步進電機調速控制系統(tǒng)設計和實現(xiàn)電氣工程專業(yè)

1、題 目步進電機調速控制系統(tǒng)設計摘 要：步進電機作為重要的工業(yè)電氣設備中的執(zhí)行元件，研究對步進電機調速控制的方法，對提高控制的精確度及經(jīng)濟實用具有重要意義。本文所設計的主控芯片是51單芯片，這種芯片可以對步進電機進行調速控制。驅動芯片的控制采用UNL2003系統(tǒng)實現(xiàn)，這種系統(tǒng)可以控制電動機的轉動速度與方向，然后由數(shù)碼管電路顯示其工作狀態(tài)，用軟件來替代步進控制器使得控制變得更為靈活方便，且更加經(jīng)濟實惠。關鍵詞：步進電機，單片機，正反轉控制，電機驅動Abstract：As an important executive element in industrial electrical equipmen

2、t, stepper motor studies the method of speed regulation control of stepper motor, which is of great significance to improve the accuracy of control and economic practicality. This paper designs a system based on 51 single chip microcomputer, which controls the speed control of stepper motor, and the

3、 motor drive chip is realized by UNL2003, which can reliably control the rotation direction and rotation speed of the stepper motor, and the speed and direction of the motor are displayed by the digital tube circuit to show its working state. Replacing stepper controllers with software makes control

4、 more flexible, convenient, and cost-effective.Key words: Stepper motor, single-chip microcomputer, forward and reverse control, motor driveII目 錄1 緒論41.1 步進電機的調速41.2 步進電機應用與前景41.3 課題的研究內容42 步進電機的總體控制系統(tǒng)設計52.1 系統(tǒng)結構框架52.2 主要控芯片的型號選擇52.3 步進電機的型號選擇52.4 電機驅動芯片的型號選擇63 系統(tǒng)硬件電路設計63.1 單片機簡介73.2 獨立按鍵控制電路83.3 數(shù)碼

5、管驅動顯示電路93.4 驅動電路的連接104 軟件系統(tǒng)設計分析114.1 主程序流程圖114.2 讀按鍵子程序流程圖114.3 按鍵處理子程序流程圖124.4電機中斷程序流程圖135 系統(tǒng)的仿真與硬件的調試135.1 protues仿真軟件135.2電路仿真145.3 硬件調試196 系統(tǒng)的改進20總結22參考文獻23致謝24附錄 A25III1 緒論1.1 步進電機的應用與前景隨著時代的快速發(fā)展，步進電機將涉及人們的日常生活中許多制造和應用領域。新興產業(yè)不斷涌現(xiàn)，新的需求將被放置在步進電機中。從目前來看，步進電機已經(jīng)越來越滿足當今人們的種種需求，這種電機使用越來越廣泛，是除去直流發(fā)電機、交流

6、發(fā)電機之外使用最為廣泛、功能最為齊全的電機。在當前已經(jīng)被開發(fā)的電機控制系統(tǒng)下，已經(jīng)沒有更合適的其他電機被發(fā)現(xiàn)并可以取代它，特別是在一些低功耗系統(tǒng)，步進電機具有不可替代的優(yōu)勢地位，所以它的市場需求一直都很大。在這種基礎上，步進電機也逐漸開發(fā)出越來越多、越來越廣泛的功能以迎合市場需求。1.2 步進電機的調速步進電機一般情況下都會攜帶負載，這種情況下，轉速V僅僅與脈沖數(shù)與脈沖頻率有關，而不會因為負載的大小變化而變化。當單片機接收到信號時，電機就會改變不同的轉速和角度，其旋轉方向是以相同的角度逐步旋轉的。因此，我們能夠通過控制脈沖方波的數(shù)量來控制電機的旋轉位移程度，這樣可以達到電機的定向控制，電機運轉

