1、毕业设计基于单片机控制的步进电动机设计毕业设计-基于单片机控制的步进电动机设计 摘 要单片计算机即单片微型计算机由RAM ROMCPU构成定时计数和多种接口于一体的微控制器它体积小成本低功能强广泛应用于智能产业和工业自动化上本文主要研究基于AT89C51 单片机的步进电机的驱动器控制驱动系统采用74LS47和达林顿管使步进电机可在智能化程序控制下完成正转反转转数设定等各种操作文中在单片机与驱动器之间增加一级光电隔离可使步进电机具有更高的性能同时把数字电路与驱动电路隔离开避免了步进电机运行时所产生的冲击电压和电流干扰单片机要想达到步进电动机的快速启停高精度步进运行从而实现工业生产的控制则采用单片
2、机控制系统可将问题大大的简化不仅能简化线路降低成本而且能大大的提高其可靠性整个系统采用模块化设计结构简单可靠通过人机交互换接口可实现各功能设置操作简单易于掌握该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等大多数场合实践证明基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更好的性能更加简单方便可靠本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执行器件步进电机在这科技越来越发达的时代人们对步进电动机控制技术的要求也越来越高运用单片机对其高精度和智能化控制一直备受关注对其高新技术的开发持续不断单片机系统控制的研究具有很大的开发潜能本控制系统的设计由硬件设计和软件设计两部分组成其中硬件设计主要包括单片机最小系
3、统键盘控制模块步进电机驱动模块数码显示模块等功能模块的设计以及硬件电路在电路板上的实现软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上本系统具有智能性实用性及可靠性的特点关键词AT89C51 步进电机 摘要绪论1系统方案论证3系统基本功能3设计方案介绍3系统设计3硬件设计421 单片机系统4com AT89C51功能概述422 步进电机12com 步进电机的分类12com 步进电机概述13com 电机的工作原理1523 数码管显示电路1924 键盘控制电路2125 光电耦合器与驱动系统2226 显示块2427 单
4、片机与步进电机的接口电路图26控制系统的软件2831程序设计思路28com程图28仿真与调试34设计小结35附录36参考文献41感谢42绪 论步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机国外一般称为Steppingmotor Pulse motor或Stepper servo其应用发展已有约80年的历史步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角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和转子组成可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制当电流流过定子绕组时定子绕组产生一矢量磁场该矢量场会带动转子旋转一角度使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一
5、个角度因此控制电机转子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步进电机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同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差精度高步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速快速起停正反转控制等这是步进电动机最突出的优点正是由于步进电机具有突出的优点所以成了机电一体化的关键产品之一广泛
6、应用在各种自动化控制系统中随着微电子和计算机技术的发展步进电机的需求量与日俱增在各个国民经济领域都有应用比如在数控系统中就得到广泛的应用目前世界各国都在大力发展数控技术我国的数控系统也取得了很大的发展我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统虽然与发达国家相比我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低但已经在我国占有非常重要的地位并起了很大的作用除了在数控系统中得到广泛的应用近年来由于微型计算机方面的快速发展使步进电机的控制发生了革命性变革优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中例如打印机纸带输送机构卡片阅读机主动轮驱动机构和存储器存取机构等步进电机也
7、在军用仪器通信和雷达设备摄影系统光电组合装置阀门控制数控机床电子钟医疗设备及自动绘图仪数字控制系统工具机控制程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用因而对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了为了得到良好的控制性能对步进电机的控制的研究就一直没有停止过许多重大的技术得以实现上世纪80年代以后由于微型计算机以多功能的姿态出现步进电动机的控制方式变得更加灵活多样原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路或者集成电路不仅调试安装复杂要消耗大量元器件而且一旦定型之后要改变控制方案就一定要重新设计电路不利于系统的改进升级基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机能够更好地发挥步进电机的潜力因
