步進馬達控制電路課程設計

1、<p>　　《測控系統(tǒng)原理與設計》課程設計報告</p><p>　　課題：步進馬達控制電路設計</p><p>　　班級 測控1082班 學號 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　指導教師

2、 </p><p><b>　　電子與電氣工程學院</b></p><p><b>　　2011年12月</b></p><p><b>　　一 緒論</b></p><p>　　步進電機最早是在1920年由英國人所開發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應

3、用在步進電機上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解性能、高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展

4、，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。 1.1步進電機的工作原理</p><p>　　步進電機的工作就是步進轉動，其功用是將脈沖電信號變換為相應的角位移或是直線位移，就是給一個脈沖信號，電動機轉動一個角度或是前進一步。步進電機的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉速與脈沖頻率(f)成正比，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個

5、脈沖信號，電機則轉過一個步距角。</p><p>　　如下所示的步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。圖1-1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。</p><p>　　圖1-1 四相步進電機步進示意圖</p><p>　　開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極

6、和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。</p><p>　　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(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D</p><p>

7、　　四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。</p><p>　　單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2-2所示：</p><p>　　圖1-2 步進電機工作時序波形圖</p><p><b>　　二 總體設計方案</b></p><p><b>　　2.1、方案介紹<

8、/b></p><p>　　本設計采用單片機AT89S51來作為整個步進電機控制系統(tǒng)的運動控制核心部件，采用了電機驅動芯片L298及其外圍電路構成了整個系統(tǒng)的驅動部分，再加上作為執(zhí)行部件的步進電機來構成了一個基本的步進電機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的具體功能和要求如下：</p><p>　　1.單片機最小系統(tǒng)板的設計；</p><p>　　2.設計兼有兩相兩拍和兩相四拍的

9、脈沖分配器;</p><p>　　3.實現(xiàn)步進電機的啟停、正轉、反轉控制；</p><p>　　4.驅動電路可提供電壓為12V，電流為0.3A的驅動信號;</p><p>　　5.能實現(xiàn)步進電機的轉速調(diào)節(jié)，最低轉速為25轉/分，最高轉速為100轉/分；</p><p>　　6.步進電機的轉速由數(shù)碼管顯示；</p><p&g

10、t;　　7.鍵盤掃描電路的設計本</p><p>　　本課題的研究目的之一就是設計一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應性強，操作方便，交互性強，可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　2.2總體框圖</b></p><p>　　根據(jù)設計要求，步進電機控制電路可以分為控制模塊、顯示模塊、電源模塊、鍵盤模塊、電機驅動模塊

11、、步進電機部分。步進電機控制電路基本模塊方框圖如圖2-1所示。單片機最小系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的控制核心，它主要負責產(chǎn)生控制步進電機轉動的脈沖，通過單片機的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進電機的脈沖信號，步進電機轉動的角度大小與單片機輸出的脈沖數(shù)成正比步進電機轉動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進電機轉動的的方向與輸出的脈沖順序有關。同時單片機系統(tǒng)還負責處理來自電機驅動電流檢測模塊檢測到的電流值。與此同時，單片機將會把電機轉速，電機的

12、轉動方向，以及電流檢測模塊檢測到的電機驅動的電流通過數(shù)碼管顯示出來。</p><p>　　電機驅動模塊負責將單片機發(fā)給步進電機的信號功率放大，從而驅動電機工作。串口下載模塊主要是負責實行計算機和單片機之間的通信，將在計算機里面編寫好的程序下載到單片機芯片當中。數(shù)碼管顯示模塊就主要是顯示電機轉速，電機轉向，和通過電機的電流等系統(tǒng)的實時信息。</p><p><b>　　三 硬件設計

13、</b></p><p>　　3.1 單片機連接電路</p><p>　　單片機在進行實時控制和實時數(shù)據(jù)處理時，需要與外界交換信息。人們需要通過人機對話，了解系統(tǒng)的工作情況和進行控制。單片機芯片與其它CPU比較，功能雖然要強得多，但由于芯片結構、引腳數(shù)目的限制，片內(nèi)ROM、RAM、I/O口等不能很多，在構成實際的應用系統(tǒng)時需要加以擴展，以適應不同的工作情況。</p>

