课程设计步进电机控制系统

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1、上海工程技术大学课程设计（论文） 步进电机控制系统 1 目目 录录 1.绪论1 2.系统原理1 2.1 方案介绍.1 2.2 方案思路.2 2.3 系统框图.2 2.4 步进电机的原理.2 2.5 步进电机的拍数.2 2.6 步进电机的步距角.2 3.硬件设计.3 3.1 单片机的选择.4 3.2 I/O 接口芯片的选择5 3.3 步进电机的选择.5 3.4 四位数码管的选择.6 4.软件设计.7 4.1 主程序原理.7 4.2 8255 初始化程序设计.8 4.3 步进电机程序设计.8 4.4 显示子程序设计.10 5.调试与故障分析 10 6.课程总结.11 7.参考文献.12 8.系统设

2、计结果 12 附 1：硬件原理图13 附 2：源程序代码14上海工程技术大学课程设计（论文） 步进电机控制系统 2 1绪论绪论 步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子与转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当定子上绕组通电时，可产生激励磁场，并与转子形成回路。如果转子和定子之间的齿没有对齐，鱿鱼磁力线力图走磁阻最小的线路，从而带动转子旋转一角度，使转子的一对磁极旋转方向与定子的磁场方向一致。当定子绕组矢量磁场旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋

3、转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。随着电力电子技术的发展，可以实现细分驱动，即将一个步距角细分成若干小步来驱动。步进电机必须使用专用的步进电机驱动设备才能够正常工作。步进电机系统的运行性能，除与电机自身的性能有关外，在很大程度上还取决于驱动设备性能的优劣。 2 2. . 系统原理系统原理 2.1 方案介绍 本设计主要实现以下七项功能： （1） 设计一个步进电机控制系统，通过单片的 P1 口输出脉冲信号，不断的发送脉冲信号，使步

4、进电机连续运行。 （2） 利用 K0、K1、K2、K3 开关，使单片机读取开关状态，跳转至相应的程序中。 （3） 当开关 K0 置位时，程序执行第一功能，即步进电机正转 450 度，反转 450 度，反复循环。 （4） 当开关 K1 置位时，程序执行第二功能，即步进电机正转 180 度，反转 180 度，反复循环。 （5）当开关 K2 置位时，程序执行第三功能，即步进电机原地踏步，进一退一，反复循环。 上海工程技术大学课程设计（论文） 步进电机控制系统 3 （6）当开关 K3 置位时，程序执行第四功能，即步进电机前进两步后，反复循环。 （7）利用 8255 I/O 接口扩展芯片接四位数码显示管

5、，根据开关的不同状态使数码管显示不同的步进电机工作状态。 2.2 方案思路 因为步进电机的控制是通过脉冲信号来控制的，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。所以怎样产生这个脉冲信号和产生怎样的信号是电机控制的关键。用单片机来产生这个脉冲信号，通过单片机的 P1 口输出脉冲信号， 因为所选电机是三相的， 所以只需要 P1口的低四位 P1.0P1.3分别接到电机的四根电线上。使用 P3.0P3.3 口来调整电机的运动状态，通过开关 K0、K1、K2、K3 按钮，就可以改变定时初值从而改变了电机的运动状态，利用 8255 扩展接口接 LED 数码管，可以显示当前的电机按钮状态，具体结构见

6、2.1 框图 2.3 系统总框 图 1 步进电机控制系统总体结构框图 步进 电 机 A0 A1 A T89C51 单片机 P1.0P1.3 P3.0P3.3 四位数码显示管 K0 状态 1 K1 状态 2 K2 状态 3 K3 状态 4 8255 PA0PA7 PB0PB7 74LS 138 上海工程技术大学课程设计（论文） 步进电机控制系统 4 2.4.步进电机的工作原理 步进电机是纯粹的数字控制电动机。 它将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角

7、。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 如下图所示，驱动方式为三相双三拍方式各线圈通电顺序如下表： 表 3-1：三相双三拍方式驱动 相 顺序 C 相 P1.2 B 相 P1.1 A 相 P1.0 工作状态 控制模型 1 0 1 1 AB 03H 2 1 1 0 BC 06H 3 1 0 1 CA 05H 电机正反转控制和速度控制： 当电机绕 组通电 时序为 AB-BC-CA-AB-BC-CA 时 为正转 ，通电 时序为CA-BC-AB-CA-BC-AB 时为反转。步进电机的驱动电路，微电脑向步进电机输入端

