课程设计基于单片机的步进电机控制系统设计.doc

电气工程及其自动化专业方向课程设计课题： 步进电机控制系统设计 班级 学号 姓名 专业 电气工程及其自动化 系别 电子与电气工程学院 指导教师 淮阴工学院电气工程及其自动化教研室2010年12月目 录1.系统概述 1.1步进电机控制工作原理 31.2系统设计思路 32.系统硬件设计 2.1总体设计 4 2.2步进电机控制电路 5 2.3显示电路 63.系统软件设计 3.1总体设计 8 3.2关键模块设计 104.设计感想5.参考文献附录 13一. 系统概述1.1步进电机控制工作原理步进电机实际上是一个数字角度转换器，也是一个串行的数模转换器。步进电机的基本控制包括启停控制、转向控制、速度控制、换向控制4个方面。从结构上看，步进电机分为三相、四相、五相等类型，常用的则以三相为主。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，下面具体加以阐述。1.1.1步进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。 1.1.2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三相六拍，即 A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通电换相，即则电机就反转。其他方式情况类似。1.1.3步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。2 个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。1.1.4步进电机的换向控制步进电机换向时，一定要在电机减速停止或降到突跳频率范围之内再换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1 个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求要有一定的脉冲宽度(一般不小于5s)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了减速换向加速3 个过程。 1.2系统设计思路此次我们所设计的是一个步进电机控制系统，主要由单片机80C51，并行输入/输出接口8255A，3相步进电机，7段数码管，及一些其他相关元件设计而成。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，这次设计并不是使用键盘来输入运转步数，而是由8个开关置0/1设步数。运转时，用3位7段数码管来输出剩余步数。最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。详细的设计步骤将在下面说明。 二.系统硬件设计2.1总体设计设计一个单片机三相步进电机控制系统要求系统具有如下功能：1.用K0-K2做为通电方式选择键，K0为单三拍，K1为双三拍，K2为三相六拍；2.K3、K4分别为启动和方向控制；3.正转时红色指示灯亮，反转时黄色指示灯亮，不转时绿色指示灯亮；4.用K5-K12作为步数的给定值；5.用3位LED显示剩余工作步数；根据设计要求用PROTIU所做的硬件连线图1 2.2步进电机控制电路2.2.1启/停控制、正/反转控制、工作模式控制电路分析1.K3为启/停控制开关，控制整个系统的开启和关闭。2.K4为正/反转控制开关，控制步进电机的转向。3.K0-K3为工作模式控制开关，KO接电时，为步进电机单三拍工作模式；K1接电时，为步进电机双三拍工作模式；K2接电时，步进电机工作模式为三相六拍。2.2.2步数给定值控制电路用8255A的PA8个口来作为步数的输入口，用开关K5-K12来控制8位2进制数的数值，开关接电则为1，接地为0，控制步数范围0255。图22.2.3步进电机控制电路将80C51的P1.0-P1.3作为步进电机的输出控制口。图32.3显示电路2.3.1发光二极管显示电路用3个不同颜色的发光二极管来作为指示灯显示，将PC7接红灯，PC6接黄灯，PC5接绿灯，正转时红色指示灯亮，反转时黄色指示灯亮，不转时绿色指示灯亮。图42.3.2八段数码管显示电路由8255A的PB口取出显示码，从80c51的P1.5-1.7输出位选码，设计中我们主要用到3位显示步数既可。图5三.系统软件设计3.1总体设计3.1.1步进电机的工作方式1.三相单三拍工作方式 在这种工作方式下,A、B、C三相轮流通电,电流切换三次，磁场旋转一周，转子向前转过一个齿距角。因此这种通电方式叫做三相单三拍工作方式。这时步距角 b (度)为 b = 360 /mz (1)式中:m定子相数; z 转子齿数 单三拍的数学模型：步序 控制位工作状态控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2C相P1.1B相P1.0A相100000001A01H 200000010B02H300000100C04H2.三相六拍工作方式 在这种工作方式下,绕组以AABBBCCCAA时序(或反时序)转换6次,磁场旋转一周,转子前进一个齿距,每次切换均使转子转动1.5,故这种通电方式称为三相六柏工作方式。