7、的速度可以通過脈沖方波的頻率來調節(jié)，以解決調速的問題。1.3 課題的研究內容本課題采用的單片機是STC89C51型號，其主控芯片為UNL2003芯片，在這種芯片的作用下，電機驅動可以通過按鍵模板來控制其轉動速度與轉動方向。然后在數(shù)碼管上顯示轉速及轉向。實現(xiàn)的主要功能：（1）5個小紅燈，一個為電源指示燈，四個為電機運行指示燈；（2）數(shù)碼管顯示電路：指示電機轉動方向、電機旋轉速度的快慢（用檔位010顯示）；（3）鍵盤由五個按鍵組成，分別對應控制步進電機的啟動/暫停、正反轉、加減速五個功能；（4）檢測步進電機轉速。2調速系統(tǒng)總體設計2.1 系統(tǒng)結構框架系統(tǒng)結構總框圖如圖2-1所示。圖2-1 總體結構

8、設計框圖在電源供電的情況下，由鍵盤輸入一個信號（按下按鍵）給微控制器（單片機），單片機輸出脈沖通過驅動模塊進行控制步進電機運轉，同時由顯示模塊顯示出電機運行狀態(tài)。2.2 主要控芯片的型號選擇考慮到設計成本的原因，本篇設計最關鍵的主控制器采用的是單片機，其型號為STC89C51。此芯片具有指令操作容易，外圍電路簡單，硬件設計方便，IO口操作簡單，資源豐富等優(yōu)點。此芯片工作電壓范圍為4-5.5V，它是一種能量損耗，性能優(yōu)秀且基本功能與普通51單片機完全兼容。2.3 步進電機的型號選擇因為本課題的電路供電電壓為五伏，因此本次實驗的步進電機也需要選擇五伏的工作電壓進行供電，所以選擇28BYJ-48型號

9、步進電機作為本課題電路的實驗對象，該電機的工作方式為四相八拍，采用12相勵磁單極驅動，電機在5VDC/100HZ,空載運行條件下，電機溫升達到穩(wěn)定狀態(tài)時，用電阻法測量電機，溫升應不大于60K。電機在規(guī)定使用狀態(tài)下，應無影響使用的生銹，變形等外在缺陷問題。因為步進電機只會產生周期性的誤差，而不會產生累計誤差的特點，所以使步進電機在旋轉速度和旋轉方向的控制變得非常的簡單。 2.4 電機驅動芯片的型號選擇本課題設計的電路所選用的驅動芯片的型號為UNL2003，該種型號的芯片能夠高效率的控制步進電機的轉動速度及轉向，此驅動芯片可以將單片機發(fā)出的脈沖信號轉化為步進角度。其工作原理即：七路反向器的工作要求

10、，當高電平被輸入傳感器時，低電平輸出。相反亦然。此時繼電器吸合，得電。此芯片的相關特性參數(shù)如表2-1所示：表2-1 驅動芯片UNL2003主要特性參數(shù)表極限數(shù)值（無特殊原因規(guī)定，環(huán)境溫度=25）參數(shù)名稱符號數(shù)值單位輸入電壓VIN30V輸入電流IIN25mA功耗PD1W工作環(huán)境溫度Topr-20to +85貯存溫度Tstg-55to+1502.5測速傳感器的選擇 本課題設計測速原件采用的是霍爾傳感器，因為該元器件具有較高的精確度，這個精度可以用來測量任何波形，并且具有體積小巧，結構比較牢固，便于安裝，抗震性能優(yōu)越，適合作為本設計的傳感器。3 系統(tǒng)硬件電路設計本設計總體硬件電路設計如圖3-1 所示

11、：圖3-1硬件電路圖3.1 單片機簡介本課題選用STC89C5l作為步進電機的主控制芯片STC系列型號的單片機可以與傳統(tǒng)的51單片機完美兼容，它由美國獨立設計制造。其最大的特點在于，中央處理器的工作模式，它不會在不工作模式下停止，而是會同時儲存存儲器、定時器、串行端等。在斷電模式下，它還可以節(jié)省芯片功耗，為了進一步降低生產成本而停止振蕩器工作，直至原件復位。存儲結構：包括單獨的地址空間的程序、數(shù)據(jù)存儲器。在功能上可以完美解決每個字節(jié)的外部程序。程序存儲器：當所有讀取程序都指向外部存儲時，EA引腳連接到接地。連通高電壓時，可以通過程序讀取地址0000H到FFFH是針對內存和讀取地址操作是通過00

