本科畢業論文基于單片機的步進電機控制系統的設計摘要：步進電機是一種通過電脈沖信號控制相繞組電流，實現規定角度轉動的元件，它的優點是易于精確控制而且控制方法多種多樣，由于其良好的性能但功能較為齊全，適應性強，操作方便，可靠性高,能夠有機地把電子技術、單片機技術、電機的控制技術結合起來步進電機控制系統。這套系統能使我們更好地理解《機電傳動與控Abstract:SteppingmotorisacurrentbypulsesofelectricitycontrolphasewindingsrealizerotatingcomponentssetAngle.Itisegoodperformance,steppingmotorcanbewidemicrocontrollertocontrolthesteppingmotor,realizethecontrolmethodsoftware.usingsoftwareinsteadofbecausethattheintroductionofsometechnologiesinourspecializedtextbooksarealwitcannotcombinethetheorywithengineeringpracticeorganically.Asaresult,thpaperistodesignasetofhardwaresystemwhichisscomplete,multiused,convenientinoperatimicrocontrollertechnology,motorrelevantcoursesmoredeKeywords:SCM;steppingmotor;H-bri 11.1國內外的研究情況 11.2步進電機控制系統設計的意義 1.2.1基于單片機的步進電機控制系統 11.3本論文研究的主用工作和安排 22步進電機的概況 22.1步進電機的特點 22.2步進電機的類型 32.3六線四相混合式步進電機 33步進電機控制系統的概述 43.1步進電機控制系統簡介 43.2本系統簡介及特點 43.3本系統可實現功能 4系統硬件設計 54.1系統組成 54.2系統核心——AT89S52 64.2.1系統端口分配 64.3系統外圍電路設計 74.3.1顯示電路設計 74.3.2鍵盤電路設計 74.3.3復位電路 84.4驅動電路原理 85系統軟件設計 95.1系統軟件主流程 5.2端口定義 5.3各個模塊流程 5.4系統軟件運行仿真 6.1硬件制作 6.2程序燒入運行與調試 7總結與展望 7.1本項目取得成果 7.2研究展望 錯誤!未定義書簽。 1由于步進電機的各項突出優點，使它成為了機電一體化產品中的關鍵先生，廣泛應用于各種自動化控制系統中。比如在數控系統中就得到廣泛的應用。目前世界各國都在大力發展數控技術，我國的數控系統也取得了很大的發展，我國已經能夠自行研制開發適合我國數控機床發展需要的各種功勞。雖然與發達國家相比，我們我國的數控技術方面整體發展水平還比較低，但已經在我國占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在數控系統中得到廣泛的應用，近年來由于微型計算機方面的快速發展，使步進電機的控制發生了革命性變化。優點突出的步進電機被廣泛應用在電子計算機的許多外圍設備中，例如打印機，紙帶輸送機構，卡片閱讀機，主動輪驅動機構和存儲器存通信和雷達設備，攝影系統，光電組合裝置，閥門控制，數控機床，電子鐘，醫療設備及自動繪圖儀，數字控制系統，工具機控制，程序控制系統以及許多航天工業的系統中得到應用。因而，對于步進電機控制的研究也就顯得尤為重要了。當今工業控制的主流系統，是以微處理器為核心的控制系統，這種系統已經取代了常規的模擬檢測、調節、顯示、記錄等儀器設備的系統，并且具有高度復雜的計算方法和處理方法，被控制對象的各種動態過程都能按照規定的方式和要求來運行。一般的步進電機控制器都會用硬件來實現，現在在電子市場上能賣到的一些脈沖分配器專用集而基于單片機的步進電機控制系統就能很好地解決這些問題：采用單片機的軟件和硬件結合進行控制，運用其強大的可編程和運算功能，充分利用單片機的各種資源，能靈活的對步進電機進行路，使步進電機可在智能化程序控制下完成正轉、反轉、加減速及細分等各種操作。文中所設計的雙全橋驅動電路可使步進電機具有更高的性能，同時把數字電路與驅動電路隔離開，避免了步進電1.2.1基于單片機的步進電機控制系統達到了對步進電機的最佳控制。系統中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅動線路。