14、;<p><b>　　引腳功能：</b></p><p>　?。?）VCC（40）：電源+12v。（2）VSS（20）：接地，也就是GND。（3）XTL1（19）和XTL2（18）：振蕩電路。單片機是一種時序電路，必須有脈沖信號才能工作，在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時

15、，需在XTL2上加外部時鐘信號。</p><p>　?。?）PSEN（29）：片外ROM選通信號，低電平有效。（5）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號輸出端/EPROM編程脈沖輸入端。（6）RST/VPD（9）：復位信號輸入端/備用電源輸入端。 （7）EA/VPP（31）：內(nèi)/外部ROM選擇端         &#

16、160;                     （8）P0口（39-32）：雙向I/O口。</p><p>　?。?）P1口（1-8）：準雙向通用I/0口。（10）P2口（21-28）：準雙向I/0口。<

17、/p><p>　　圖3-1 AT89C51連接電路</p><p><b>　　3.2電源部分</b></p><p>　　利用LM7812得到12V的電壓，它的應用要注意以下幾點：（1）輸入輸出壓差不能太大,太大則轉換效率急速降低，而且容易擊穿損壞；（2）輸出電流不能太大，1.5A 是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會導致高

18、溫保護或熱擊穿；（3）輸入輸出壓差也不能太小,大小效率很差。 其中12V電壓給步進電機供電，分別如圖3-2所示。</p><p>　?。?）、產(chǎn)生12V的電壓給步進電機供電</p><p>　　圖3-2 12V電路部分</p><p><b>　　3.3按鍵部分</b></p><p>　　本系統(tǒng)中用按鍵來控制電機的起

19、停、正反轉和加速、減速。按鍵與單片機有查詢和中斷兩種連接方式，本系統(tǒng)中起停和正反轉按鍵采用中斷方式控制，速度增減按鍵采用查詢方式控制。我們的起停和正反轉按鍵分別接到與門的兩端和該單片機的P3^4 和P3^5 兩個I/O 口，經(jīng)與運算后進入單片機的INT1 引腳。速度按鍵直接接到該單片機的P2^7 口，用查詢方式控制。</p><p>　　圖3-3 按鍵部分電路</p><p><b&

20、gt;　　3.4驅動部分</b></p><p>　　如圖3-4所示，本設計的電機驅動部分是由驅動芯片L298及其外圍電路構成，其中從L298的2、3腳和13、14腳（即芯片的輸出端）依次按順序連成一個插座，分別與步進電機的四根線相連。而5、6、7、10、11、12腳就依次與單片機的P1口的六個管腳相連。通過這一連接實現(xiàn)了單片機與L298以及步進電機的串聯(lián)控制。</p><p>

21、;　　圖中很重要的部分是由四個二極管連成的保護電路，其作用是防止由于步進電機的轉速提高而產(chǎn)生的自感電動勢損壞芯片。由于本設計使用的電機驅動電壓是使用了9V (也可以使用12V)，所以二極管的負端接9V的參考電壓。如果驅動芯片的電壓改變，那么這個參考電壓也隨之一起改變。</p><p><b>　　圖3-4驅動電路圖</b></p><p><b>　　3.5

22、顯示部分</b></p><p>　　如圖3-5,單片機脈沖數(shù)統(tǒng)計轉換為轉速從p0口輸出的數(shù)據(jù)，電機的轉速顯示在LCD。</p><p>　　圖3-5 LCD顯示部分</p><p><b>　　四 軟件設計</b></p><p>　　本系統(tǒng)的軟件設計主要分為系統(tǒng)初始化、延時子程序、按鍵響應程序，

23、數(shù)碼管顯示程序，讀ADC0804子程序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常重要，單片機AT89S51通過軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運行起來，軟件設計的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運行質量。</p><p>　　程序流程圖的設計遵循自頂向下的原則，即從主體遂逐步細分到每一個模塊的流程。在流程圖中把設計者的控制過程梳理清楚。具體程序的講解將在本章各節(jié)做詳細講解。</p&g

24、t;<p>　　4.1　系統(tǒng)軟件主流程圖</p><p>　　當給系統(tǒng)供電以后，通過單片機復位電路對系統(tǒng)進行上電復位系統(tǒng)經(jīng)過初始化以后，便開始執(zhí)行按鍵查詢等待相應的操作，當有按鍵按下的時候程序便調(diào)用并執(zhí)行相應的子程序，其具體的主流程圖4.1如下所示：</p><p><b>　　4-1　主程序圖</b></p><p>　　4.2

