本文格式為Word版，下載可任意編輯——步進電機控制系統(tǒng)課程設(shè)計說明書

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

目錄

一．系統(tǒng)概述2二．步進電機簡介3三．步進電機驅(qū)動4四．.軟件設(shè)計9五．步進電機控制器程序10六．設(shè)計感想20七．

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

一．系統(tǒng)概述

1.1步進電機控制工作原理

步進電機實際上是一個數(shù)字\角度轉(zhuǎn)換器，也是一個串行的數(shù)\模轉(zhuǎn)換器。步進電機的基本控制包括啟?？刂?、轉(zhuǎn)向控制、速度控制、換向控制4個方面。從結(jié)構(gòu)上看,步進電機分為三相、四相、五相等類型,常用的則以三相為主。三相步進電機的工作方式有三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種,下面具體加以闡述。1.1.1步進電機的啟?？刂?/p>

步進電機由于其電氣特性,運轉(zhuǎn)時會有步進感,即振動感。為了使電機轉(zhuǎn)動平滑,減小振動,可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細分的梯形波,可以減小步進電機的步進角,提高電機運行的平穩(wěn)性。在步進電機停轉(zhuǎn)時,為了防止因慣性而使電機軸產(chǎn)生順滑,則需采用適合的鎖定波形,產(chǎn)生鎖定磁力矩,鎖定步進電機的轉(zhuǎn)軸,使步進電機的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。1.1.2步進電機的轉(zhuǎn)向控制

假使給定工作方式正序換相通電,步進電機正轉(zhuǎn)。若步進電機的勵磁方式為三相六拍,即A-AB-B-BC-C-CA。假使按反序通電換相,即則電機就反轉(zhuǎn)。其他方式狀況類似。1.1.3步進電機的速度控制

假使給步進電機發(fā)一個控制脈沖,它就轉(zhuǎn)一步,再發(fā)一個脈沖,它會再轉(zhuǎn)一步。2個脈沖的間隔越短,步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進電機的脈沖頻率,就可以對步進電機進行調(diào)速。

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

1.1.4步進電機的換向控制

步進電機換向時,一定要在電機減速中止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)再換向,以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機。換向信號一定要在前一個方向的最終一個脈沖終止后以及下一個方向的第1個脈沖前發(fā)出。對于脈沖的設(shè)計主要要求要有一定的脈沖寬度(一般不小于5μs)、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換實

質(zhì)包含了減速→換向→加速3個過程。

二．步進電機簡介

步進電機驅(qū)動器的工作原理

步進電機在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。它可以把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等。

本設(shè)計首先要了解步進電機的工作原理，然后進行其驅(qū)動器的軟、硬件設(shè)計。

1.步進電機的工作原理

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的狀況下,電機的轉(zhuǎn)速,中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,當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度,稱為步距角.它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,從而達到確鑿定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電動機的轉(zhuǎn)速和加速度,從而達到調(diào)速的目的。

三．步進電機驅(qū)動

步進電機驅(qū)動方式:

1、1相勵磁法:每一個瞬間只有一個線圈導(dǎo)通,其它線圈休息。其特點是勵磁方法簡單,耗電低,確切度良好。但是力矩小、震動大,每次勵磁走的都是標稱角度.。

2、2相勵磁法:每一瞬間有兩個線圈同時導(dǎo)通,特點是力矩大、震動較小,每次勵磁轉(zhuǎn)動的角度是標稱角度。

3’、1-2相勵磁法:1相和2相輪番交替導(dǎo)通,精度較高,切運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。每送一個勵磁信號轉(zhuǎn)動二分之一標稱角度，也稱為半步驅(qū)動。

1相勵磁

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

2相勵磁

1-2相勵磁

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

該步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按適合的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖。圖1四相步進電機步進示意圖

開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

當開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極

產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪番供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。

四相步進電機依照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b、c所示：

圖2.步進電機工作時序波形圖

2.基于AT89C2051的步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)電路原理圖3步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)電路原理圖