8、此用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势也符合数字化的时代发展要求还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求出现的步进电机细分驱动技术就包括振荡器环行分配器控制的细分驱动基于单片机斩波恒流驱动基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式除上述三种步进电机的驱动方案之外目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发通过串行或并行通行的方式实现机与步进电机控制器之间的数据通信最终实现由PC机直接控制步进电机的方法但是在有些应用场合并不需要高精度的控制而是需要在满足一般工作要求的情况下尽量使控制系统做到系统硬件结构简单成本低功能较为齐全适应性强电机各种运行状态指示一目了然操作
9、方便系统抗干扰能力强可靠性高等要求本论文就是采用这个思路进行设计一般步进电机控制器都用硬件实现虽然电路可以做到了高集成度可价格较贵功能相对较单一并且设计要求有所改变就得改变整个硬件电路比较麻烦而采用单片机的软件和硬件结合进行控制运用其强大的可编程和运算功能充分利用单片机的各种资源能灵活的对步进电机进行控制实现其不同模式步数正反转转速等控制如果需改变控制要求一般只需改变软件就能适应新的环境并且在本设计中利用动态扫描技术把显示电路和键盘电路有机的结合起来能做到一定的人机交换而且为了抗干扰提高可靠性具有一定的应用价值第一章 系统方案论证11 系统基本功能设计的步进电机控制器要求内能从键盘上输入步进电
10、机转数控制步进电机的正反转及启停并显示转数具体要求如下键盘设计09 数字键正逆转数设定完成后按启动步进电动机清除设定为正转及转数为00A设定正逆转按A键则LED指示灯亮表示逆转再按则LED只是等灭表示正转控制过程送电时设定为正转显示器显示为00输入转数显示器显示输入的转数按A设定正逆转LED指示灯亮表示逆转LED指示灯灭表示正转然后按步进电动机开始运行步进电机每转一转显示器减1直至为00步进电动机停止运转 12设计方案介绍根据功能设计的要求本设计采用AT89C51单片机系统控制运用矩阵式键盘作为输入控制端驱动系统采用74LS04和达林顿管使步进电机可在智能化程序控制下完成正转反转转数设定等各种
11、操作文中在单片机与驱动器之间增加一级光电隔离可使步进电机具有更高的性能同时把数字电路与驱动电路隔离开避免了步进电机运行时所产生的冲击电压和电流干扰单片机13 系统设计要想实现以上论述的功能只要按一定的顺序改变脉冲通电的状况即可控制步进电机依选定的方向步进图21 AT89C51的引脚图VCC电源电压 GND地P0口P0口是一组8位漏极开路型双向IO口也即地址数据总线复用口作为输出口用时每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路对端口写1可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存储器时这组口线分时转换地址低8位和数据总线复用在访问期间激活内部上拉电阻在FLASH编程时P0口接受指令字节而在
12、程序效验时输出指令字节效验时要求外接上拉电阻P1口P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口P1的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路对端口写1通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平此时可作输入口作输入口使用时因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉底时会输出一个电流FLASH编程和程序效验期间P1接收低8位地址P2口P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口P2的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流4个TTL逻辑们电路对端口写1通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平此时可作输入口作输入口使用时因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉底时会输出一个电流在访问外部程序存储器或16位地址的
13、外部数据存储器例如执行MOVXDPTR指令时P2口送出高8位地址数据在访问8位地址的外部数据存储器如执行MOVXRI时P2口线上的内容也即特殊功能寄存器SFR区中R2寄存器的内容在整个访问期间不改变FLASH编程或效验时P2亦接收高位地址和其它控制信号P3口P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口P3的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流4个TTL逻辑们电路对端口写1通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平此时可作输入口作输入口使用时因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉底时会输出一个电流P3口除了作为一般的IO口线外更重要的用途是他的第二个功能如下表所示表1 P3口AT89C51特殊功能端口引脚
14、 功能特性 P30 RXD串行口输入 P31 TXD并行口输入 P32 INT0外部中断0 P33 INT1外部中断1 P34 T0定时计数外部输入0 P35 T1定时计数外部输入0 P36 外部数据存储器写选通 P37 外部数据存储器读选通 P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序效验的控制信号RST复位输入其引脚一旦变成两个机器周期以上的高电平所有的IO口都将复位到1状态当振荡器正在工作时持续两个机器周期以上高电平便可完成复位每个机器周期为12个振荡时钟周期EAVPP外部访问允许欲使CPU仅访问外部程序存储器0000HFFFFHEA端必须保持低电平接地需注意的是如果加密位LB1被