由于單片機的強大功能，還可設計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉、反轉、加速、減速、停止等功能，采用中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序，完成對步進2電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉、反轉速度等狀態。環本方案有以下優點：(1)單片機軟件編程可以使復雜的控制過程實現自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響；(2)用軟件代替環形分配器，通過對單片機的設定，用同一種電路實現了多相步進電機的控制和驅動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性困；(3)單片機操作方便，交互性強，可靠性高的步進電機控制系統。并且這套系統能夠有機地把電子技術、單片2步進電機的概況步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(及步進角)。您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。在電機控制領域，步進電機具有電機控制的獨特優勢。這些電機通常用于測量和控制應用。其應用范圍包括噴墨打印機，數控機床和各類泵。步進電機所共有的這些特性使它非常適用于這些場1.無刷——步進電機是無刷的。換向器和電刷是那些常規電機最容易發生故障的組成部分，它2.負載無關——步進電機在負載不超過電機額定扭矩的情況下，無論負載多大都不影響電機的3.開環定位——步進電機的轉動是根據量化遞增或按照步數運行的。只要當電機運行在它的扭5.優秀的響應啟動，停止和正反轉。3按結構特點電磁式步進電機可分為反應式步進電機(VR)、永磁式步進電機(PM)(1)反應式步進電機(VariableReluctance,簡稱VR)反應式步進電機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態性能較差。反應(2)永磁式步進電機(PermanentMagnet,簡稱PM)永磁式步進電機的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。轉子的極數和定子的極數相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉矩大，動態性能好，消耗功率小(相比反應式),但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電。(3)混合式步進電機(Hybrid,簡稱HB)混合式步進電機綜合了反應式和永磁式兩者的優點。混合式與傳統的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發熱低。因永磁體低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅動用的交流同步機設計的，后來發現如果各相繞組同時，轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產生錯齒，2、5號4四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。本設計所用3步進電機控制系統的概述步進電機控制系統是一個有機的完整的整體，由運動控制系統和操作控制系統組成。由操作系統完成把操作者的操作轉化為運動控制系統能接受的電信號，運動控制系統隨之作出反應，完成規在步進電機控制系統中運動執行部件為步進電機。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確進電機的運行要有一電子裝置進行驅動，這種裝置就是步進電機驅動器，它是把控制系統發出的脈沖信號，加以放大以驅動步進電機。步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號機)、步進電機。不同的控制方案，步進控制器、驅動器也有不同的類型。本設計采用單片機來控制步進電機，實現了軟件與硬件相結合的控制方法。用軟件代替環形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。系統中采用并行控制，用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅動電路。通過軟件的控制，單片機按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機的轉動，從而實現數字—角度的轉換。轉動的角度大小與施加的脈沖數成正比，轉動的速度與脈沖頻率整個系統以單片機為核心，設計出硬件系統。