步進(jìn)電機(jī)控制器

步進(jìn)電機(jī)控制器一設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)〔一〕設(shè)計(jì)內(nèi)容：用80C51單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器〔二〕設(shè)計(jì)要求：〔1〕用80C51設(shè)計(jì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器〔2〕可控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)與停止、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)〔3〕10檔速度調(diào)節(jié)〔4〕點(diǎn)動(dòng)控制〔5〕可顯示電機(jī)運(yùn)行參數(shù)二設(shè)計(jì)總體方案〔一〕控制方式控制方式主要有：電機(jī)轉(zhuǎn)速加減按鈕；正反轉(zhuǎn)按鈕；停止啟動(dòng)按鈕?？刂品绞绞前存I控制。由于設(shè)計(jì)只需要四個(gè)按鈕，不需要采用復(fù)雜編碼，考慮硬件條件，線路連接和經(jīng)濟(jì)性等方面，選擇獨(dú)立按鍵的方式?！捕巢竭M(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)方案由于課程設(shè)計(jì)所用的實(shí)驗(yàn)箱上有步進(jìn)電機(jī)單元，而且電機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803已經(jīng)連接好，故只需將AT89C51的I/O接口與實(shí)驗(yàn)箱ULN2803芯片上預(yù)留的4個(gè)接口對(duì)應(yīng)連接即可〔三〕單片機(jī)的選擇AT89C51高性能8位單片機(jī)，內(nèi)部集成CPU，存儲(chǔ)器，I/O接口，從而構(gòu)成較為完整的計(jì)算機(jī)，價(jià)格廉價(jià)。本次課程設(shè)計(jì)是在仿真環(huán)境下進(jìn)行，我們課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室所用的仿真器就是用AT89C51，沒(méi)有太過(guò)考慮單片機(jī)選擇的問(wèn)題?！菜摹吵绦蚓帉懻Z(yǔ)言的選擇軟件局部的選擇主要是指編程語(yǔ)言的選擇，編譯調(diào)試工具根據(jù)設(shè)計(jì)平臺(tái)選擇偉福軟件。編程語(yǔ)言主要有以下兩種方案。方案一：采用C語(yǔ)言編程。C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化的高級(jí)語(yǔ)言，編程靈活，可移植性強(qiáng)，但占用資源多，執(zhí)行效率低。方案二：采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程。匯編語(yǔ)言是一種用文字助記符來(lái)表示機(jī)器指令的符號(hào)語(yǔ)言，是最接近機(jī)器碼的一種語(yǔ)言，占用資源少，程序執(zhí)行效率高，但不易移植。本學(xué)期所學(xué)的單片機(jī)是用匯編語(yǔ)言來(lái)講述的，故本次課程設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行程序編寫。三硬件設(shè)計(jì)〔一〕總體設(shè)計(jì)方框圖如下列圖一：步進(jìn)電機(jī)ULN2803啟動(dòng)電路鍵盤控制電路復(fù)位電路89C51單片機(jī)電源及時(shí)鐘電路步進(jìn)電機(jī)ULN2803啟動(dòng)電路鍵盤控制電路復(fù)位電路89C51單片機(jī)電源及時(shí)鐘電路圖1總體設(shè)計(jì)方框圖〔二〕步進(jìn)電機(jī)原理及控制技術(shù)1〕步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的開(kāi)環(huán)數(shù)字控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度〔步距角〕。分為反響式步進(jìn)電機(jī)〔VR〕、永磁式步進(jìn)電機(jī)〔PM〕、混合式步進(jìn)電機(jī)〔HB〕。2〕步進(jìn)電機(jī)工作原理開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開(kāi)，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開(kāi)關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開(kāi)時(shí)，由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，那么轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。四相步進(jìn)電機(jī)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等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)力矩又可以提高控制精度。雙四拍運(yùn)行方式：AB→BC→CD→DA→AB四相八拍運(yùn)行方式：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A3)控制技術(shù)(1)換相順序的控制通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如，三相步進(jìn)電機(jī)在單三拍的工作方式下，其各相通電順序?yàn)锳→B→C→A，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C相的通斷。三相雙三拍的通電順序?yàn)锳B→BC→CA→AB，三相六拍的通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA→A。(2)步進(jìn)電機(jī)的換向控制如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。假設(shè)步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式為三相六拍，即A→AB→B→BC→C→CA→A。如果按反序通電換相，即A→AC→C→CB→B→BA→A，那么電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。(3)步進(jìn)電機(jī)的速度控制如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。(4)步進(jìn)電機(jī)的起?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)由于其電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，減小振動(dòng)，可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波，可以減小步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，跳過(guò)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，為了防止因慣性而使電機(jī)軸產(chǎn)生順滑，那么需采用適宜的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。