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4～P1.7輸出，經(jīng)74LS14反相后進入9014，經(jīng)9014放大后控制光電開關(guān)，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號進行電壓和電流放大，驅(qū)動步進電機的各相繞組。使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和中止等動作。圖中L1為步進電機的一相繞組。AT89C2051選用頻率22MHz的晶振，選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小AT89C2051對上位機脈沖信號周期的影響。

圖3中的RL1～RL4為繞組內(nèi)阻，50Ω電阻是一外接電阻，起限流作用，也是一個改善回路時間常數(shù)的元件。D1～D4為續(xù)流二極管，使電機繞組產(chǎn)生的反電動勢通過續(xù)流二極管(D1～D4)而衰減掉，從而保護了功率管TIP122不受損壞。

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

在50Ω外接電阻上并聯(lián)一個200μF電容，可以改善注入步進電機繞組的電流脈沖前沿，提高了步進電機的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200Ω電阻可減小回路的放電時間常數(shù)，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時間變小，也起到提高高頻工作性能的作用。

四．.軟件設(shè)計

驅(qū)動器根據(jù)撥碼開關(guān)KX、KY的不同組合有三種工作方式供選擇：

方式1為中斷方式：P3.5(INT1)為步進脈沖輸入端，P3.7為正反轉(zhuǎn)脈沖輸入端。上位機(PC機或單片機)與驅(qū)動器僅以2條線相連。方式2為串行通訊方式：上位機(PC機或單片機)將控制命令發(fā)送給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)控制命令自行完成有關(guān)控制過程。方式3為撥碼開關(guān)控制方式：通過K1～K5的不同組合，直接控制步進電機。

當上電或按下復(fù)位鍵KR后，AT89C2051先檢測撥碼開關(guān)KX、KY的狀態(tài)，根據(jù)KX、KY的不同組合，進入不同的工作方式。以下給出方式1的程序流程框圖與源程序。

在程序的編制中，要特別注意步進電機在換向時的處理。為使步進電機在換向時能平滑過渡，不至于產(chǎn)生錯步，應(yīng)在每一步中設(shè)置標志位。其中20H單元的各位為步進電機正轉(zhuǎn)標志位;21H單元各位為反轉(zhuǎn)標志位。在正轉(zhuǎn)時，不僅給正轉(zhuǎn)標志位賦值，也同時給反轉(zhuǎn)標志位賦值;在反轉(zhuǎn)時也如此。這樣，當步進電機換向時，就可以上一次的位置作為起點反向運動，避免了電機換向時產(chǎn)生錯步。

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

方式1程序框圖

五．步進電機控制器程序

/*名稱：步進電機控制器程序日期：2023年3月

內(nèi)容：本程序用于測試4相步進電機常規(guī)驅(qū)動5個按鍵分別控制加速、減速、開啟、中止和反轉(zhuǎn).

數(shù)碼管顯示01-18速度等級，數(shù)字越大，速度越大

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

*/

#includereg52.h

#defineKeyPortP3

#defineDataPortP0//定義數(shù)據(jù)端口程序中遇到DataPort則用P0替換

sbitLATCH1=P2^2;//定義鎖存使能端口段鎖存sbitLATCH2=P2^3;//位鎖存

unsignedcharcode

dofly_DuanMa[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//顯示段碼值0~9unsignedcharcode

dofly_WeiMa[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};//分別對應(yīng)相應(yīng)的數(shù)碼管點亮,即位碼

unsignedcharTempData[8];//存儲顯示值的全局變量

sbitA1=P1^0;//定義步進電機連接端口sbitB1=P1^1;sbitC1=P1^2;sbitD1=P1^3;

