2022年步进电机控制系统--课程方案设计书 .pdf

《2022年步进电机控制系统--课程方案设计书 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年步进电机控制系统--课程方案设计书 .pdf（18页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、计算机与信息科学系课程设计报告课程名称：微型计算机控制技术设计题目：步进电机控制系统精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 18 页目录1. 系统概述 11.1 步进电机控制工作原理1 1.2 系统设计思路 12. 系统硬件设计 2 2.1总体设计 2 2.2 步进电机控制电路 3 2.3 显示电路 4 3. 系统软件设计 5 3.1总体设计 5 3.2关键模块设计 10 4. 结束语 10 4.1设计感想 14 4.2个人分工情况 15 参考文献 15 附录 15 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结

2、 - - - - - - -第 2 页，共 18 页1. 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

3、, 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

4、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

5、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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 18 页2. 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

6、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 所做的硬件连线图如下图1：ALEA0A1XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1

7、326P2.6/A1427P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115U180C51D034D133D232D331D430D529D628D727RD5WR36A09A18RESET35CS6PA04PA13PA22PA31PA440PA539PA638PA737PB018PB119PB220PB321PB422PB523PB624PB725PC014PC115PC216PC317PC413PC512P

8、C611PC710U28255AC11nFC21nFX1CRYSTALK0SW-SPDTK1SW-SPDTK2SW-SPDT红灯LED-RED黄灯LED-YELLOW绿灯LED-GREENK3SW-SPDTK4SW-SPDTK12SW-SPDTK11SW-SPDTK10SW-SPDTK9SW-SPDTK8SW-SPDTK7SW-SPDTK6SW-SPDTK5SW-SPDT+12V1B11C162B22C153B33C144B44C135B55C126B66C117B77C10COM9U3ULN2004A+88.8+12v+12VD03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D

9、514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U474LS37312U5:A7404图 1 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 18 页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。如图 2：图 2

10、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。如图 3：图 3 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 18 页2.2.3 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。如图4：图 4 2.3 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

11、指示灯亮，不转时绿色指示灯亮。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 18 页图 5 2.3.2 八段数码管显示电路由 8255A的 PB口取出显示码如图6，从 80c51 的 P1.5-1.7 输出位选码如图 7，设计中我们主要用到3 位显示步数既可。图 6 图 7 3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)为精选学习资

12、料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 18 页b = 360 /mz(公式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P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 C相P1.1 B相P1.0 A相1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H 2 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02H 3 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04H 表 1 （2）三相六拍工作方式在这种工作方式下 , 绕组以 AAB BBC C CA A时序(或反时序 )转换 6 次, 磁场旋转一周 , 转子前进一

13、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 (公式 2) 六拍的数学模型：步序控制位工作状态控制模型P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 C相P1.1 B相P1.0 A相1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H 2 0 0 0 0 0 0 1 1 AB 03H 3 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02H 4 0 0 0 0 0 1 1 0 BC 06H 5 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04H 6 0 0 0 0 0

14、 1 0 1 CA 05H 表 2 （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 ABBC CA AB ( 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) (公式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：控制位精选

15、学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 18 页步序P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 C相P1.1 B相P1.0 A相工作状态控制模型1 0 0 0 0 0 0 1 1 AB 03H 2 0 0 0 0 0 1 1 0 BC 06H 3 0 0 0 0 0 1 0 1 CA 05H 表 3 3.1.2 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

16、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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 18 页图 8 Y N N Y Y 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 R0 DPTR 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1 R0-1=0? 步进

17、电机继续转动R0减 1 8 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? N N 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 18 页总体程序设计：ORG 0000H AJMP MAIN MAIN: MOV A,#020H ；PC5口置 1，绿灯亮，不工作 MOV DPTR,#8002 MOVX DPTR,A LCALL DELAY LOOP:MOV DPTR,#8002 MOVX A,DPTR ANL A,#020H ；判断是否启动，若没启动则重新启动

18、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,L3 L1: MOV DPTR,#DONE1 ；跳转到方式 1 的控制模型 JMP LP2 L2: MOV DPTR,#DONE2 ；跳转到方式 2 的控制模型 JMP LP2 L3: MOV DPTR,#DONE3 ；跳转到方式 3 的控制模型 JMP LP2 LP2：MOV DPTR,#800