以其中的幾個口控制驅動電路，由于步進電機工作時，電機繞組內的電流值一般都能達到數安培，而控制電機繞組內電流變化的控制信號一般都是由邏輯電路產生的數字信號，電壓一般比較低，為了防止單片機或控制信號等受到后級模擬電路的干擾，通常在驅動電源的設計時都要設計電壓隔離接口，以便把數字信號和模擬信號隔離開。所以由于單片機的強大功能，還可設計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，和單片機端口連接，設置了步進電機正轉、反轉、速度、停止等功能，顯示器及時顯示正轉、反轉53.可在運行時設置速度(10—100轉/分鐘);5.四位共陽數碼管顯示速度(單位為：轉/分鐘);4系統硬件設計平臺，各個功能的實現都是以硬件為基礎的，為了充分發揮單系統組成方框圖如圖4-1所示：四位共陽數碼管及運行電機驅動電路按鍵圖4-1系統框圖系統中采用并行控制，用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅動電路。鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉、反轉、開始、停止等功能，采用中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服6cP0.45789系列，以及最近推出的AVR,ARM等，品種繁多，功能各異。但是就目前來說，51系列的單片機仍用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash,使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、高效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節Flash,256字節RAM,32位I/0口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。4.2.1系統端口分配AT89S52單片機引腳結構如下圖4-2所示：2.P1.4—P1.5正反轉方向指示LE74.3系統外圍電路設計4.3.1顯示電路設計為了減少硬件開支，簡化電路，便于理解，本設計采用的是動態掃描顯示技術，動態掃描顯示技術是利用人類視覺上的“視覺殘留”的原理來實現的。比如要在個位顯示數字“123”,則單片機零，則百位顯示“1”,延時后再關閉百位顯示個位。循環反復掃描，當掃描率16Hz時，人眼看起來就沒有閃爍感是靜態的一組數碼了。4.3.2鍵盤電路設計8620pFP2.0820pF191開文s9圖4-4鍵盤電路系統設計了6個按鍵，鍵盤作為一個外部中斷源，分別設置了步進電機的啟/停、正/反轉、加/減速等功能，采用中斷和查詢相結合的方法調用中斷服務程序，在開始運行之前可以先設定步進電機的轉速，由四位數碼管顯示。4.3.3復位電路圖4-5復位電路本設計所采用的是簡單的手動按鈕復位電路，其基本功能是：在上電或復位過程中，控制CPU的復位狀態：這段時間內讓CPU保持復位狀態，而不是一上電或剛復位完畢就工作，防止CPU發出錯誤的指令、執行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。手動按鈕復位需要人為在復位輸入端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時，則Vcc的+5V電平就會直接加到RST端。手動按鈕復位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數十毫秒，所以，完全能夠滿足復位的時間要求。4.4驅動電路原理9圖4-6L298N驅動電路原理圖L298N是專用驅動集成電路，屬于H橋集成電路，與L293D的差別是其輸出電流增大，功率增強。其輸出電流為2A,最高電流4A,最高工作電壓50V,可以驅動感性負載，如大功率直流電機，L298N是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動并可以實現電機正轉與反轉，實現此功能只需改變輸入端的邏輯電平。內含二個H橋的高電壓大電中所示，12腳和6腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。L298N的邏輯功能如下表4-1所列。表4-1L298N的邏輯功能電機運行情況HHL正轉HHLH同IN2(IN4)同IN1(IN3)快速停止LXX5系統軟件設計本系統的軟件設計主要分為系統初始化、按鍵、顯示處理及控制脈沖輸出幾部分，事實上每一部分都是緊密相關的，每個功能模塊對于整體設計都是非程序流程圖的設計遵循自上而下的原則，從主體遂逐步細分到每個模塊的流程。