15、编程复位是内部会锁存EA端状态如EA端为高电平接VCC端CPU则执行内部程序存储器中的指令FLASH存储器编程时该引脚加上12V的编程允许电源VPP当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPPXTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端XTAL2振荡器反相放大器输出端2时钟振荡器AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器引脚XTAL1和 XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端这个放大器与作为反馈器件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器振荡电路参见图22外接石英晶体或陶瓷振荡器及电容 C1C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路对外接电容 C1C2虽然没有十分
16、严格的要求但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低振荡器工作的稳定性起振得难易程度及温度稳定性如果使用石英晶体推荐电容使用30PF10PF而如使用陶瓷振荡器建议选择40PF10PF图 22 时钟振荡电路3复位电路计算机在启动运行是都需要复位使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态并从这个状态开始工作MCS-51的复位输入引脚RST为MCS-51提供了初始化的手段可以使程序从指定处开始执行在MCS-51的时钟电路工作后只要RST引脚上出现超过两个机器周期以上的高电平时即可产生复位的操作只要 RST保持高电平则MCS-51循环复位只有当RST由高电平变低电平以后MCS-51才从
17、0000H地址开始执行程序本系统采用按键复位方式的复位电路MCS-51单片机有一个复位引脚RST它是施密特触发输入当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周期即24个时钟周期以上的高电平使器件复位只要RST保持高电平MCS-51保持复位状态此时ALEPSENP0P1P2P3口都输出高电平RST变为低电平后退出复位CPU从初始状态开始工作复位以后内部寄存器的初始状态为SP 07P0P1P2P3为0FFH外其它寄存器都为0在RST复位端接一个电容至VccHE 一个电阻至Vss就能实现上电自动复位对于CMOS单片机只要接一个电容至Vcc即可如图在加电瞬间电容通过电阻充电就在RST端出现一定时间的高电平只要
18、高电平时间足够长就可以使MCS-51有效地复位RST端在加电时应保持的高电平时间包括Vcc的上升时间和振荡器起振时间Vcc上升时间若为10ms振荡器起振时间和频率有关10MHz时间约为1ms1MHz时约为10ms所以一般为了可靠地复位RST在上电时应保持20ms以上的高电平图25中RC时间常数越大上电时RST端保持高电平的时间越长当振荡频率为12MHZ时典型值为C 10uFR 82k 图2-3上电复位电路4人工复位除上电自动复位以外常常需要人工复位将一个按钮开关并联于上电自动复位电路按一下开关就RST端出现一段时间的高电平即使器件复位如图所示图2-4上电和开关复位而我们在这次的毕业设计中运用的
19、人工复位电路 其中电平复位是通过RST端经电阻和电源Vcc接通而实现的按键手动电平复位电路如图当时钟频率选用12MHz时C选取10uFR选择1000欧5上拉电阻的作用P0口没有上拉电阻故作为普通IO口用的时候须加上拉电阻P2口内部存在上拉电阻但因为其用作矩阵键盘为了得到较高的可靠性故将其也再加上外部上拉一般上拉电阻取值为1K-10K阻值越小能提供的上拉 能力也越强但功耗也会随之上升晶体震荡器电路如图2-5所示图2-5晶体震荡器电路图6振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出该反向放大器可以配置为片内振荡器石晶振荡和陶瓷振荡均可采用如采用外部时钟源驱动器件XTAL2应不接有余
20、输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度7芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成在芯片擦操作中代码阵列全被写1且在任何非空存储字节被重复编程以前该操作必须被执行此外AT89C52设有稳态逻辑可以在低到零频率的条件下静态逻辑支持两种软件可选的掉电模式在闲置模式下CPU停止工作但RAM定时器计数器串口和中断系统仍在工作在掉电模式下保存RAM的内容并且冻结振荡器禁止所用其他芯片功能直到下一个硬件复位为止因此在本次设计中用AT89C52来作为该系统的核心处理芯片
21、如图2-6图2-6AT89C52外围电路图8电源部分 因为电路中的AT89C52单片机的工作电压是5V而步进电机的工作电压是12V 根据稳压电源的设计要求及其技术指标结合本系统的功率要求及安装方便实用本实验用电容整流滤波再经集成稳压管78057812后得到直流 5V和12V电压提供给AT89C52芯片步进电机及其他外围电路其硬件电路如下示图2-7 输出5V电压图2-8 输出12V电压22步进电机com机的分类步进电机是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这一
22、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正常情况下步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比连续输入一定频率的脉冲时电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系不受电压波动和负载变化的影响由于步进电动机能直接接收数字量的输入所以特别适合于微机控制 图2-9 目前市场上所使用的工业用步进电机以混和式HB型最为普遍 com 步进电机概述1步进电机的基本参数 一步进电机的静态指标术语相数产生不同对NS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四相电机为例
