《四相步进电机控制系统设计课程设计论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四相步进电机控制系统设计课程设计论文.doc（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、广东药学院电子信息工程课程设计说明书 课程设计论文(设计)四相步进电机控制系统二级学院医药信息工程专 业电子信息工程班 级10电子信息工程学生姓名马靖 蔡燕微 谭美君学 号指导教师何永玲 余华芳2013 年 7 月课程设计任务书学生姓名：马靖 蔡燕微 谭美君 专业班级：10电子信息工程指导教师：何永玲 余华芳 学校：广东药学院题 目: 四相步进电机控制系统的设计初始条件：1、基本要求自制稳压电源。1)控制器能够驱动步进电机以四相四拍方式（步距1.8）正向运转。2)步进电机运行步数能够预置，每转一步自动减1，直到减到零，此时步进电机应能停止运转。3)绕组驱动电流不低于0.1安培。要求性能可靠、操
2、作简便。2、发挥部分1)步进电机还可以按四相相单四拍方式（步距1.8）、四相八拍(步距0.9)、四相双四拍(步距1.8)工作。2)步进电机还可以反向运转。绕组驱动电流能够达到0.2安培。由于步进电机价格比较昂贵，控制器的负载可以用低阻值的电阻代替，通过电阻的电流应符合要求，示波器观察脉冲序列应符号要求。 要求完成的主要任务: 1 硬件设计：系统总原理图及各部分详细原理图2 软件设计：系统总体流程图、步进电机单四拍，双四拍，四相八拍各模块流程图、显示模块流程图等3 编写程序：能够完成上述任务4 完成符合要求的设计说明书时间安排：2013年6月25日2013年7月2日指导教师签名： 年 月 日系主
3、任（或责任教师）签名： 年 月 日1目 录摘要11设计任务及要求22方案论证22.1 设计思路与方案32.2总体设计框图33系统实现的原理说明43.1 步进电机控制工作原理43.1.1步进电机的工作原理53.1.2 步进电机的启停控制53.1.3 步进电机的转向控制53.2步数显示模块原理54硬件设计64.1系统总原理图74.2各部分硬件原理图设计74.2.1 单片机控制模块74.2.2按键选择工作状态模块84.2.3步进电机工作模块94.2.4工作状态显示模块104.2.5 4位数码管显示步数模块105软件设计115.1系统总体设计125.2步进电机工作模块135.2.1步进电机的工作方式说
4、明135.2.2设计说明及流程图145.3数码管步数显示模块156仿真调试记录167心得体会17附录：程序清单18摘要本设计详细介绍了基于单片机的四相步进电机控制系统。步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，因此，单片机通过向步进电机发送控制信号就能实现对步进电机的控制。单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，该系统采用80C51单片机作为主控芯片，来完成对步进电机转动及LED显示的控制。本设计主要由单片机80C51，4相步进电机，7段数码管，及一些其他相关元件设计而成，分为按键选择工作状态模块、步进电机工作模块、LED二极管显示工作状态模块以及
5、4位数码管显示步数模块。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。运转时，用4位7段数码管来输出步数。最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。 电路结构简单，设计思路清晰，同时利用KEIL和Proteus进行联调仿真，结果比较直观。仿真结果收到了预期的效果。 关键字：四相步进电机、单片机、PROTEUS仿真四相步进电机控制系统的设计1设计任务及要求设计一个四相步进电机控制系统，要求系统具有如下功能：用SW11-SW13做为通电方式选择键，SW11为四相单四拍，SW12为四相双四拍，SW13为四相八拍；SW14为启
6、动/停止控制、SW1方向控制；用4位LED数码管显示工作步数。用3个发光二极管显示状态：正转时红灯亮，反转时黄灯亮，不转时绿灯亮。2方案论证2.1 设计思路与方案本次设计是一个对于四相步进电机的控制系统，而单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，此系统选用51单片机即可。根据要求整个设计大体可分为四块：一是5个按键SW11-SW13将用户所需来选择步进电机的工作状态。我们将开关连入单片机的P1口，通过按键开关的高低电平状态来读入我们所需的控制信号。硬件上直接把开关分别接在单片机的接口上，通过查询端口信号来动作，将控制信号处理。二是3个LED发光二极管的显示步进电机工作状态模块。