本程序主要由鍵盤程序、顯示程序、步進電機驅動程序三部份組成，主程序首先初始化各變量，將顯示器、指示燈消隱，步進電機驅動的各引腳均輸出高電平，便進入待機狀態，等待鍵入相應操作。然后調用鍵||士反轉處理圖5-1主程序框圖sbitS3=P3^4;//正轉鍵5.3各個模塊流程開始根據設定的參數和運行模式進行步進電機控制脈沖輸出運行。程序中按照設定參數順序輸出控制脈沖是受定時器中斷控制的。如下圖5-2所示：√發送速度及轉向信返回3.按鍵流程：在此運行模塊中，在開啟定時器后，便進入速度檔位顯示和允許操作鍵盤掃描判開始開始文返回Keil是由美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，在功能上、鐘建鍵鍵鐘建鍵鍵EileEditYiewBrojetFlgshPebugFe10深要對畫數用深要對畫數用msignedcharcodeSEG?[30]-10xC0//D相//D相轉size:data-30.1xdata-0cod*HELLO“-0ErFDF(s),OWarning圖5-5運用Keil運行程序在軟件程序下載無誤，硬件仿真成功的情況下，開始進行實物制作，我在電子市場買來電子元件，在實驗室親自動手制作步進電機控制系統的實物，由于條件的不足，制作的時完全是由個人焊設計這塊內容并不熟悉，所以在實物制作時使用的是實驗板，使用實驗板所導致的后果就是經常在燈也能實現點亮，但是在經過仔細檢測以后我發現了兩個問題：1.電機的實際轉速與設定值并不相符合；2.起初我所設定的轉速范圍是(10—100轉/分鐘)在使用加速按鈕進行加速的過程中，上限顯示能夠達到100轉，但是在減速按鍵按下進行減速時，下線并不能達到10轉；發現問題以后，我圖6-1硬件實物圖當接入12V電源以后，數碼管顯示設置的最低速度10轉/分鐘，可以在此狀態下按加速或者減速按鈕來選擇自己所需要的速度，范圍為10—100轉/分鐘，選擇好速度以后，按下ON按鍵，步進轉的紅色指示燈就會點亮，系統可在運轉時利用加速和減速按鈕選擇所需速度，可以利用正轉和反轉按鈕來選擇步進電機轉向，復位按鈕則是對單片機進行復位作用，如果按下復位按鈕，步進電機將停止轉動，數碼管顯示轉速將會變為初始值10轉/分鐘。在調試過程中如果出現問題，鍵盤、顯示、以及步進電機無法實現各種功7總結與展望7.1本項目取得成果成一個操作方便，交互性強的控制系統。而且整個系統所包含的技術幾乎包括了現在學校《機電傳時斷電相不產生負的轉矩分量，其能量被輸7.2研究展望本人深知自己所作的工作還很不夠，由于軟件和硬件的各方面原因，系統的應用討論不夠，精度還有待進一步提高，由于時間的原因，設備的原因，試驗做的不全面，相關驗證性的數據、信息不夠豐富。可以肯定，隨著技術的不斷發展，步進電機的控制應用前景將越來越廣闊，而其控制系不斷吸取新的技術和方法，并將它們應用到本課題的研究上來，進一步深化我們的研究深度，爭取[4]楊剛《電子系統設計與實踐》,電子工業出版社2004-01.[5]馬忠梅，籍順心.單片機應用程序設計[M].北京航空航天大學出版社，[6]劉振棟.步進電機接口電路的設計.1999年第9期電測與儀表.[7]馬忠梅，等.單片機的C語言應用程序設計(第3版).北京航空航天大學出版社.[8]李廣弟，朱月秀，王秀山.單片機基礎(修訂本).北京航空航天大學出版社.[9]何福慶，曹養書，羅小兵.可預置步進電機驅動器.成都大學學報(自然科學版),2002,21(1):[10]RestonCondit,MicrochipTechnologyInc.Dr.DouglasW.JonesSteppingMotorsFundamentalsr(DS00907A2004MiJointAutomaticControlConf.,v附錄1:系統主體原理圖附錄附錄2:系統程序清單/*兩相四線制步進電機晶振12mhz*#include"intrins.h"http://#defineucharunsignedchar//無符號字符(8位)#defineuintunsignedint//無符號整數(16位)unsignedcharcodeSEG7[10]={0xCO,OxA4,OxBA,Ox99,0x92,0x82,0xC8,OxF9,0x80,0×90};管0~9的字形碼S1=P3^2;//開鍵S2=P3^3;//關鍵S5=P3^6;//加速鍵S6=P3^7;//減速鍵voidkey_K1(void);//啟動變量定義voidkey_K2(void)voidkey_K3(void);//正轉變量定義voidkey_K4(void);/voidkey_K6(void);ucharcnt_Z;//步進電機旋轉計數器變量定義ucharcnt_F;//步進電機旋轉計數器變量定義uintdedaM;//