2022年步进电机控制系统大学本科方案设计书报告 .pdf
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1、* 毕业设计论文论文题目 :基于单片机的步进电机控制电路板设计系部自动控制系专业电气自动化班级自动化 20651班学生姓名王小梅学号 2010065125 指导教师孙晓燕*精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 34 页摘 要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,它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中,其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,
2、步进电机控制系统主要由步进控制器, 功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器, 使得线路简单 , 成本低 , 可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制,通过IO 口输出的时序方波作为步进电机的控制信号,信号经过芯片ULN2003 驱动步进电机;同时,用 4个按键来对电机的状态进行控制,并用数码管动态显示电机的转速。系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中,硬件设计包括AT89C51 单片机的 最小 系统 、 电 源 模 块、 键盘控 制模 块、 步 进 电 机 驱动 (集
3、 成 达 林顿ULN2003 )模块、数码显示(SM420361K数码管)模块、测速模块(含霍尔片UGN3020 )6 个功能模块的设计,以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序,最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制,并将步进电机的转动速度动态显示在LED 数码管上,对速度进行实时监控显示。软件采用在Keil软件环境下编辑的C语言。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。关键词:步进电机单片机 电脉冲信号角位移 转速控制方向控制精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -
4、- -第 2 页,共 34 页Abstract With the development of microelectronics and computer technology, increasing demand for stepper motor, which is widely used in printers, electronic toys and consumer products such as CNC machine tools, industrial robots, medical equipment and electrical products, and its vari
5、ous national fields are applied. Of stepper motor control system to improve the control accuracy and response speed, energy conservation and so important. Stepper motor is an electric pulse signals can convert the angular displacement or linear displacement of the mechanical and electrical component
6、s, stepper motor control system consists of stepper controller, stepper motor power amplifier and so on. Use MCU control, the stepper controller instead of using software to make simple circuit, low cost, reliability greatly increased. Software programming flexibility to produce different types of s
7、tepping motor excitation sequence to control the operation of the various stepper motor mode This design is used AT89C51 of Stepping motor control, through the IO port as a square wave output of the timing of step motor control signal, the signal through the ULN2003 driver chip stepper motor。 the sa
8、me time, with four buttons to the status of the motor control, and dynamic display with digital control motor speed. System consists of hardware and software design of two parts. Among them, the hardware design, including minimum system AT89C51 microcontroller, power supply module, keyboard control
9、module, stepper motor drive (integrated Darlington ULN2003) module, digital display (SM420361K digital control) module, speed modules (including the Hall probe UGN3020) six function modules, and each module in the circuit board to achieve the organic combination. Software design, including keyboard
10、control, stepping motor pulse, the digital dynamic display and speed signal acquisition module, control procedures, and ultimately to the stepper motor rotation direction and rotation speed control of stepper motor rotation speed and dynamic display in the LED digital tube, real-time monitoring of t
11、he speed display. Software used in the software environment to edit Keil C language. This system has the intelligence, practicality and reliability features. Key Words:Stepping motor MCU Pulse SignalAngular displacement Speed control Direction control 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3
12、 页,共 34 页目录摘要第 1 章绪论 01.1 课题背景 01.2 设计目的及系统功能0第 2 章控制系统硬件分析与设计22.1步进电机 22.1.1 步进电机概述 22.1.2 步进电机的特性 22.1.3 步进电机的种类 32.1.4 永磁步进电机的控制原理32.2步进电机控制系统的组成52.2.1 单片机最小系统 52.2.2 键盘控制电路 62.2.3 LED 数码显示电路 72.2.4 测速电路介绍 92.2.5 步进电机驱动电路102.2.6 电源设计 12第 3 章控制系统软件分析与设计143.1程序设计前期准备143.1.1 程序设计平台 143.1.2 程序设计思路 14
13、3.2程序流程图 153.2.1 主程序流程图 153.2.2 读键盘子程序流程图163.2.3 键盘处理子程序流程图163.2.4 电机控制中断程序流程图17第 4 章调试与改进 19精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 34 页4.1调试与改进 194.2运行结果 20第 5 章总结 21致谢 22参考文献 23附录 24精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 34 页第 1章 绪 论1.1 课题背景当今社会,电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的