12、00H到 FFFFH針對外部記憶體。數(shù)據(jù)存儲器：AT89S 51實現(xiàn)了128個字節(jié)的片上存儲器，可以通過直接尋址和間接尋址方式來處理這128個字節(jié)，之所以128字節(jié)的數(shù)據(jù)可作為堆棧空間，是因為堆棧操作是間接尋址的一個方式。3.2 獨立按鍵控制電路由于幾個控制按鍵的一端都連接到一起，并且接地，所以當按下其中任意按鍵，則給單片機輸入一個低電平，單片機接受信號給驅動電路一個執(zhí)行命令，控制相對應按鍵的執(zhí)行命令，以達到對應的控制功能。鍵盤輸入模塊正轉按鍵S1接到單片機P10管腳，反轉按鍵S2接到單片機P11管腳，加速按鍵S3接到單片機P30管腳，減速按鍵接到單片機P31管腳。如圖3-3所示：圖3-2 鍵

13、盤模塊控制電路3.3 數(shù)碼管驅動顯示電路該設計用七段數(shù)碼管來作為顯示電路。這種常用的七段數(shù)碼管由半導體材料（發(fā)光型二極管）制成，二極管的連接方法可以區(qū)分為：共陰和共陽極接法。共陰極接法就是將所有的二極管的陰極連接到一起，然后從共同的連接點（即公共端）與低電平（一般為接地）相連接。共陽極接法就是所有的二極管的陽極連接到一起，后共同的連接點（即公共端）接入高電平（本課題采用五伏電壓）。數(shù)碼管的驅動電路部分采用三極管（PNP型）構成的電路，其中Q1的限流保護電阻后接單片機的P2.3端口，集電極接數(shù)碼管的1H端口，Q2的限流電阻接單片機的P2.2端口，集電極接數(shù)碼管的2H端口，Q3的限流電阻后接P2.

14、1端口，集電極接數(shù)碼管的3H端口，Q4的限流電阻后接P2.0端口，集電極接4H端口。數(shù)碼管顯示電路如3-5圖：圖3-3 數(shù)碼管顯示電路3.4 驅動電路驅動電路的工作原理：將單片機P2.8端口與驅動芯片UNL2003管腳鏈接。然后單片機端口P2.7與管腳2鏈接。管腳3與單片機端口P2.6相接，管腳4與單片機端口P2.7相接，1613管腳分別于步進電機的a,b,c,d四相序相接，電機的四相端口每一時刻有且只有一個處于接通狀態(tài)，將五伏電源電壓接至驅動芯片的管腳9，管腳8與地相接，其他管腳處于懸空狀態(tài)。該系統(tǒng)驅動電路的原理圖如圖3-4所示:圖3-4驅動模塊電路3.5復位與晶振電路 本設計所需要的震蕩電

15、路由兩個30pF的電容以及12Mhz的晶體震蕩器芯片構成的震蕩電路，然后振蕩電路為單片機提供時鐘脈沖來提供驅動力。晶振電路的作用實際上就是驅動單片機運行，單片機每次執(zhí)行命令都需要晶振電路的支持。同樣，復位電路也是單片機電路的一部分，它與晶振電路跟單片機組成單片機的最小系統(tǒng)。由10F的電容器和10K電阻以及復位按鈕構成。當按下復位按鍵單片機進入復位狀態(tài)，松開按鍵單片機從復位處執(zhí)行命令。復位與晶振電路，如圖3-6所示： 圖3-5 復位電路 晶振電路3.6測速電路為了能夠實時監(jiān)測步進電機的轉速，可以使用霍爾傳感器。這種傳感器的原理就是集成電路與霍爾效應的結合，并進一步發(fā)揮各自優(yōu)點形成的磁敏傳感器，測