23、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表示 360度转子齿数运行拍数以常规二四相转子齿为50齿电机为例四拍运行时步距角为 360度504 18度俗称整步八拍运行时步距角为 360度508 09度俗称半步定位转矩电机在不通电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电作用下电机不作旋转运动时电机转轴的锁定力矩此力矩是衡量电机体积几何尺寸的标准与驱动电压及驱动电源等无关虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比与定齿转子间的气隙有关但过份采用减小气隙增加激
24、磁安匝来提高静力矩是不可取的这样会造成电机的发热及机械噪音步进电机动态指标及术语1步距角精度步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差用百分比表示误差步距角100不同运行拍数其值不同四拍运行时应在5之内八拍运行时应在15以内2失步电机运转时运转的步数不等于理论上的步数称之为失步3失调角转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度电机运转必存在失调角由失调角产生的误差采用细分驱动是不能解决的4最大空载起动频率电机在某种驱动形式电压及额定电流下在不加负载的情况下能够直接起动的最大频率5最大空载的运行频率电机在某种驱动形式电压及额定电流下电机不带负载的最高转速频率6运行矩频特性电机在某种测试条件下测得运行中输
25、出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性这是电机诸多动态曲线中最重要的也是电机选择的根本依据电机一旦选定电机的静力矩确定而动态力矩却不然电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流而非静态电流平均电流越大电机输出力矩越大即电机的频率特性越硬要使平均电流大尽可能提高驱动电压使采用小电感大电流的电机7电机的共振点步进电机均有固定的共振区域二四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间步距角18度或在400pps左右步距角为09度电机驱动电压越高电机电流越大负载越轻电机体积越小则共振区向上偏移反之亦然为使电机输出电矩大不失步和整个系统的噪音降低一般工作点均应偏移共振区较多8电机正反转控制当电
26、机绕组通电时序为AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转通电时序为DA时为反转9 不为整数 即此时转子齿与B相不对齐 只是13号齿靠近相的中心 且相差3如果此时突然变为B相通电 而AC相都不通电 那么 13号齿会在磁场的作用下转到与相中心对齐的位置 这就是常说的走一步 此时转子转了这样 按照A一B一C一A顺序通电次 可以使转子转动9那么步进电机的步距角Q 360NZ 式中N MC为运行拍数M为控制绕组相数C为状态系数 单三拍或双三拍时C 1 单六拍或双六拍时C 2为转子齿数2直流电机的原理由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成直流电机运行时静止不动
27、的部分称为定子定子的主要作用是产生磁场由机座主磁极换向极端盖轴承和电刷装置等组成运行时转动的部分称为转子其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势是直流电机进行能量转换的枢纽所以通常又称为电枢由转轴电枢铁心电枢绕组换向器和风扇等组成1主磁极也称为主极作用是产生气隙磁场2换向极也称为附加极或间极作用是改善换向装在主极之间3机座由铸钢或厚钢板焊成是电机的机械支撑4电刷装置将直流电压电流引入或引出的装置其组数与主极极数相等转动部分转子部分1电枢铁心主磁路的主要部分及嵌放电枢绕组由硅钢片迭压而成2电枢绕组由许多按一定规律联接的线圈组成用来感应电势和通过电流是电路的主要部分3换向器由许多彼此绝缘的换向片构成3
28、步进电机的特征 1高精度的定位 步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制以5相步进电机为例其定位基本单位分辨率为072全步级036半步级是非常小的停止定位精度误差皆在3分005以内且无累计误差故可达到高精度的定位控制步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度2位置及速度控制 步进电机在输入脉冲信号时可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制位置控制并可得到与该脉冲信号周波数频率成比例的回转速度3具定位保持力 步进电机在停止状态下无脉波信号输入时仍具有激磁保持力故即使不依靠机械式的刹车也能做到停止位置的保持4动作灵敏 步进电机因为加速性能优越所以可做到瞬时起动停止正
29、反转之快速频繁的定位动作5开回路控制不必依赖传感器定位 步进电机的控制系统构成简单不需要速度感应器ENCODER转速发电机及位置传感器SENSOR就能以输入的脉波做速度及位置的控制也因其属开回路控制故最适合于短距离高频度高精度之定位控制的场合下使用6中低速时具备高转矩 步进电机在中低速时具有较大的转矩故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出7高信赖性 使用步进电机装置与使用离合器减速机及极限开关等其它装置相较步进电机的故障及误动作少所以在检查及保养时也较简单容易8小型高功率 步进电机体积小扭力大尽管于狭窄的空间内仍可顺利做安装并提供高转矩输出 9步进电机的速度转矩特性 速度-转矩特性取决于电机及驱动器尤其与所搭配的驱动器有着极大的影响使用的驱动器不同特性上的差异也就会有明显的不同 图2-10 4步进电机速度-转矩特性曲线图图2-10说明 1 激磁最大静止转矩当运转脉冲速度等于0 Hz时曲线与Y轴交接的点即称为激磁最大静止转矩也就是指电机在通电但无
