基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計畢業(yè)設計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 ： 除了 鍵盤 /顯示器的輸入 /輸 出外 ,輸出通道還有驅(qū)動步進電機信號的輸出通道。 (2)選擇 單片機 ： 根據(jù) 控制系統(tǒng) 所要求的控制精度、響應速度、開發(fā)環(huán)境、 I/O 點數(shù)、輸入 /輸出通道數(shù)等情況選擇了 MCS51 系列的 8 位單片機 8051，其 具有 4KB ROM 和 256B RAM，因此不需要進行存儲器的擴展。 (3)確定鍵盤 /顯示器。 本設計需要一個 8 2的鍵盤和一個 6 位的顯示器，它們的接口電路采用 8255A。 8255A 是有 Intel 公司生產(chǎn)的 NMOS 器件，輸入和輸出與 TTL 電平兼容。電源電流最大值為 120mA，具 有 3個 8位的并行 I/O 口，有三種工作 方式，可通過編程改變其功能，使用靈活，通用性強。因此，本設計鍵盤和顯示部分選用 8255A 芯片。 (4)設計單片機控制系統(tǒng) 圖： 步進電機接口電路與單片機連接時，為了可靠地實現(xiàn)信號隔離，減少輸入輸出設備對單片機系統(tǒng)的電信號干擾，需要用光電耦合器。 研究內(nèi)容和方法 本課題的主要任務是設計一個單片機 對 步進電機 進行控制 的控制系統(tǒng)，主要研究內(nèi)容和方法如下。 單片機 步進電機 驅(qū)動 驅(qū)動 驅(qū)動 脈沖分配器 鍵盤輸 入 數(shù)碼管顯示 圖 11 單片機對步進電機控制系統(tǒng)圖 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 緒論 6 研究內(nèi)容 (1)主要研究內(nèi)容是通過單片機對步進電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速，步 距 角進行 控制。 (2)用 6位 LED顯示器組成高亮度的顯示電路 來 顯示步進電機的轉(zhuǎn)速等 運行參數(shù) 。 (3)用 8255A 作為鍵盤和顯示 電路 的接口芯片。 (4)用 PMM8713 作為步進電機的接口芯片。 (5)設計單片機控制系統(tǒng)的硬件電路。 (6)編 寫 控制系統(tǒng) 主程序，繪制程序流程圖。 研究方法 主要研究方法是：用單片機原理及其接口技術(shù)，通過軟硬件相結(jié)合 的方法 實現(xiàn)對步進電機的工作狀態(tài)和工作參數(shù)的控制。 單片機對步進電機的控制有串行控制和并行控制兩種方式。本設計采用的是串行控制方式，此方式下單片機控制系統(tǒng)與步進電機驅(qū) 動器之間只 有 兩條控制線。一條發(fā)出時鐘脈沖信號來控制步進電機的轉(zhuǎn)速；另一條發(fā)出轉(zhuǎn)向信號控制步進電機的轉(zhuǎn)向。這兩個信號都是送入步進電機驅(qū)動器的輸入端，驅(qū)動器中含有環(huán)行分配器，對步進電機勵磁方式的控制和控制脈沖的分配都是由環(huán)行分配器來完成的。由于單片機控制系統(tǒng)與驅(qū)動器之間只有兩條控制線，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化。控制系統(tǒng)按速度控制的要求從時鐘脈沖控制線發(fā)出相應的控制脈沖即可對步進電機的轉(zhuǎn)速進行控制。當需要恒速運行時，就發(fā)出恒定頻率的控制脈沖；當需要加速運行時，就發(fā)出頻率遞增的控制脈沖；當需要減速運行時，就發(fā)出頻率遞 減的控制脈沖；當需要鎖定狀態(tài)時，只需要停止發(fā)脈沖就可以了。因此，可以方便地對電動機的轉(zhuǎn)速進行控制。轉(zhuǎn)向控制線可實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)向的控制，當輸出高電平“ 1”時，環(huán)行分配器按正方向進行脈沖分配，步進電機正向旋轉(zhuǎn)；當輸出低電平“ 0”時，環(huán)行分配器按反方向進行脈沖分配，步進電機反方向旋轉(zhuǎn)。 課 題研究的意義 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和電機相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進步，電機驅(qū)動器的要求在不斷提高。現(xiàn)在 驅(qū)動器 不僅要求穩(wěn)定性好，還要便于實現(xiàn)。另外，經(jīng)濟型數(shù)控機床的普及發(fā)展趨勢，也要求電機驅(qū)動器具備更高的可靠性。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 緒論 7 傳統(tǒng)的步進電機控制方法 是由觸發(fā)器產(chǎn)生控制脈沖來進行控制的，由此種方法構(gòu)成的控制系統(tǒng) 具有 電路復雜、 靈活性差 、控制精度低、生產(chǎn)成本高、 調(diào)試和維護麻煩等缺點。 