16、速原理是通過小磁鐵在轉盤上，轉盤與步進電機的轉軸連接，電機的轉軸轉動時，上面的小磁鐵會發(fā)生同步的轉速，因此，當傳感器與磁鐵接近時，傳感器就會輸出高電平，當拉遠時，就會輸出低電平。電動機每轉動三百六十度，傳感器就會產生一個具有高低電平的脈沖信號，用脈沖頻率乘以六十，即可計算出電機的轉速。測速原理圖如圖3-7所示：圖3-6霍爾測速電路4 軟件系統(tǒng)設計分析對于本文所提到的軟件系統(tǒng)設計分析，必須通過查詢的方式來掃描鍵盤端并檢測其動作的發(fā)生與否。若是動作發(fā)生，那么就必須修改相應參數(shù)，以實現(xiàn)實時處理的功能。若鍵盤發(fā)生相關動作的話，就需要修改其參數(shù)值并實現(xiàn)功能。T0(定時器)中斷，服務程序進一步控制電動機的

17、轉動，然后可以通過在鍵盤上輸入數(shù)字，來達到精確控制內容與目的的作用。然后根據(jù)不同的轉速與轉動方向，來達到控制轉動方向的目的。4.1 主程序流程圖其主程序流程圖如圖4-1所示：圖4-1主程序流程圖4.2 讀按鍵子程序流程圖用掃描的方法來判斷按鍵情況。與相關初始值比較來看，就可以清晰地判斷出按鍵的情況。延時十秒后，再次掃描并與初始值比對，如果兩值一樣，那就說明鍵位正常，如果不一致，那就說明鍵位抖動。然后設置相對應的變量值，為子程序做好準備。如圖4-2:圖4-2掃描子程序流程圖4.3 按鍵處理子程序流程圖如圖4-3，是按鍵處理子程序流程圖：該流程的具體步驟就是通過T0（定時器）來控制脈沖信號，然后進

18、一步控制電機的開啟與關閉。當關閉計時器時，就可以阻止脈沖信號。圖4-3鍵盤子程序流程圖4.4電機中斷程序流程圖實時電機轉速可以進一步?jīng)Q定TO定時器的斷電時間。在中斷時，需要保護電機并判斷方向控制，然后恢復初始值，再等待下一個系統(tǒng)命令。電機轉向由實時轉速來控制，轉速過高時就會控制中斷時間，進一步控制輸出脈沖，達到控制轉速的目的。定時器中斷0服務程序流程圖如圖4-4所示:圖 4-4定時器中斷0服務程序流程圖4.5測速控制子程序電機測速子程序流程圖，如圖4-5所示：圖4-5電機測速子程序5 系統(tǒng)的仿真與硬件的調試5.1 protues仿真軟件 為了反映步進電機的轉速以及方向的實現(xiàn)，本課題設計需要對電

19、路進行仿真實驗，采用的仿真軟件為Protues，這個軟件能夠將本次實驗的電路原理圖清晰的繪制出來，不僅如此，這款軟件還能對電路進行仿真，通過虛擬儀器示波器將步進電機的轉速波形體現(xiàn)出來。5.2電路仿真顯示電路由4位七段LED數(shù)碼管構成，其中左側兩位顯示步進電機的正反轉，“0”為正轉，“1”為反轉。右側兩位顯示步進電機的轉速檔位，分為010個檔位。為了對比電機的轉速及轉向，本篇設計分別選取正反轉的“1”檔，“5”檔和“9”檔進行對比。正轉“1檔”如圖5-1所示：圖5-1反轉“1”擋，如圖5-2所示：圖5-2正轉“5”擋，如圖5-3所示：圖5-3反轉“5”擋，如圖5-4所示：圖5-4正轉“9”擋，如

