显示剩余步数DPTR 反向控制模型地址