19、0 ；读入 PA口设定的步数到 R2 MOVX A,#DPTR MOV R0,A LP3: 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,#00H 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 18 页LP4: 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

20、 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 RET LP5:MOV A,#040H ；PC4为 0，反转，黄灯亮 MOV R1,A AJMP LP4 DONE1:DB 01H,02H,04H,00H,01H,04H,02H,00H DONE2:DB 03H,06H,05H,00H,03H,05H,06H,00H DONE3:DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H,01H,05H,04H,06H,02H,03H,00H DELAY: MOV R2,#0 DELAY0: MOV R4,DELAY0

21、 RET DISPLY:MOV A,#30H ；( 显示输出参考课本 P68) 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 RET DISPY2:INC

22、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 DISPY1 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 18 页DELAY: MOV R4,#20 ；延时程序DELAY1: MOV R5,#0 DJNZ R5,DELAY1 DJNZ R4,DELAY1 RET SEGTAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H ；对应字符 0 F ，8 段管显示码 END 3.2 关键

23、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。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

24、A,DPTR ANL A,#02H JNZ L2 MOV DPTR,#8002 MOVX A,DPTR ANL A,#04H JNZ A,L3 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 18 页L1: MOV DPTR,#DONE1 ；跳转到方式 1 的控制模型 JMP LP2 L2: MOV DPTR,#DONE2 ；跳转到方式 2 的控制模型 JMP LP2 L3: MOV DPTR,#DONE3 ；跳转到方式 3 的控制模型 JMP LP2 LP2：MOV DPTR,#8000 ；读入 PA口设定的步数到 R2 MOVX

25、A,#DPTR MOV R0,A LP3: 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,#00H LP4: 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 RET LP5:MOV A,#040H

26、；PC4为 0，反转，黄灯亮 MOV R1,A AJMP LP4 DONE1:DB 01H,02H,04H,00H,01H,04H,02H,00H DONE2:DB 03H,06H,05H,00H,03H,05H,06H,00H DONE3:DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H,01H,05H,04H,06H,02H,03H,00H 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 18 页三相步进电机的流程框图：图 9 三相步进电机控制程序R0步数是正转吗？DPTR反向控制模型地址N 取控制模型输出控制模型延时

27、，模型地址+1 步数走完了吗？N Y N Y Y DPTR正向控制模型指针控制模型 =00H？返回N 初始化精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 18 页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。显示模块的程序框图：图 10 动态显示子程序R2 显示缓冲区首地址指向最左边一位取 出要 显

28、 示 的 数DPTR PB 口地址求待显示数据的显示码送位段码到 PB口输出送位显码到 P1.5-P1.7 3位延时3 位显示完了吗返回修 改 显 示 缓 冲区求下一位选码精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 18 页显示模块子程序：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

29、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 RET DISPY2: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 DISPY1 DELAY: MOV R4,#20 ；延时程序DELAY1: MOV R5,#0 DJNZ R5,DELAY1 DJNZ R4,DELAY1 RET SEGTAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6

30、DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H ；对应字符 0 F ，8 段管显示码4. 结束语4.1 设计感想经过这个学期对微机的深入学习，并且在老师的悉心指导和严格要求下，我们终于完成了三相步进电机设计课程。从书本上的知识到自己亲手的课程设计，每一步对我们来说无疑是巨大的尝试和挑战，也成就了我们目前在大学期间独立完成的最大的工程。记得在刚接到这个课题时，由于对相关知识不是很了解，我们都有些茫然不知所措。设计好一个步进电机需要什么专业知识？带着这个疑问我们开始了地学习和实验：去图书馆查阅相关资料、上网去了解相关的内容，渐渐头脑中的概念清晰了起来。在具体设计的过程中，我们遇到了更大的困难。我们不断地给自己提出新的问题，然后去论证、推翻，再接着提出新的问题。在这个循环往复的过程中，我们这篇稚嫩的设计日臻完善。虽然我们的设计作品不是很精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 18 页成熟，即使借鉴前人的很多资料仍然还有很多不足之处，但我仍然心里有一种莫大的幸福感，因为我们实实在在地走过了一个完整的设计所应该走的每一个过程，并且享受了每一个过程。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 18 页