20、圖5-5所示：圖5-5反轉“9”擋，如圖5-6所示：圖5-6正轉“1”擋波形圖，如圖5-7所示：圖5-7正轉“5”擋波形圖，如圖5-8所示：圖5-8正轉“5”擋波形圖，如圖5-9所示：圖5-9通過上面脈沖波形的對比，可以發(fā)現(xiàn)隨著檔位的不斷增加，脈沖的頻率也在不斷地增加，由此可以說明電機的轉速也在增加。5.3 硬件調試正轉檔位“1”正轉，檔位“5”正轉，檔位“10”21總 結經(jīng)過戴老師細致的指導，歷經(jīng)一個多月，終于完成此次設計一、本課題設計分為兩個大部分，即硬件設計與軟件設計。（1）電路設計主要設計內容是：微控制器、驅動電路、數(shù)碼顯示模塊、按鍵控制部分、測速模塊這幾個功能模塊合理的連同，給后面軟

21、件設計提供一個良好的運行平臺。（2）軟件程序設計是通過編寫c語言程序，實現(xiàn)對整個調速系統(tǒng)的控制。在這個系統(tǒng)上，經(jīng)過電信號復位后程序自行運作，后通過按鍵設系統(tǒng)參數(shù)的設定，控制電機的運行和停止，并控制監(jiān)測電機的轉速，調節(jié)其快慢與方向。二、本課題設計實現(xiàn)的功能（1）控制異步電機：利用STC89C51單片機。（2）由5個按鍵來實現(xiàn)對電機的加減速、轉向以及復位的控制；（3）步進電機的轉速、轉向的動態(tài)變化由數(shù)碼管顯示；（4）對電機轉速的實時監(jiān)測。通過本課題，在查閱資料的基礎上，通過對STC89C51單片機控制的一些基本知識的了解，掌握其控制方法與相關功能；在設計系統(tǒng)的硬件電路設計方面，應充分運用課本所學知

22、識，學會分析，善于思考總結。最后，通過這次畢業(yè)課題設計的學習，我學會了更多書本以外的知識，遇到困難問題，敢于面對，挑戰(zhàn)自我。參 考 文 獻1 李英輝.步進電機綜合控制系統(tǒng)設計J.中外企業(yè)家,2013,(30):166-166,168. 2 任志遠.分布式高壓斷路器電壽命狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究D.北京:華北電力大學,2000.3 沈于林.大型軋輥切割機的研究和設計D.河北:河北農業(yè)大學,2008.4 張亞華. 電子電路計算機輔助分析與輔助設計. 北京 航空工業(yè)出版社，20045 沈于林.大型軋輥切割機的研究和設計D.河北:河北農業(yè)大學,2008.6 張亞華. 電子電路計算機輔助分析與輔助設計. 北京

23、 航空工業(yè)出版社，20047 莫正康. 電力電子應用技術. 北京：機械工業(yè)出版社，20098 曾曉宏. 數(shù)字電子技術. 北京：機械工業(yè)出版社，20089 江曉安. 模擬電子技術. 陜西：西安電子科技大學出版社，200710 蔣輝平 周國雄. 基于Proteus的單片機系統(tǒng)設計與仿真實例 北京：機械工業(yè)出版社，200911 王宗培.步進電動機及其控制系統(tǒng)M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，200912 余永權.單片機應用系統(tǒng)的功率接口技術M.北京:北京航空航天大學出版社，200613 陳理壁.步進電機及其應用M.上海:上海科學技術出版社，200914 王曉明、 胡曉柏，電動機的單片機控制M.北京航

24、空航天大學出版社,2002年5月第1版：181-20815 劉寶延、 程樹康，步進電動機及其驅動控制系統(tǒng) M .2007年11月第一版：134-16716 史敬灼， 步進電動機伺服控制技術M .2007年3月第2版：23-3517 劉國永, 陳杰平. 單片機控制步進電機系統(tǒng)設計. 安徽: 安徽技術師范學院學報, 2012, 16 (4) : 61-63.18 孫笑輝,韓曾晉. 減少感應電動機直接轉矩控制系統(tǒng)轉矩脈動的方法J. 電氣傳動, 2011 (1) : 8-11.致謝論文得以完成，要感謝的人實在太多了，首先要感謝我的指導老師戴老師，因為論文是在戴老師的悉心指導下完成的。戴老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)