其步距角b 为: b = 360 /2mz = 180 /mz ( 2)六拍的数学模型：步序 控制位工作状态控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2C相P1.1B相P1.0A相100000001A01H 200000011AB03H300000010B02H400000110BC06H500000100C04H600000101CA05H 3.双三拍工作方式 这种工作方式每次都是有两相导通,两相绕组处在相同电压之下,以ABBCCAAB (或反之)方式通电,故称为双三拍工作方式。以这种方式通电,转子齿所处的位置相当于六拍控制方式中去掉单三拍后的三个位置。它的步距角计算公式与单三拍时的公式相同。极分度角/齿距角= R + k1/m进一步化简得齿数z:z = q (mR + k) (3)式中:m相数; q每相的极数; k (m - 1)的正整数;R正整数,为0、1、2、3。双三拍的数学模型：步序 控制位工作状态控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2C相P1.1B相P1.0A相100000011AB03H 200000110BC06H300000101CA05H3.1.2系统总体流程图设计说明：设8255地址为8000-8300H，显示位地址为30H。首先复位单片机，然后判断是否启动，没启动绿灯亮重新确认启动。启动后读取PC口数据，判断工作方式。接着由双向开关K5到K12来置入步数值到R0中。由PC4口的双向开关来控制步进电机的正反转，如果是正转则红灯亮，反转则绿灯亮。前置流程已经完毕，接着就是由P1口输入控制模型来让步进电机转动，每走一步R0-1，没走完继续直至RO=0。最后由八段数码管同步输出所剩步数。具体流程详见下流程图。3.2关键模块设计3.2.1三相步进电机模块设计设计说明：在此设计中，采用的是三相步进电机，对于步进电机模块的程序设计采用循环程序设计方法。先把正反转向的控制模型存放在内存单元中，然后再逐一从单元中取出控制模块并输出。首先启动，选择步进电机的拍数，输入步数，然后读入正反转的控制模型驱动步进电机转动。3.2.2显示模块设计设计说明：显示模块是用3位八段数码管来显示剩余步数。先将显示缓冲区首地址送R2，指向最左边一位，然后取出要显示的数据，指向换码表首地址，取出显示码，从PB口输出显示码，P1口输入位选码，显示出3位剩余步数，最后修改显示缓冲区，求下一位位选码继续显示。 YNNYY单片机80C51 给步进电机复位启动？绿灯亮N判断工作方式PA口输入步数到R0DPTR 正向控制模型指针PC4=0？正转反转红灯亮黄灯亮延时，且模型地址加1R0-1=0?步进电机继续转动R0减18段数码管显示剩余步数DPTR 反向控制模型地址P1口输出控制模型Y重新启动返回PC0=1?PC1=1?PC0=1?NN图6 系统总体流程图四. 设计感想两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。通过这次课程设计，本人在多方面都有所提高，巩固与扩充了课程所学的内容，掌握设计的方法和步骤，掌握设计的基本的技能，懂得了怎样分析，怎样确，了解了步进电机的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。五.参考文献1赖福新. 电机控制系统M. 上海交通大学出版社, 19952刘竟成主编. 交流调速系统M. 上海交通大学出版社, 19843王秀丽. 电机与拖动M. 化学工业出版社. 20104刘景峰. 电机与拖动M. 中国电力出版社.20065刘小春,郭艳萍. 电机与拖动M. 人民邮电出版社.20106谢春. 智能控制与模式识别. 四川建筑职业技术学院.7谭浩强. C语言程序设计（第二版）. 清华大学出版社.20058梅晓榕,柏桂珍等. 自动控制元件及线路. 科学出版社.20059何冠英. 电子逆变技术及交流电动机调速系统. 机械工业出版社, 198510陈伯时,陈敏逊. 交流调速系统. 机械工业出版社,1998附录：1.总体程序设计：ORG 0000HAJMP MAINMAIN: MOV A,#020H ；PC5口置1，绿灯亮，不工作 MOV DPTR,#8002 MOVX DPTR,A LCALL DELAYLOOP:MOV DPTR,#8002 MOVX A,DPTR ANL A,#020H ；判断是否启动，若没启动则重新启动 JZ MAIN MOV DPTR,#8002 ；判断工作模式； MOVX A,DPTR ANL A,#01H JNZ L1 MOV DPTR,#8002 MOVX A,DPTR ANL A,#02H JNZ L2 MOV DPTR,#8002 MOVX A,DPTR ANL A,#04H JNZ A,L3L1: MOV DPTR,#DONE1 ；跳转到方式1的控制模型 JMP LP2L2: MOV DPTR,#DONE2 ；跳转到方式2的控制模型 JMP LP2L3: MOV DPTR,#DONE3 ；跳转到方式3的控制模型 JMP LP2LP2：MOV DPTR,#8000 ；读入PA口设定的步数到R2 MOVX A,#DPTR MOV R0,ALP3: MOV DPTR,#8002 ；判断PC4口（正反转口）是否为0，为0电机反转 MOVX A,#DPTR