在本設計中 應用單片機接口技術(shù)，使用大規(guī)模集成電路 PMM8713 設計了一種 新型 的步進電機 控制系統(tǒng) ，這種 控制系統(tǒng) 具有集成度高 、電路簡單、 成本低 、 控制精 度高、 調(diào)試和維護方便 等優(yōu)點。這種步進電機的接口電路，可以通過對單片機的設定，用同一種電路，實現(xiàn)對各種勵磁方式 下 4 相步進電機的控制和驅(qū)動，從而大大提高了接口電路的靈活性和通用性。 通過本課題的研究，能 全面鞏固 單片機 及其 控制技術(shù)的 相關(guān) 知 識和技能；能掌握步進電機 的 運行 原理及控制方法 ；能了解 芯片的選擇 、 程序的編寫 、 軟硬件的 配 合 、各種抗干擾措施的應用等方面的知識。 總之，本 設計既能結(jié)合工業(yè)生產(chǎn) 生活 的實際又能 達到 本次畢業(yè) 設計的 要求 。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 三相反應式步進電機及硬件電路 8 第 2 章 三相反應式 步進電機 及硬件電路 步進電動機概述 步進電動機是一種將電的脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或線位移的機電元件 ， 通俗的講 ， 就外加一個脈沖信號于這種電動機時 ， 它就運行一步 。 步進電機的種類很多 ，一般分為反應式 、 混合式 、 永磁式 、 直線式四大類 ， 其中反應式和混合式比較常用 。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻 率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響， 即給電機加一個脈沖信號 ， 電機則轉(zhuǎn)過一 個步距角 。 這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的 誤差而無累積誤差等特點 ， 使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 [6] 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 三相反 應式 步進電機的結(jié)構(gòu)和原理 本設計中選用的是 三相反應式步進電機 ， 下面對其結(jié)構(gòu)和原理作進行簡要的說明。 反應式步進電機又為磁阻式步進電機，如圖214 所示，這是一臺三相電機，定子鐵心有硅鋼片疊成，定子上有 6 個磁極（大齒），共有 3 套控制繞組，繞在徑向相對的兩個磁極上的一套繞組為一相。轉(zhuǎn)子也是由疊片鐵心構(gòu)成，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，轉(zhuǎn)子只有 4 個齒，齒寬等于定子的極靴寬。反應式步進電機的是利用凸極轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動的。 當 A 相控制繞組通電 ,而 B相和 C 相不 通 電時，由于磁通具有力圖走磁阻最 小路徑的特點，所以轉(zhuǎn)子齒 1,3 的軸線與定子 A極軸線對齊。同理，當斷開 A相 ,接通 B 相時，轉(zhuǎn)子便按逆時針方向轉(zhuǎn)過 30度，使轉(zhuǎn)子齒 2,4 的軸線與定子 B 軸線對齊。斷開 B相，接通 C相，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過 30 度，使轉(zhuǎn)子齒 1,3 的軸線與 C 極軸線對齊。如此按 ABCA??順序不斷接通和斷開控制繞組，轉(zhuǎn)子就會一步步地按逆時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)速取決與各控制繞組通電和斷電的頻率（即輸入脈沖的頻率），旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 三相反應式步進電機及硬件電路 9 通電的順序。若上述電機通電順序改為 ACBA??則電機轉(zhuǎn)向變?yōu)轫槙r針。 [7] 這種按 ABCA??方 式運行的稱為三相單三拍運行。所謂“三相”，指此步進電機具有三相定子繞組；“單”是指每次只有一相繞組通電；“三拍”指三次換接為一個循環(huán)，第四次換接重復第一次的情況。除了這種運行方式外，三相步進電機還可以三相六拍和三相雙三拍運行。三相六拍運行的供電方式是 AABBBCCCAA??這時，每一循環(huán)換接 6 次，共有 6 種通電狀態(tài)。三相雙三拍的運行方式是ABBCCAAB??方式供電。這時，與單三拍運行時一樣，每一循環(huán)也是換接 3 次，共有 3種通電狀態(tài)，但不同的是每次換接都同時有兩相繞組通電。 