25、　系統(tǒng)初始化流程圖</p><p>　　對相應的系統(tǒng)參數(shù)進行初始化，包括系統(tǒng)上電默認運行參數(shù)設定，包括兩相四拍的工作方式，初始速度檔位是30轉/分，系統(tǒng)中斷設定，定時器設定，載入定時器初值和默認的工作參數(shù)等，具體流程圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4-2　系統(tǒng)初始化流程圖</p><p><b>　　4.3　按鍵子程序</b><

26、/p><p>　　1、延時子程序：在本延時子程序當中每調(diào)用一次延時子程序延時時間是1毫秒。</p><p>　　2、按鍵響應子函數(shù)：在本設計當中按鍵的一端接地，另一端接單片機的對應端口，所以當按鍵按下，既是將單片機對應端口電平拉低。所以在編程的時候判斷按鍵按下是低電平有效。圖4.3畫出的是電機增速和減速的子程序框圖。</p><p>　　[鍵入文檔的引述或關注點的摘要。

27、您可將文本框放置在文檔中的任何位置?？墒褂谩拔谋究蚬ぞ摺边x項卡更改重要引述文本框的格式。]</p><p>　　圖4-3　增速減速子程序</p><p>　　3、讀ADC0804和模式切換程序框圖如下圖4.4所示，在本設計當中我的模式切換按鍵只有一個，負責電機的正反轉控制，電流控制和電機啟動和停止控制。由于編程的時候設置的系統(tǒng)工作的默認狀態(tài)是正轉，轉速30轉/分。所以通過連續(xù)按模式切換鍵依

28、次實現(xiàn)的功能是電機反轉并顯示轉速，顯示電機電流，系統(tǒng)停止工作，系統(tǒng)正轉并顯示轉速依次切換。編程控制ADC0804工作就主要是負責讀和寫端口的電平來實現(xiàn)的。</p><p>　　圖4-4　讀ADC0804子程序及模式切換子程序</p><p>　　4、控制步進電機轉動的脈沖輸入方式：</p><p><b>　　兩相四拍通電方式：</b><

29、/p><p>　　正轉：AB—aB—ab—Ab—AB</p><p>　　反轉：AB—Ab—ab—aB—AB</p><p><b>　　兩相八拍通電方式：</b></p><p>　　正轉：AB—B—aB—a—ab—b—Ab—A—AB</p><p>　　反轉：AB—A—Ab—b—ab—a—aB—B

30、—AB</p><p>　　以兩相四拍正轉為例其程序代碼如下：</p><p><b>　　if(i==1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　AL=1; </b></p><p><b>　　BL

31、=1; </b></p><p><b>　　aL=0; </b></p><p><b>　　bL=0; }</b></p><p>　　else if(i==2)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>

32、;　　AL=0; </b></p><p><b>　　BL=1; </b></p><p><b>　　aL=1; </b></p><p><b>　　bL=0;</b></p><p><b>　　}</b></p>&l

33、t;p>　　else if(i==3)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　AL=0; </b></p><p><b>　　BL=0; </b></p><p><b>　　aL=1;</b></p>

34、<p><b>　　bL=1; </b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(i==4)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　AL=1; </b></p>&

35、lt;p>　　五 系統(tǒng)仿真設計調(diào)試</p><p>　　5.1Proteus介紹</p><p>　　Proteus是由Labcenter Electronics開發(fā)的功能強大的單片機仿真軟件Proteus與其他的仿真軟件相比較，在下面的優(yōu)點：</p><p>　　1.能仿真模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐罚?lt;/p><p>　　2.

36、能繪制原理圖、PCB圖；</p><p>　　3.幾乎包括實際中所有使用的儀器</p><p>　　4.其最大的亮點在于能夠對單片機進行實物級的仿真。從程序的編寫，編譯到調(diào)試，目標版的仿真一應俱全。支持匯編語言和C語言的編程。還可配合Keil C實現(xiàn)程序的聯(lián)合調(diào)試，將Proteus中繪制的原理圖作為實際中的目標板，而用Keil C集成環(huán)境實現(xiàn)對目標板的控制，與實際中通過硬件仿真器對目標板的