7、在设计要求中步进电机正转是红灯亮，反转是黄灯亮，停止不转是绿灯亮。设计中将3个发光二极管分别接到单片机P3口，受到单片机的输出信号控制。三是步进电机的工作模块。要想步进电机按照我们想要的方式运转，将步进电机一端接到+12V的电源，一端接到单片机P3口，受单片机的输出信号控制。四是4位数码管显示步数的模块。设计中主要是利用软件编程的算法来实现步数的累计和显示，同样，4位数码管接到单片机的P0口和P2口受单片机输出信号的控制，在硬件上使用的是动态显示的接法。由此可知所需要设计一个系统，可以通过不同按键来选择步进电机的工作方式，且有LED发光二极管来显示电机对应的工作状态，除此之外还能在数码管上显示
8、出步进电机转动的步数。2.2总体设计框图此系统主要由单片机、步进电机、步数显示模块、工作状态控制与显示模块组成。整体框图如图1。图1 系统整体框图3系统实现的原理说明3.1 步进电机控制工作原理3.1.1步进电机的工作原理步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。如图2所示，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
9、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，则转子会沿着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。 图2 步进电机工作原理图3.1.2 步进
10、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。3.1.3 步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为四相八拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。其他方式情况类似。3.2步数显示模块原理步数
11、显示模块和工作状态显示模块，都是通过单片机输出信号控制发光二极管LED的亮灭。其中步数显示模块中LED构成数码管，要求显示4位十进制数，故用到4位数码管。要控制多位的显示电路，需要有字段控制和字位控制。控制方式分为静态显示方式和动态显示方式。静态显示方式，每一位的显示器都需要配一个8位输出口来输出该字位的七段码，需要片外扩展输出口。而动态显示方式将各数码管的对应字段的引脚都并联在一起，线路简单，减少接口，不需片外扩展。这里选用动态显示方式。4硬件设计4.1系统总原理图图3 系统总原理图根据设计要求用PROTEUS所做的硬件连线图如图3。4.2各部分硬件原理图设计4.2.1 单片机控制模块单片机
12、选用最经典的80C51，其4个I/O口都要用到， P3接步进电机驱动电路及工作状态显示模块，P0和P2分别接步数显示中对数码管的字段控制及数码管片选，P1接工作状态控制电路,，时钟用内部方式需外接晶体振荡器。硬件图如图4所示。图4 单片机模块原理图此设计中接的是12MHZ的晶振，故一个机器周期为1/12us。根据经验数据，与晶振一起的两个电容设为15PF。单片机的VCC和GROUD都隐藏了，已自动接好，VCC应设为+5V。4.2.2按键选择工作状态模块5个按键开关一端通过电阻接高电平，另一端全部接到地，其中接高电平的一端对应也接到单片机的P1口分别为P1.0P1.4。当开关断开，就是输入到单片
13、机对应端口高电平，而开关闭合，是使端口接地，输入低电平。所以这个设计中开关断开时才是有效的。各按键功能：（1）SW11SW13为工作模式控制开关，SW11接电时，为步进电机单四拍工作模式；SW12接电时，为步进电机双四拍工作模式；SW13接电时，步进电机工作模式为四相八拍。（2）SW14为启/停控制开关，控制整个系统的开启和关闭。（3）SW1为正/反转控制开关，控制步进电机的转向。图5 按键模块原理图4.2.3步进电机工作模块将四相步进电机四个端口直接接到单片机P3.0P3.3即可，另两个端口接到+12V的高电平给步进电机供电。只需在软件编写上控制算法便可以调节这四个端口的高低电平来控制步进电
14、机的开启与停止，正反转以及工作模式。步进电机硬件接线图如图6所示。图6 步进电机模块原理图4.2.4工作状态显示模块LED发光二极管显示步进电机的工作状态，它们分别接到单片机的P3.5P3.7。图7 工作状态显示模块原理图4.2.5 4位数码管显示步数模块LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。通过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。P0口和P2口的前四个分别接步数显示中对数码管的字段控制及数码管片选，如图8所示，这里主要是由软件算法来实现单片机输出的控制。图8 数码管显示模块原理图5软件设计5.1系统总体设计开始数码管显示清零启动？选择工作模式正转？b赋予正向指针增量b赋予反向指针增量红灯亮黄灯亮P3输出控制模块使电机运转P1口改变？步数自增一调用步数显示程序