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

#defineCoil_AB1{A1=1;B1=1;C1=0;D1=0;}//AB相通電，其他相斷電#defineCoil_BC1{A1=0;B1=1;C1=1;D1=0;}//BC相通電，其他相斷電#defineCoil_CD1{A1=0;B1=0;C1=1;D1=1;}//CD相通電，其他相斷電#defineCoil_DA1{A1=1;B1=0;C1=0;D1=1;}//D相通電，其他相斷電#defineCoil_A1{A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;}//A相通電，其他相斷電#defineCoil_B1{A1=0;B1=1;C1=0;D1=0;}//B相通電，其他相斷電#defineCoil_C1{A1=0;B1=0;C1=1;D1=0;}//C相通電，其他相斷電#defineCoil_D1{A1=0;B1=0;C1=0;D1=1;}//D相通電，其他相斷電#defineCoil_OFF{A1=0;B1=0;C1=0;D1=0;}//全部斷電

unsignedcharSpeed=1;bitStopFlag;

voidDisplay(unsignedcharFirstBit,unsignedcharNum);voidInit_Timer0(void);unsignedcharKeyScan(void);/*

uS延時函數(shù)，含有輸入?yún)?shù)unsignedchart，無返回值unsignedchar是定義無符號字符變量，其值的范圍是0~255這里使用晶振12M，確切延時請使用匯編,大致延時長度如下T=tx2+5uS

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

voidDelayUs2x(unsignedchart){while(--t);}

/*

mS延時函數(shù)，含有輸入?yún)?shù)unsignedchart，無返回值unsignedchar是定義無符號字符變量，其值的范圍是0~255這里使用晶振12M，確切延時請使用匯編*/voidDelayMs(unsignedchart){while(t--){

//大致延時1mSDelayUs2x(245);}}

/*主函數(shù)DelayUs2x(245);

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

main(){

unsignedinti=512;//旋轉(zhuǎn)一周時間unsignedcharnum;Init_Timer0();Coil_OFFwhile(1)//正向{

num=KeyScan();//循環(huán)調(diào)用按鍵掃描if(num==1)//第一個按鍵,速度等級增加{

if(Speed18)Speed++;}

elseif(num==2)//其次個按鍵，速度等級減小{

if(Speed1)Speed--;}

elseif(num==3){

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

Coil_OFF

StopFlag=1;}

elseif(num==4){

StopFlag=0;}

TempData[0]=dofly_DuanMa[Speed/10];//分解顯示信息，如要顯示68，則68/10=668%10=8

TempData[1]=dofly_DuanMa[Speed%10];}}

/*顯示函數(shù)，用于動態(tài)掃描數(shù)碼管

輸入?yún)?shù)FirstBit表示需要顯示的第一位，如賦值2表示從第三個數(shù)碼管開始顯示

如輸入0表示從第一個顯示。

Num表示需要顯示的位數(shù)，如需要顯示99兩位數(shù)值則該值輸入2*/

voidDisplay(unsignedcharFirstBit,unsignedcharNum){

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

staticunsignedchari=0;

DataPort=0;//清空數(shù)據(jù)，防止有交替重影

LATCH1=1;//段鎖存LATCH1=0;

DataPort=dofly_WeiMa[i+FirstBit];//取位碼LATCH2=1;//位鎖存LATCH2=0;

DataPort=TempData[i];//取顯示數(shù)據(jù)，段碼LATCH1=1;//段鎖存LATCH1=0;

i++;

if(i==Num)}

/*i=0;

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

定時器初始化子程序*/voidInit_Timer0(void){

TMOD|=0x01;//使用模式1，16位定時器，使用|符號可以在使用多個定時器時不受影響

//TH0=0x00;//給定初值//TL0=0x00;

EA=1;//總中斷開啟ET0=1;//定時器中斷開啟TR0=1;//定時器開關(guān)開啟PT0=1;//優(yōu)先級開啟}

/*定時器中斷子程序*/voidTimer0_isr(void)interrupt1{

staticunsignedchartimes,i;TH0=(65536-1000)/256;//重新賦值1ms

TL0=(65536-1000)%256;

步進電機速度控制軟件、硬件設(shè)計。

Display(0,8);if(!StopFlag){

if(times==(20-Speed))