步進電機數(shù)電課程設(shè)計報告

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級：通信XX班指導(dǎo)教師： 工作單位：信息工程學(xué)院題 目：步進電機的控制及驅(qū)動電路設(shè)計初始條件: 本設(shè)計既可以使用集成移位寄存器、驅(qū)動器、555定時器和必要的門電路，以及 所需電阻、電容、二極管、三極管、開關(guān)等元件。本設(shè)計也可以使用單片機系統(tǒng)構(gòu)建步進電機的控 制及驅(qū)動電路。自行設(shè)計所需電源。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計工作量：1周。2、技術(shù)要求：設(shè)計一個方波發(fā)生器提供系統(tǒng)時鐘；設(shè)計一個步進電機的驅(qū)動信號發(fā)生器，可以實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)控制和轉(zhuǎn)速控制；要求驅(qū)動器有足夠的輸出電流以驅(qū)動小功率4相步進電機；要

2、求可以實現(xiàn)步進電機的單相或雙相激勵；確定設(shè)計方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和集成電路，設(shè)計分電路，闡述基本原理。繪制總體電路原理圖。3、查閱至少5篇參考文獻。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計報告書。全文用 A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時間安排:1、2012年7月L日集中，作課設(shè)具體實施計劃與課程設(shè)計報告格式的要求說明。2、2012年7月日，查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)電路的工作原理。3、2012 年7 月日至 2012 年7 月5 日，方案選擇和電路設(shè)計。4、2012 年7月4日至 2012年7月7日，電路調(diào)試和設(shè)計說明書撰寫。5、2012 年7月4 日上交課程設(shè)計成果及報告，同時進行

3、答辯。課設(shè)答疑地點:指導(dǎo)教師簽名: 系主任（或責(zé)任教師）簽名:目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 1緒論 1 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2工作原理及方案選擇 2 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 2.1控制器的論證與選擇 2 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.2驅(qū)動器的論證與選擇 3 HYPERLINK l bookmark35 o Current Do

4、cument 2.3系統(tǒng)總體方案 3 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3電路設(shè)計及仿真 3 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 3.1 步進電機 3 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 步進電機構(gòu)造 4 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 步進電機工作原理 4步進電機主要參數(shù) 5 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 3.2主控制器部分 6 HYPERLI

5、NK l bookmark59 o Current Document 3.3驅(qū)動器部分 7 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 3.4鍵盤部分 8 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 4系統(tǒng)軟件設(shè)計 9 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 4.1系統(tǒng)軟件開發(fā)工具 9 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 4.2系統(tǒng)流程圖 9 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document

6、 4.3軟件編程11 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 4.4軟件說明11 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 5仿真記錄11 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 6完整電路原理圖14 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 7心得體會15 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 8元件清單16 HYPERLINK l bookmark97 o Current D

7、ocument 參考文獻16 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 附錄：源程序清單17摘要步進電機能接受步進脈沖的控制一步一步地旋轉(zhuǎn)，它是計算機應(yīng)用項目中的主要執(zhí) 行元件之一，尤其在精確定位場合中得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹的是一種基于單片機 的步進電機的系統(tǒng)設(shè)計，用C語言編寫出電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止程序， 通過單片機、電機的驅(qū)動芯片ULN2003以及相應(yīng)的按鍵實現(xiàn)以上功能。本文內(nèi)容介紹了 步進電機以及單片機原理、該系統(tǒng)的硬件電路、程序組成，同時對軟、硬件進行了調(diào)試， 同時介紹了調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題以及解決問題的方法。該設(shè)計具有思路明

8、確、可靠性 高、穩(wěn)定性強等特點，通過調(diào)試實現(xiàn)了上述功能。關(guān)鍵詞：步進電機、單片機、電機驅(qū)動Abstract1緒論傳統(tǒng)上由純電路設(shè)計的步進電機控制和驅(qū)動電路一般較復(fù)雜，成本又高，而且一旦 成型就難于修改，可移植性差，難以適應(yīng)一些智能化要求較高的場合。單片機的普及與應(yīng) 用，為步進電機的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復(fù)雜的控制器 得以用軟件實現(xiàn)，將會避免復(fù)雜電路的設(shè)設(shè)計，既降低了硬件成本又提高了控制的靈活性、 可靠性及多功能性。本文主要介紹了步進電機的基本原理及AT89C51單片機的性能特點。設(shè)計主要研究了 一種基于AT89C51單片機和ULN2003驅(qū)動芯片的步進電機控制及驅(qū)動