8、传送 1 或 0 信息，则可实现上述操作。通过不同长度的延时来得到不同频率的步进电机输入脉冲，从而得到多种步进速度，也就是改变电机的转动速度。 2.5.步进电机的拍数 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以三相电机为例，有三相双三拍运行方式即AB-BC-CA-AB-BC-CA， 三相单三拍运行方式 A-B-C-A-B-C 。 2.6.步进电机的步距角 以三相单三拍为例来说明步距角，假如 A 相通电，B、C 两相都不通电，在磁场的作用下，使转子齿和 A 相的定子齿对齐。若以此作为初始状态，设与 A 相磁极中心对齐的转子齿为 0号齿， 由于 B

9、相磁极与 A 相的磁极相差，上海工程技术大学课程设计（论文） 步进电机控制系统 5 且/=不为整数，所以，此时转子齿不能与 B 相定子齿对齐，只是13 号小齿靠近 B 相磁极的中心线，与中心线相差。如果此时突然变为 B 相通电，而 A、C 两相都不通电，则 B 相磁极迫使 13 号转子齿与之对齐，整个转子就转动。此时，称电机走了一步。同理，我们按照 A-B-C-A 的顺序通电一周，则转子转动。 磁阻式步进电机的步距角： QS =360 式中，N=MCC 为运行拍数，其中 MC 为控制绕组相数，C 为状态系数。 3 3. . 硬件设计硬件设计 3.1.单片机的选择 本次设计以 CPU 选用 89

10、C5l 作为步进电机的控制芯片89C51 的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l 系列单片机的所有功能。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 图 2 AT89C51 单片机结构示意图 上海工

11、程技术大学课程设计（论文） 步进电机控制系统 6 3.2. I/O 接口芯片的选择 在 adlk 试验箱中 I/O 接口芯片的选择有 8255 和 8279 两种，由于我们之前已学过 8255 接口芯片，相对比较熟悉所以我们选择了 8255 作为 I/O 接口扩展芯片。8255 是可编程 I/O 口扩展芯片。可作为 CPU 总线与外围的接口.对 8255 输入不同的指令可改变 I/O 口的工作方式。 图 3 8255A I/O 接口芯片结构示意图 3.3. 步进电机的选择 在 adlk 试验箱中已有四相的步进电机，所以我们将采用四相步进电机。 四相步进电机工作原理: 图 4 四相步进电机示意图

12、 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上海工程技术大学课程设计（论文） 步进电机控制系统 7 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。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 5 a、b、c 所示： a. 单四拍 b. 双四拍 c 八拍 图 5 步进电机工作时序波形图 图 6 步进电机驱动模块图 3.4.四位 LED 数码管的选择 数码管选用 7 段共阳 4 位 LED. 图 7 四位数码管结构示意图 上海工程技术大学课程设计

13、（论文） 步进电机控制系统 8 4 4. . 程序设计程序设计 4.1.主程序原理 进入主程序显示初始化状态，主程序由开关程序、显示程序、步进电机驱动程序三部分组成，主程序首先初始化各变量，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，然后调用开关程序，并作判断，有键按下，则调用键盘程序，并显示出状态。 反转状态 3 开始 显示初始化状态 开关检测 K0=1 K1=1 K2=1 K3=1 反转状态 1 反转初始正转状态 1 数码管初始 化及显示 （1） 正转初始结束 正转初始正转初始正转初始数码管初始 化及显示 （2） 数码管初始 化及显示 （3） 数码管初始 化及显示 （4） 正转状态 2 正转状正转状

14、反转初始反转初始反转初始反转状态 2 反转状态 4 上海工程技术大学课程设计（论文） 步进电机控制系统 9 4.2. 8255 初始化程序 D8255 EQU 0F22BH ;8255 命令口地址 D8255A EQU 0F228H ;8255 PA 口地址 D8255B EQU 0F229H ;8255 PB 口地址 D8255C EQU 0F22AH ;8255 PC 口地址 ORG 0000H LCALL DELAY2 ;延时 MOV DPTR,#D8255 MOV A,#81H ;置 8255 状态 10000001 MOVX DPTR,A 此程序主要是对 8255I/O 接口芯片的初

15、始化，设置 8255 PA 口、PB 口、PC 口的工作方式，使它们工作在相应的状态下。 4.3. 步进电机程序 这里以步进电机的反转为例： MOV R6,#10H FZ1: MOV P1,#0DH ACALL DELAY MOV P1,#0BH ACALL DELAY MOV P1,#07H ACALL DELAY MOV P1,#0EH ACALL DELAY DJNZ R6,FZ1 SJMP READ AJMP START1 开始单片机读取开关的状态，判断开关 K0、K1、K2 、K3 状态是否为 1，若K1 开关状态为 1，则程序跳转到 START1 开始执行。这里以反转为例说明，R6 传送#10H，表示步进电机需要反转步进 450 度，同时 P1 口分别延时发送#0DH、#0BH、上海工程技术大学课程设计（论文） 步进电机控制系统 10 #07H、#0EH 作为步进电机反转四相脉冲。当着四步执行结束后程序继续判断