25、度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。老師指引我的論文的寫作的方向和架構，并對本論文初稿進行逐字批閱，指正出其中誤謬之處，使我有了思考的方向，他的嚴謹細致、一絲不茍的作風，將一直是我工作、學習中的榜樣。另外，要感謝在大學期間所有傳授我知識的老師們，是你們的悉心教導使我有了良好的專業(yè)課知識，這也是論文得以完成的基礎。23附錄 A源程序：#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define led P0/數(shù)碼管段選#define haha

26、P2sbit s1 = P10;sbit s2 = P11;sbit s3 = P30;sbit s4 = P31;/按鍵定義,s1正轉，s2反轉，s3加1，s4減1sbit wei3 = P23;sbit wei2 = P22;sbit wei1 = P21;sbit wei0 = P20;/數(shù)碼管位選定義sbit a = P27;sbit b = P26;sbit c = P25;sbit d = P24;/脈沖信號輸入端定義uchar code display11=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff;/共陽數(shù)碼管驅

27、動信號0-9，不顯示uchar code time_counter102=0xda,0x1c,0xde,0xe4,0xe1,0xec,0xe5,0xd4,0xe9,0xbc, /9.7 -1ms 0xed,0xa4,0xf1,0x8c,0xf5,0x74,0xf9,0x5c,0xfc,0x18;uchar code qudong8=0x80,0xc0,0x40,0x60,0x20,0x30,0x10,0x90; uchar num1 = 0;/控制取勵磁信號變量 uchar num2 = 8;uchar k=1;/加減檔位控制，1為最小檔bit flag1 = 0;/初始正轉，正反轉標志uch

28、ar buf4=0,10,10,1;/數(shù)碼管顯示緩存，正轉，不顯示，不顯示，顯示1檔位,高-低 /=定時器0/1初始化函數(shù)=void T0_T1_init()TMOD = 0x11;/定時器0/1均工作于方式1,16位計時方式TH0 = (65536 - 4000)/256;TL0 = (65536 - 4000)%256;/定時器0，定時4ms用于數(shù)碼管掃描顯示 TH1 = time_counterk-10;TL1 = time_counterk-11;/定時器1，定時10ms用于步進電機轉速控制TR0 = 1;TR1 = 1;ET0 = 1;ET1= 1;/開定時器中斷EA = 1;/開總

29、中斷/=ms級延時函數(shù)=void delay1m(uint x) uint i,j; for(i=0;i<x;i+) /連數(shù)x次，約 x ms for(j=0;j<120;j+); /數(shù)120 次，約1 ms /=主函數(shù)=void main()T0_T1_init();buf1 = 10;/不顯示while(1)if(s1 = 0)delay1m(3);if(s1 = 0)flag1 = 0;/正轉buf0 = 0;/最高位顯示0haha = 0x00;/停止 k-;if(k = 0)k = 10;buf2= k/10;buf3= k%10;flag1 = 1;/反轉buf0 =

30、1;/最高位顯示1haha = 0x00;/停止while(!s2);if(s3 = 0) /速度加1檔delay1m(3);if(s3 = 0)k+;if(k > 10 )k = 1;buf2= k/10;buf3= k%10; while(!s3);if(s4 = 0) /速度減1檔delay1m(3);if(s4 = 0)k-;if(k = 0)k = 10;buf2= k/10;buf3= k%10;while(!s4); /=定時器0中斷函數(shù)，用于數(shù)碼管掃描顯示=void time0_interrupt()interrupt 1static num = 0;TH0 = (65536 - 4000)/256;TL0 = (65536 - 4000)%256;/定時器0，定時4ms用于數(shù)碼管掃描顯示switch(num)case 0:wei3=1;wei2=1;wei1=1;wei0=0;led = displaybuf3;break; case 1:wei3=1;wei2=1;wei1=0;wei0=1;led =