9、電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)可 分為：控制模塊、驅(qū)動模塊、人機交互模塊四大部分。其中采用AT89C51單片機作為控制 模塊的核心，利用單片機編程實現(xiàn)了對步進電機啟動停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、加速減速等功能的 基本控制。驅(qū)動模塊由芯片ULN2003A驅(qū)動步進電機工作；人機互換部分由相應(yīng)的按鍵實 現(xiàn)相應(yīng)的功能。通過實際測試表明本設(shè)計系統(tǒng)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)步進電機控制器，具有結(jié)構(gòu) 簡單、可靠性高、實用性強、人機接口簡單方便、性價比高等特點。2工作原理及方案選擇根據(jù)實驗要求，電路應(yīng)包含電源，控制信號發(fā)生器（控制模塊），步進電機，功率放大器 （驅(qū)動模塊），人機交互模塊等。設(shè)計框圖如下：圖12.1控制器的論證與選擇方案一：采用集成

10、移位寄存器、驅(qū)動器、555定時器和必要的門電路，以及所需電阻、 電容、二極管、三極管、開關(guān)等元件連接電路簡單，這種設(shè)計功能主要由硬件實現(xiàn)，減少 了軟件設(shè)計，然而這樣的系統(tǒng)可擴展性差，連線復(fù)雜。方案二：采用FPGA控制方案。FPGA內(nèi)部具有獨立的I/O接口和邏輯單元，使用靈活， 適用性強，且相對單片機來說，還有速度快、外圍電路較少和集成度高的特點，因此特別 適用于復(fù)雜邏輯電路設(shè)計。但是FPGA的成本偏高，算數(shù)運算能力不強，而且由于本設(shè)計 對輸出處理的速度要求不高，所以FPGA高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)。方案三:采用Atmel公司的AT89S52單片機作為系統(tǒng)的控制器AT89S52有40個引腳、

11、 32個獨立的I/O 口、2個外部中斷和3個定時器計數(shù)器，雖然相對FPGA來說在功能和速 度上有點差異，但單片機軟件編程靈活，可用軟件較簡單地實現(xiàn)各種邏輯控制，并且由于 成本低、體積小、技術(shù)成熟和功耗小等特點。綜上，由于單片機的優(yōu)良特點，選擇方案三。2.2驅(qū)動器的論證與選擇驅(qū)動模塊電路結(jié)構(gòu)設(shè)計需要脈沖信號、信號分配、功率放大三部分組成。控制模塊產(chǎn) 生一個脈沖序列和方向控制信號，使用脈沖分配器將脈沖序列分解形成四相正反相序，然 后經(jīng)功率放大驅(qū)動步進電機。方案一：使用多個功率放大器件驅(qū)動電機，通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器 件，可以達到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用

12、的是四相的 步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機的功率 較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜，參數(shù)選擇困難，且需要多級放大， 同時又要考慮功率的放大。方案二：采用高耐壓、大電流復(fù)合品體管ICULN2003作為步進電機的驅(qū)動，ULN2003 是高耐壓、大電流復(fù)合品體管陣列，由七個硅NPN復(fù)合品體管組成。ULN2003工作電壓 高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在 高負載電流并行運行。綜上由于ULN2003具有良好的工作一致性，且連線簡單，所以采用集方案二。2.3系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)采用AT89S52單片機

13、作為控制器，選用普通5V六線四相步進電機，以ULN2003 作為驅(qū)動器，人機交互模塊采用4個獨立按鍵實現(xiàn)步進電機的起停、正反轉(zhuǎn)、加速和減速。3電路設(shè)計及仿真3.1步進電機步進電機構(gòu)造步進電動機構(gòu)造：由轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)軸、滾珠軸承），定子（繞組、定 子鐵芯），前后端蓋等組成。最典型兩相混合式步進電機的定子有8個大齒，40個小齒， 轉(zhuǎn)子有50個小齒；三相電機的定子有9個大齒，45個小齒，轉(zhuǎn)子有50個小齒。轉(zhuǎn)子1步進電機工作原理步進電機工作原理：該設(shè)計中所用到的步進電機為四相六線步進電機，它是采用單極 性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn) 動。圖4

14、是該四相步進電機工作原理示意圖。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。當(dāng)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 組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。四相步進電機按照通電順序的不同， 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