ANL A,#010H JZ LP5 MOV A,#080H ；PC4不为0,正转，红灯亮 MOV R1,#00HLP4: MOV A,R1 ；P1口输出电机模型 MOVC A,A+DPTR JZ LP3 MOV P1,A LCALL DELAY INC R1 ；控制步数加1 DEC R0 ；剩余步数减1 LCALL LED ；LED显示剩余步数 DJNZ R0,LP4 ；步数未走完，继续 RETLP5:MOV A,#040H ；PC4为0，反转，黄灯亮 MOV R1,A AJMP LP4DONE1:DB 01H,02H,04H,00H,01H,04H,02H,00HDONE2:DB 03H,06H,05H,00H,03H,05H,06H,00HDONE3:DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H,01H,05H,04H,06H,02H,03H,00H DELAY: MOV R2,#0DELAY0: MOV R4,DELAY0 RETDISPLY:MOV A,#30H MOV DPTR,#8001 MOV DPTR,A MOV R2,#30H ；显示缓冲区首地址送R2 MOV R3,#04H ；位选码指向最左一位,第三位 DISPY1: MOV A,R ；取出要显示的数 MOV DPTR,#SEGTAB ；指向换吗表首址 MOVC A,A+DPTR ；取出显示码 MOV DPTR,#8001 ；从B口输出显示码 MOV A,R3 ；从P1口输入位选码 MOV P1,A LCALL DELAY MOV A,R3 JNB ACC.O,DISPY2 RETDISPY2:INC R2 ；求下一位待显示的数的存放地址 MOV A,R3 ；求下一个位选码 RR A MOV R3,A AJMP DISPY1DELAY: MOV R4,#20 ；延时程序DELAY1: MOV R5,#0 DJNZ R5,DELAY1 DJNZ R4,DELAY1 RETSEGTAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H END2.三相步进电机的模块子程序设计：MOV DPTR,#8002 MOVX A,DPTR ANL A,#020H ；判断是否启动，若没启动则重新启动 JZ MAIN MOV DPTR,#8002 ；判断工作模式； MOVX A,DPTR ANL A,#01H JNZ L1 MOV DPTR,#8002 MOVX A,DPTR ANL A,#02H JNZ L2 MOV DPTR,#8002 MOVX A,DPTR ANL A,#04H JNZ A,L3L1: MOV DPTR,#DONE1 ；跳转到方式1的控制模型 JMP LP2L2: MOV DPTR,#DONE2 ；跳转到方式2的控制模型 JMP LP2L3: MOV DPTR,#DONE3 ；跳转到方式3的控制模型 JMP LP2LP2：MOV DPTR,#8000 ；读入PA口设定的步数到R2 MOVX A,#DPTR MOV R0,ALP3: MOV DPTR,#8002 ；判断PC4口（正反转口）是否为0，为0电机反转 MOVX A,#DPTR ANL A,#010H JZ LP5 MOV A,#080H ；PC4不为0,正转，红灯亮MOV R1,#00HLP4: MOV A,R1 ；P1口输出电机模型 MOVC A,A+DPTR JZ LP3 MOV P1,A LCALL DELAY INC R1 ；控制步数加1 DEC R0 ；剩余步数减1 LCALL LED ；LED显示剩余步数 DJNZ R0,LP4 ；步数未走完，继续 RETLP5:MOV A,#040H ；PC4为0，反转，黄灯亮 MOV R1,A AJMP LP4DONE1:DB 01H,02H,04H,00H,01H,04H,02H,00HDONE2:DB 03H,06H,05H,00H,03H,05H,06H,00HDONE3:DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H,01H,05H,04H,06H,02H,03H,00H3.显示模块子程序：DISPLY:MOV A,#30H MOV DPTR,#8001 MOV DPTR,A MOV R2,#30H ；显示缓冲区首地址送R2MOV R3,#04H ；位选码指向最左一位,第三位 DISPY1: MOV A,R ；取出要显示的数 MOV DPTR,#SEGTAB ；指向换吗表首址 MOVC A,A+DPTR ；取出显示码 MOV DPTR,#8001 ；从B口输出显示码 MOV A,R3 ；从P1口输入位选码 MOV P1,A LCALL DELAY MOV A,R3 JNB ACC.O,DISPY2 RETDISPY2:INC R2 ；求下一位待显示的数的存放地址 MOV A,R3 ；求下一个位选码 RR A MOV R3,A AJMP DISPY1DELAY: MOV R4,#20 ；延时程序DELAY1: MOV R5,#0 DJNZ R5,DELAY1 DJNZ R4,DELAY1 RETSEGTAB: DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H