14、作用。步进电机是最常见的一种控制电机,在各领域中得到广泛应用。步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛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。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 称为“步距角” ),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,其优点是结构
15、简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点,给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品(打印机、照相机、雕刻机)、工业控制(数控机床、工业机器人)、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。控制核心采用 C51芯片,它以其独特的低成本,小体积广受欢迎,当然其易编程也是不可多得的优点为此,本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统,可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。1.2 设计目的及系统功能本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用
16、 AT89C51 作为控制单元,通过键盘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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 34 页图 1-1 总体设计框图设计的步进电机控制系统应具有以下功能:1. 步进电机的启停控制2步进电机的正反转控制3. 步进电机的加速控制4. 步进电机的减速控制5. 步进电机转速的动态显示AT89C51 键盘控制模块电机驱动模块数码显示模块电源模块精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 34
17、页第 2 章 控制系统硬件分析与设计2.1 步进电机2.1.1 步进电机概述步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动,输出功率一般很小,其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动,用途很广。使用多相步进电动机,单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号,在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器,电动机各相的通电状态就发生变化,转子会转过一定的角度(称为步距角)。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
18、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。2.1.2 步进电机的特性步进电机转动使用的是脉冲信号,而脉冲是数字信号,这恰是计算机所擅长处理的数据类型。从20 世纪 80 年代开始开发出了专用的IC 驱动电路,今天,在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中,步进电机都是不可缺少的组成部分之一。总体上说,步进电机有如下优点:1不需要反馈,控制简单。2与微机的连接、速度控制(启停和反转)及驱动电路的设计比较简单。3没有角累积误差。4停止时也可保持转距。5没有转向器等机械部分,不需要保养,故造价较低。6即使没有传感器,也能精
19、确定位。7根椐给定的脉冲周期,能够以任意速度转动。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 34 页但是,这种电机也有自身的缺点:1难以获得较大的转矩2. 不宜用作高速转动3在体积重量方面没有优势,能源利用率低。4超过负载时会破坏同步,高速工作时会发出振动和噪声。2.1.3 步进电机的种类目前常用的步进电机有三类:表 2-1 步进电机分类类别结构步距力矩动态性能反应式步进电动机( VR )采用高导磁材料构成齿状转子和定子小小较差永磁式步进电动机( PM )转子采用多磁极圆筒形的永磁铁,其外侧配置齿状定子吸引和排斥力产生转动大大好混
20、合步进电动机( HB )这是 PM和 VR的复合产品,其转子采用齿状的稀土永磁材料,定子则为齿状的突起结构小大好2.1.4 永磁步进电机的控制原理在本设计以常用的永磁式步进电机为例,用单片机控制步进电机。图2-1 是CZ-2801型永磁步进电机的外形图,图2-2 是该电机的接线图。图 2-1 CZ-2801型永磁步进电机外形图图 2-2 CZ-2801型永磁步进电机接线图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 34 页从图中可以看出,电机共有四组线圈,四组线圈的一个端点连在一起引出,这样一共有 5根引出线。要使用步进电机转动,只
21、要轮流给各引出端通电即可。将 COM 端标识为 C ,只要 AC、BC或/AC、/BC,轮流加电就能驱动步进电机运转,加电的方式可以有多种,如果将 COM 端接正电源,那么只要用开关元件(如三极管),将 A、B或/A、/B 轮流接地。不难设计出控制电路,因其工作电压为 12V,因此用一块开路输出达林顿驱动器(这里用ULN2003 ,关于 ULN2003将在后面介绍)作为驱动,通过 P1.0 、P1.3 来控制各线圈的接通与切断。开机时,P1.0、 P1.3均为高电平,依次将P1.0、 P1.2 (或 P1.1、 P1.3 反向)切换为低电平即可驱动步进电机运行。如果要改变电机的转动速度只要改变
22、两次接通之间的时间。改变转速,只要改变P1.0、 P1.2 (或 P1.1、 P1.3 反向)轮流变低电平的时间即可达到要求,因为不会影响到其他功能的实现,这个时间可以用延时来实现,。这里以定时的方式来实现。下面首先计算一下定时时间。按要求,最低转速为 20 转/ 分,而上述步进电机的步距角为 7.5 ,即每 48 个脉冲为 1 周,即在最低转速时,要求为960 脉冲/ 分,相当于 62.5ms/ 脉冲。而在最高转速时,要求为 100 转/ 分,即48000 脉冲/ 分,相当于 12.5ms/ 脉冲。可以列出下表:表 2-2 步进电机转速与定时器定时常数关系转速单步时间 (ms) TH0 TL
23、0 20 62.5 1F 0 21 59.52380952 29 B6 22 56.81818182 33 74 23 54.34782609 3C 59 24 52.08333333 44 80 25 50 4C 0 26 48.07692308 52 EC 27 46.2962963 59 55 28 44.64285714 5F 49 93 13.44086022 CF 9C 94 13.29787234 D0 20 95 13.15789474 D0 A1 96 13.02083333 D1 20 97 12.88659794 D1 9B 98 12.75510204 D2 14 99
24、 12.62626263 D2 8B 100 12.5 D3 0 表中不仅计算出了 TH0 和 TL0,而且还计算出了在这个定时常数下,真实的定时时间,可以根据这个计算值来估算真实速度与理论速度的误差值。表中精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 34 页TH0 和 TL0 是根据定时时间算出来的定时初值,这里用到的晶振是 12.000M。有了上述表格,程序就不难实现了,使用定时/ 计数器 T0 为定时器,定时时间到后切换输出脚即可。2.2 步进电机控制系统的组成步进电机控制系统共分为六个模块:单片机最小系统模块、键盘控制模块
25、、数码显示模块、测速模块、步进电机驱动模块和电源模块。1. 单片机最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。复位电路为单片机系统提供可靠复位,使单片机能正常启动。时钟电路采用外部时钟方式,保证单片机个功能部件都是以时钟频率为基准,有条不紊地一拍一拍地工作。2. 键盘控制模块包括方向控制键、加速键和减速键、启停键,分别与单片机的 P2.0、p2.1 、p2.2 和 P2.3 相连。实现对步进电机的控制。并且键盘上连接有发光二极管,以指示键盘状态。3. 数码显示模块采用共阴极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度。利用 I/O 口为数码管的 com端提供低电平。二号单片机的P1 口提供数码管的段选信号
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