基于单片机的步进电机调速控制系统设计论文001

基于单片机的步进电机调速控制系统设计论文001内容摘要：

，使其在工业控制领域获得了广泛应用。 步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机 就转动一个角度（步距角）或前进、倒退一步。 步进电机旋转的角度由输 AT89C51 单片机 状态显示电路 电源及时钟电路 复位电路 键盘控制电路 ULN2803 启动电路 步进 电机 常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计 入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字 /角度转换器。 (1)四相步进电机的工作原理 该设计采用了 20BY0 型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。 只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。 当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。 (2)步进电机的静态指标及术语 相数：产生不同队 N、 S 磁场的激磁线圈对数，常用 m表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用 n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即 AB→BC→CD→DA→ AB，四相八拍运行方式即 A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 θ 表示。 θ=360176。 /（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角 50 齿角电机为例。 四相运行时步距角为 θ=360176。 /(50*4)=176。 ，八拍运行时步距角为 θ=360176。 /(50*80)=176。 定位转矩：电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。 静转矩：电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。 此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。 但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 (3)四相步进电机的脉冲分配规律 目前，对步进电机的控制主 要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。 本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。 四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。 各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图23 a、 b、 c 所示。 本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，如表 2 22。 在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进 电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。 常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计 图 23 步进电机工作时序波形图 表 21 四相单四拍脉冲分配表 A B C D N 1 0 0 0 N+1 0 1 0 0 N+2 0 0 1 0 N+3 0 0 0 1 表 22 四相双四拍脉冲分配表 A B C D N 1 1 0 0 N+1 0 1 1 0 N+2 0 0 1 1 N+3 1 0 0 1 2． AT89C51 单片机 Atmel 公司生产的 AT89C51 单片机是 一种低功耗、低电压、高性能的 8 位单片机，它采用 CMOS 和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MCS51 兼容；片内的 Flash ROM 允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除 CPU 外，还包括 256 字节 RAM， 4 个 8 位并行 I/O口， 5 个中断源， 2 个中断优先级， 2 个 16 位可编程定时计数器， AT89C51 单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。 常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计 9 第 3 章 系统硬件设计 本设计的硬件电路只要包括控制电路、 最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。 最小系统只要是为了使单片机正常工作。 控制电路只要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。 显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。 驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。 控制电路 根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制，加速控制和减速控制按钮，分别是 K K S S3，控制电路如图 31 所示。 通过 KK2 状态变化来实现电机的启动和换向功能。 当 K K2 的状态变化时，内部程序检测 和 的状态来调 用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。 常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计 10 图 31 控制电路原理图 根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。 对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过 S S3 的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。 最小系统 单 片机最小系统或者称为最小应用系统，素质用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对 51 系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。 复位电路：使用了独立式键盘，单片机的 P1 口键盘的接口。 该设计要求只需 4 个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用了 6路独立式键盘。 复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用 30PF 的电容和一 12M 晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。 如图 32 示。 晶振电路： 8951 单片机的时钟信号通常 用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。 在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。 由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。 内部振荡方式的外部电路如图 32示。 其电容值一般在 5~30 pf，晶振频率的典型值为 12MHz，常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计 11 采用 6MHz的情况也比较多。 内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。 图 32 复位及时钟振荡电路 驱动电路 通过 ULN2803 构成比较多的驱动电路，电路图如图 33 所示。 通过单片机的 ~ 输出脉冲到 ULN2803 的 1B~4B 口，经信号放大后从 1C~4C 口分别输出到电机的 A、 B、 C、 D 相。 图 33 步进电机驱动电路 常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计 12 显示电路 在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。 在显示电路中，主要是利用了单片机的 P0 口和 P2 口。 采用两个共阳数码管作显示。 第一个数码管接的 a、 b、 c、d、 e、 f、 g、 h分别接 ~ 口，用于 显示电机正反转状态，正转时显示“ 1”，反转时显示“一”，不转时显示“ 0”。 第二个数码管的 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h分别接 ~ 口，用于显示电机的转速级别，共七级，即从 1~7 转速依次递增，“ 0”表示转速为零。 电路如图 34 所示。 图 34 显示电路 总体电路图 把各个部分的电路图组合成总电路图，如附录 2 所示。 常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计 13 第 4 章 系统的软件设计 通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、加速信号和方向信号，因而采用中断方式效率最高，这样总共要 完成 4个部分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断 0和外部中断 1 部分，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测，若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率，它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。 下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。 主程序设计 主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。 其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时 器、外部中断；对 P1 口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。 若初始化 P1=11H、速度和方向初始值均设为 0，就意味着步进电机按四相单四拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“ 0”，速度值显示“ 0”，主程序流程图如图 41 所示。 常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计 14 启动开关为 0。 停止计时器 速度值为 0。 开 始 停止计时器 显 示 初始化 N Y N Y 启动计时器 延 时 常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计 15 图 41 主程序流程图 定时中断设计 步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电 机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。 在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。 程序流程图如图 42 所示。 常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计 16 T0中断入口 保护现场 中断次数 1=0。 读方向指示 发速度脉冲 重送相关状态 恢复现场 中断返回 Y N 常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计 17 图 42 定时中断程序流程图 外部中断设计 外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机 的转速。 速度增加按钮 S2 为 INT0 中断，其程序流程为原数据，当值等于 7 时，不改变原数值返回，小于 7 时，数据加 1 后返回；速度减少按钮 S3，当原数据不为 0，减 1 保存数据，原数据为 0 则保持不变。 程序流程图如图 43所示。 常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计 18 图 43 外部中断程序流程图 第 5 章 系统调试与测试结果分析 软件调试记录 把编好的程序（包括正反转程序、停止程序、显示程序等）合理安排好结合到一起进行编译。 由于编译只能 检查是否存在语法错误，所以还要看是否存在逻辑错误。 程序修改好以后，当显示编译 0 错误， 0 警告的时候，这说明已经没有语法错误了，是否有逻辑错误还要看接上电路板通过仿真以后，步进电机能否正常转动，显示是否正常。 硬件调试记录 1． LM7812 输出电压错误与解决方法 电路的工作离不开电源，所以电源是必不可少的。 电源采用的是利用变压器外部中断入口 保护现场 延时去抖 速度 =上或限值。 速度值177。 1 按钮是否弹起。 恢复现场 中断返回 Y N N Y 常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计 19 将 220V 的电压转换为 12V 的电压，再利用桥堆整流使交流电变成直流电，最后分别利用 LM7812 和 LM7805 芯片得到 12V 和 5V 的电压。 电路板焊接好以后，首先要检查一下电路设计是否合理 、元器件焊接是否正确，焊接好以后需要仔细检。