15、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（單相激勵）、雙四拍（雙向激勵） 與八拍工作（混合式激勵）方式的電源通電時序與波形分別如圖5中a、b、c所示。豚沖 JirLrvLrLruinrLrLrLrL _rLrLrLnrLrLrLTLrLrLrLrL jijmrLrLrLrLrLrLruLrLrLrLrLnA相ji_n_B相n二-1_C相Znn n:lD相1n ra.單四拍b,雙四拍c八拍圖5步進電機主要參數(shù)(1步進電機的相數(shù)：是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有兩相、三相、五相步進電機。拍數(shù)：

16、完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，用m表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個距角所需脈沖數(shù)。(3保持轉(zhuǎn)矩：是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。(5定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩。(6失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。(7失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的 (8誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線。3.2主控制器部分X1 CRYSTALU1XTAL1P口職叩 po.moiSCTAL2P口明 D3 ln

17、.4jXDiP0J&D6RSTPD.TjftDrP22miDPGENALEP2.i12EAP2J5mUP2.715P1BM2P3ITFIXD，3一1心口P72nN7IFUP3J/1NTTP1.IF3.4/TIP1J5F35/T1P1j6P3J&WRP1.T:E靈京 35垣322121云26 豆1口 11宣141?16上圖為51單片機最小系統(tǒng)，包括AT89S52單片機，復(fù)位電路，振蕩電路等。I6 Ot11 II5 OUT 2l-t OUT 313 OUT 412 OU T 5tl OUTri10 CM JT 7COMMON FREEWHHEUNGPJO01-；5圖73.3驅(qū)動器部分驅(qū)動部分采用達

18、林頓品體管陣列ULN2003,作為步進電機的驅(qū)動器。具有電流增益高、 工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。 圖7為其引腳圖，圖8為驅(qū)動器與步進電機的連線圖。驅(qū)動器以單片機P1 口的四個IO 口作為驅(qū)動信號的輸出。閣1 1 C1N2 土3CIX 4洲匚】N 5 5匚恥&匚1N7 7匚GND &匚COM1B1C2B2C3B3C4B4C5B5C6B6C7B7C6543121110A-冬日B- 0000O A-O BU2P1.0 OP1：1 OiP1：2 OfP1：3 o7,J_ULN2003A.圖 8 3.4鍵盤部分圖9圖9為設(shè)計采用的獨立鍵盤，接在單片機

19、的P2 口上，分別實現(xiàn)啟動/停止，正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，加速和減 速功能。這種鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，連線方便，但是沒有物理去抖動功能，需要實現(xiàn)軟件消抖。圖10圖10為鍵盤的中斷產(chǎn)生裝置，當(dāng)有按鍵按下時，P2 口的一個引腳產(chǎn)生低電平，四輸 入與門產(chǎn)生低電平信號，加到單片機的P3.2引腳產(chǎn)生中斷，在中斷中處理按鍵程序。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)軟件開發(fā)工具系統(tǒng)軟件開發(fā)工具采用美國KEIL Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟 件開發(fā)系統(tǒng)Keil uVision3.Keil uVision3采用全Windows界面，具有很好的兼容性，使 用接近于傳統(tǒng)C語言的語法來開發(fā)，提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開

20、發(fā)調(diào)試工具， 與匯編語言相比，C語言在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性和可維護性上具有明顯的優(yōu)勢，能大大 提高工作效率和縮短項目開發(fā)周期。Keil C51生成的目標代碼效率非常高，多數(shù)語句生 成的匯編代碼很緊湊，容易理解，并且還可以使用C語言與匯編語言混合編程，使程序達 到接近于匯編的工作效率。4.2系統(tǒng)流程圖圖11數(shù)學(xué)電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書4.3軟件編程見附錄。4.4軟件說明程序包含主函數(shù)，延時函數(shù)，按鍵掃描函數(shù),電機驅(qū)動函數(shù)，電機采用雙相激勵方式， 在電機驅(qū)動函數(shù)中，包含一個轉(zhuǎn)向速度緩沖的功能模塊，即當(dāng)按下轉(zhuǎn)向鍵后，步進電機先 按原轉(zhuǎn)動方向緩慢減速，然后向反方向緩慢加速到速度設(shè)定值，這樣避免了在高