37、調(diào)試幾乎完全相同，并且支持多顯示器的調(diào)試，即Proteus運行在一臺計算機上，而Keil C運行在另一臺計算機上，通過網(wǎng)絡連接實現(xiàn)遠程的調(diào).</p><p><b>　　5.2系統(tǒng)仿真</b></p><p>　　對應的單拍正轉、雙拍正轉、單雙拍正轉種情況下由虛擬示波器（OSCILLOSCOPE）采集的脈沖驅動信號，對于步進電機的控制，實際上是控制步進脈沖的個數(shù)和步進

38、脈沖的間隔，而步進電機的間隔又可轉化為某基準延時子程序的循環(huán)次數(shù)。因此，可以很方便地用軟件來控制步進電機的運行，達到各種控制目的。 如圖所示，下位機在運行的條件下，上位機Option 單拍，單擊正轉按鈕，即上位機向下位機發(fā)送指令“1”。其中的virtualTerminal（虛擬終端），是Proteus 軟件的輔助分析工具，每次串口通信的指令將會被記錄下來。步進電機會根據(jù)P1 的脈沖形式做對應的運動，Proteus 中LCD、上

39、位機Text 正確顯示步進電機運動狀態(tài)。</p><p><b>　　圖 5-1仿真運行</b></p><p>　　仿真電路由單片機AT89c51模塊；LCD LM016L模塊；鍵盤加速，減速，正傳，反轉模塊；L297和L298電路驅動模塊。單片機是指揮中心控制整個電路的運行，鍵盤控制電機的運行，驅動電路把單片機輸出的信號放大驅動電機，單片機再把脈沖數(shù)處理轉換為轉

40、速顯示在LCD上。</p><p><b>　　5-2仿真顯示圖</b></p><p>　　如圖5-2通過按鍵可以控制轉機的運轉，轉速可以增加，減少，轉動方向也可以變化.</p><p>　　5.3程序編譯時的錯誤與解決方法</p><p>　　把編好的程序（包括正反轉程序、停止程序、顯示程序等）合理安排好結合到一起進

41、行編譯。由于編譯只能檢查是否存在語法錯誤，所以還要看是否存在邏輯錯誤。程序修改好以后，當顯示編譯0錯誤，0警告的時候，這說明已經(jīng)沒有語法錯誤了，是否有邏輯錯誤還要看接上電路板通過仿真以后，步進電機能否正常轉動，顯示是否正常。</p><p>　　5.4步進電機轉動錯誤及解決方法</p><p>　　步進電機一開始不能正常轉動，以為是電路焊接有問題，為了防止再次出現(xiàn)虛焊，首先將電路板用萬用表

42、檢查了一遍，沒問題。程序也是正確的。后來仔細看了步進電機工作原理，原來步進電機要正常實現(xiàn)正反轉，四個相序必須弄清。把電機接上電源，用高電平分別接觸電機的引線，每接觸一下電機就會向前或向后轉動一下，經(jīng)過幾次試驗，終于搞清了電機的四個相序，排列順序分別是1—A，2—C，3—B，4—D。弄清了相序，把電路板重新布線，焊接好，結果電機能夠正常轉動了。</p><p><b>　　六 總結</b>&

43、lt;/p><p>　　本次課程設計能夠實現(xiàn)步進電機的啟停、正反轉以及速度的調(diào)節(jié)，通過本次畢業(yè)設計加強了我對軟件編程和硬件設計的掌握，并且熟悉了89c51、L298等芯片。步進電機在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應用。它可以把脈沖信號轉換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等，所以說步進電機有著廣闊的市場和遠大的發(fā)展前景。</p><p><b>　　參考文獻: <

44、/b></p><p>　　[1]張友德.單片微型機原理、應用與實驗[M].上海:復旦大學出版社，2005.</p><p>　　[2]李夙.異步電動機直接轉矩控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.</p><p>　　[3]王鴻鈺.步進電機控制入門[M].上海:同濟大學出版社,1990.</p><p>　　[4]袁任光,張偉武

45、.電動機控制電路選用與258實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.</p><p>　　[5]王秀和.永磁電機[M].北京: 中國電力出版社,2007.</p><p>　　[6]房玉明,杭柏林.基于單片機的步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)[J].電機與控制應用，2006，33（4）：64-64.</p><p>　　[7]孫笑輝,韓曾晉.減少感應電動機直接轉矩控制系統(tǒng)轉