單片機對 步進電機的控制原理 單片機對步進電機的控制有串行控制和并行控制兩種方式。本設計 采用的是串行控制方式，此方式下單片機控制系統(tǒng)與步進電機驅(qū)動器之間只 有 兩條控制線。一條發(fā)出時鐘脈沖信號來控制步進電機的轉(zhuǎn)速；另一條發(fā)出轉(zhuǎn)向信號控制步進電機的轉(zhuǎn)向。這兩個信號都是送入步進電機驅(qū)動器的輸入端，驅(qū)動器中含有環(huán)行分配器，對步進電機勵磁方式的控制和控制脈沖的分配都是由環(huán)行分配器來完成的。由于單片機控制系統(tǒng)與驅(qū)動器之間只有兩條控制線，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化。控制系統(tǒng)按速度控制的要求從時鐘脈沖控制線發(fā)出相應的控制脈沖即可對步進電機 的轉(zhuǎn)速進行控制。當需要恒速運行時，就發(fā)出恒定頻率的控制脈沖；當需要加速運行時，就發(fā)出頻率遞增的控制脈沖；當需要減速運行時，就發(fā)出頻率遞減的控制脈沖；當需要鎖定狀態(tài)時，只需要停止發(fā)脈沖就可以了。因此，可以方便地對電動機的轉(zhuǎn)速進行控制。轉(zhuǎn)向控制線可實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)向的控制，當輸出高電平“ 1”時，環(huán)行分配器按正方向進行脈沖分配，步進電機正向旋轉(zhuǎn)；當輸出低電平“ 0”時，環(huán)行分配器按反方向進行脈沖分配，步進電機反方向旋轉(zhuǎn)。 [12] 硬件電路的組成部分 本設計采用的是 8051 單片機，利用功率放大來控制三相反應式 步進電機。 硬件部分包過時鐘電路設計、復位電路設計、鍵盤和顯示部分設計、步進電機控制系統(tǒng)設計、功率放大電路設計 、 光電耦合部分設計 及電源電路設計 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 控制系統(tǒng)軟件設計 10 第 3 章 控制系統(tǒng)軟件設計 軟件設計 思想 軟件系統(tǒng)采用 MCS51單片機匯編語言編寫，時鐘晶振為 6MHz，故每條指令周期為 2181。S。根據(jù)設計任務的要求進行 正反轉(zhuǎn)控制、加減速控制、鍵輸控制 等 ，并根據(jù)功能要求進入各個功能模塊。主要設計的子程序有步進電機驅(qū)動子程序、正向運行子程序、反向運行子程序、定時器中斷服務子程序 等 。在步進電機控制系統(tǒng)中單片機的主要作用是產(chǎn)生脈沖序列 ，它是通過 8051 單片機的 P1 口發(fā)送的。系統(tǒng)軟件編制采用定時中斷產(chǎn)生脈沖序列，不使用軟件延時，不占用 CPU。 CPU 在非中斷時間內(nèi)可以處理其他事件，唯有到了中斷時間驅(qū)動步進電機一個脈沖信號。 三相反應式步進電機工作方式為三相單三拍，通電順序為： ABCA。如果按照上述通電順序，步進電機反轉(zhuǎn)；反之，如果通電順序相反，則步進電機 正向 轉(zhuǎn)動。 [10] 程序流程圖 正反轉(zhuǎn) 程序 流程圖 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 控制系統(tǒng)軟件設計 11 圖 31 主流程圖 加減速控制程序 流程圖 控制步進電機的運行速度，實際上是控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻=1？ 正轉(zhuǎn)？ 絕對位置加 1 步數(shù)減 1 越 界 ？ 步數(shù) =0 重裝定時常數(shù) 報警 停機 停機 絕對位置減 1 N N Y Y Y N Y N 改變 狀態(tài) 退出 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 控制系統(tǒng)軟件設計 12 率逐漸減小。 圖 32 加減速控制流程圖 =1 正轉(zhuǎn) 級步數(shù)=0 越界 恒速步數(shù)=0 恒速 加速 絕對位置減 1 絕對位置加 1 報警 停機 重裝定時系統(tǒng) 加速步數(shù)減1，級步數(shù)減1 減速一級計算級步數(shù) 減速步數(shù)減 1，級步數(shù)減 1 加速一級計算級步數(shù) 指針指向減速 恒速步數(shù)減 1 減速步數(shù)=0 加 速步數(shù) =0 級 步數(shù)=0 停機 減速一級，計算級步數(shù) 指針指向恒速 N Y N Y Y N Y N N Y Y N Y N Y N N 改變 狀態(tài) 退出 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 控制系統(tǒng)軟件設計 13 鍵輸 入 程序流程圖 圖 33 鍵輸入流程圖 有鍵閉合否？ 調(diào)用顯示子程序延時 6ms 鍵入鍵號 → A 判斷閉合鍵鍵號