21、速運動時 直接轉(zhuǎn)向會產(chǎn)生失步問題，并有可能造成電機的損壞。同時在緩沖過程中，LED指示燈滅， 提醒用戶此時按鍵無效，緩沖結(jié)束后，指示燈重新亮起。采用外中斷方式讀按鍵，這樣不 會造成由于處理驅(qū)動電機程序而導(dǎo)致按鍵操作無法響應(yīng)。5仿真記錄AjuIo One-Shot CursorsSource BCD打開PROTEUS左下角的仿真功能鍵。仿真結(jié)果如圖12RP1iimi IPositionSource BCD圖12表明在沒有按鍵接下時，步進電機不轉(zhuǎn)動，各相為低電平，按下起停鍵后，仿真結(jié)果如圖13。指示燈亮。AZB-E-998圖13圖13表明按下啟動鍵后，步進電機開始順時針緩慢轉(zhuǎn)動，激勵方式為兩相激勵

22、。按下加速鍵后，仿真結(jié)果如圖14。一算 _ ACDCJ1圖14Channel AChannel C從圖14可以看出按下加速鍵后，步進電機相序變換頻率加快。按下減速鍵后，仿真結(jié)果如圖15。-1Rnn- _ ACDCJI圖15從圖15可以看出按下減速鍵后，按下正/反轉(zhuǎn)鍵，仿真結(jié)果如圖步進電機相序變換頻率變慢。16和圖17。C ham le BChannel CL laime D圖16ChaimelACDCJIPositionChannel B Channel D圖17圖16和圖17中可以看出步進電機先按原方向減速，然后向反方向加速，期間指示燈 滅，按下任何按鍵無效。再次按下起停鍵后，步進電機停止轉(zhuǎn)

23、動，仿真結(jié)果如圖18。-rw 一rnru _ ACDCJ1Channel B圖18從仿真結(jié)果可以看出電路和程序可以完成規(guī)定的各項功能，且電路進行的一些軟件優(yōu) 化能起到良好效果。6完整電路原理圖 P2D Q.-P2.1 O-P22 O- PZ3 0-K2jIlLI13u .:TEH，一A.寸:RF toan.0U1C3C35CSCTC A*B.B- :雖立一P.2P.2P.2P.2P.2P.2P.2P.2OOOOOOOO7心得體會為期一周的數(shù)字電路課程設(shè)計已接近尾聲，經(jīng)過這么多天的努力，完成了這次課程設(shè) 計基本設(shè)計要求，學(xué)到了很多知識，真正將所學(xué)知識運用于實踐中，使人受益匪淺。通過 本次電路設(shè)計

24、，我熟悉了步進電機的驅(qū)動方法，掌握了單片機的編程技巧，在設(shè)計過程中 發(fā)現(xiàn)并解決了一些問題，進一步熟練了仿真軟件的使用。由于此次控制要求不是很高，選用51系列或52系列完全能夠滿足設(shè)計需求，最后選 用的STC89C52。接下來就是硬件接口分配問題和如何去驅(qū)動電機。對于步進電機之前沒 有什么接觸，所以我上網(wǎng)查了許多關(guān)于步進電機的資料，知道了其基本工作原理以及怎么 去實現(xiàn)其控制運轉(zhuǎn)和驅(qū)動。接下來的主要問題就是如何編程去實現(xiàn)控制它了。在整個仿真 過程使我更加熟練了 Proteus軟件的用法。這次課程設(shè)計使我認識到，剛學(xué)好書上的知識還是不夠的，更重要的是我們要能將所 學(xué)的知識運用到實踐中來，這才是我們學(xué)

25、習(xí)知識的最基本的要求，所以在以后的學(xué)習(xí)生活 中，我們應(yīng)該更加注意將學(xué)習(xí)與實踐相結(jié)合，在實踐中去運用好所學(xué)知識，更進一步深化 和理解所學(xué)知識，達到學(xué)以致用。8元件清單元件型號數(shù)量步進電機24BYJ48 5V1面包板1導(dǎo)線若干STC12C5A32S21按鍵440腳IC座1100Q電阻4220Q電阻1紅色LED130pf電容274LS211ULN2003112MHZ晶振2參考文獻數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)閻石高等教育出版社新概念單片機c語言教程郭天祥 電子工業(yè)出版社全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽常用電路模塊制作黃智偉北京航空航天大學(xué)出版社51單片機C語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計實例精講于勇戴佳常江電子工業(yè) 出版社PROTEUS入門使用教程周潤景 蔡雨恬 機械工業(yè)出版社附錄：源程序清單#includesbit led=P2A4;sbit ss=P2AQ；sbit pn=P2A1；sbit acc=P2A2;sbit dec=P2A3;#define uint unsigned int#define