(5)步進(jìn)電機(jī)的加減速控制在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果信號(hào)變化太快，步進(jìn)電機(jī)由于慣性跟不上電信號(hào)的變化，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。所有步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須有加速過(guò)程，在停止時(shí)波形有減速過(guò)程。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī)整個(gè)降速過(guò)程頻率變化規(guī)律是整個(gè)加速過(guò)程頻率變化規(guī)律的逆過(guò)程。選定的曲線比擬符合步進(jìn)電機(jī)升降過(guò)程的運(yùn)行規(guī)律，能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時(shí)間，并可防止失步和過(guò)沖現(xiàn)象。在一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負(fù)載的情況來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱為“啟動(dòng)頻率”，于此類似“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然關(guān)斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過(guò)目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。電機(jī)的啟動(dòng)頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速控制。加速過(guò)程有突然施加的脈沖啟動(dòng)頻率f0。步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率〔突跳頻率〕一般為0.1KHz到3~4KHz，而最高運(yùn)行頻率那么可以到達(dá)N*102KHz，以超過(guò)最高啟動(dòng)頻率的頻率直接啟動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。〔三〕單片機(jī)AT89C51使用介紹本次設(shè)計(jì)采用偉福仿真器模仿AT89C51環(huán)境。AT89C51為一款典型的80C51單片機(jī)，具有8位數(shù)據(jù)總線，16位地址總線，128字節(jié)片內(nèi)RAM和4K的片內(nèi)ROM以及四個(gè)并行I/O口等單元，其連接圖如圖2所示。圖2AT89C51連接圖〔四〕控制電路圖3所示圖3SB1:啟動(dòng)按鈕SB2：加速按鈕SB3：減速按鈕SB4：正反轉(zhuǎn)控制按鈕〔五〕電機(jī)與P1口連接圖4圖4〔六〕總體電路圖實(shí)驗(yàn)箱上的連接圖5總圖5四軟件設(shè)計(jì)〔一〕主程序設(shè)計(jì)主程序流程圖6主程序開(kāi)始主程序開(kāi)始設(shè)定程序初值按下SB1?延時(shí)再判SB1？等待中斷標(biāo)志求反按下SB4?延時(shí)再判SB4？等待中斷標(biāo)志求反按下SB3?延時(shí)再判SB3？等待中斷減速按下SB2?延時(shí)再判SB2？等待中斷加速判標(biāo)志決定電機(jī)啟，停判標(biāo)志決定電機(jī)正，反轉(zhuǎn)圖6〔二〕定時(shí)中斷程序設(shè)計(jì)中斷效勞程序流程圖7關(guān)定時(shí)器T1關(guān)定時(shí)器T1計(jì)算時(shí)間常數(shù)啟動(dòng)定時(shí)器T1取數(shù)據(jù)電機(jī)運(yùn)行判控制字決定正，反轉(zhuǎn)圖7〔三〕源程序代碼清單及注釋ORG0000H;程序入口地址LJMPMAIN;跳轉(zhuǎn)至主程序ORG001BH;定時(shí)器T1中斷程序入口地址LJMPTT1;跳轉(zhuǎn)到中斷效勞程序ORG30H;主程序入口地址MAIN:MOVR0,#0H;給R0賦初值MOVDPTR,#TB;指向通電數(shù)據(jù)表首地址MOVP1,#0FFH;電動(dòng)機(jī)停止MOVTMOD,#10H;設(shè)定定時(shí)器T1初值MOVTH1,#0HMOVTL1,#0FFHMOV25H,#0E0H;設(shè)定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)MOV24H,#0D0H;設(shè)定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)MOV23H,#0C0HMOV22H,#01HSETBET1;定時(shí)器T1中斷開(kāi)SETBEA;總中斷MOVR7,#1;設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值MOV20H,#0;按鍵SB1檢測(cè)程序SB1:JBP1.0,SB2;按鍵SB1是否按下〔P1.0=0？〕？否，跳轉(zhuǎn)至SB2檢測(cè)程序CALLD1;是，調(diào)用10ms延時(shí)程序延時(shí)JBP1.0,SB2;再次確認(rèn)按鍵SB1是否按下〔P1.0=0？〕？否，跳轉(zhuǎn)至SB2檢測(cè)程序JNBP1.0,$;按鍵SB1真按下了，等待中斷CPL00H;標(biāo)志求反JNB00H,stop;00H=o?是，跳轉(zhuǎn)到電機(jī)停止程序SETBTR1AJMPSB2;電機(jī)停止程序STOP:CLRTR1;停止定時(shí)器T1;按鍵SB2檢測(cè)程序SB2:JBP1.1,SB3;按鍵SB2是否按下〔P1.0=0？〕？否，跳轉(zhuǎn)至SB3檢測(cè)程序CALLD1;是，調(diào)用10ms延時(shí)程序延時(shí)JBP1.1,SB3;再次確認(rèn)按鍵SB2是否按下〔P1.0=0？〕？否，跳轉(zhuǎn)至SB3檢測(cè)程序JNBP1.1,$;按鍵SB2真按下了，等待中斷INCR7;R7加1CJNER7,#136,SB3;R7不等于136，跳轉(zhuǎn)到按鍵SB3檢測(cè)程序MOVR7,#135;傳送轉(zhuǎn)速最大值至R7;按鍵SB3檢測(cè)程序SB3:JBP1.2,SB4;按鍵SB3是否按下〔P1.2=0？〕？否，跳轉(zhuǎn)至SB4檢測(cè)程序CALLD1;是，調(diào)用10ms延時(shí)程序延時(shí)JBP1.2,SB4;再次確認(rèn)按鍵SB3是否按下〔P1.2=0？〕？否，跳轉(zhuǎn)至SB4檢測(cè)程序JNBP1.2,$;按鍵SB3真按下了，等待中斷DECR7;R7減1CJNER7,#0,SB4;R7不等于0，跳轉(zhuǎn)到按鍵SB4檢測(cè)程序MOVR7,#1;傳送轉(zhuǎn)速最小值至R7;按鍵SB4檢測(cè)程序SB4:JBP1.3,CHONG;按鍵SB4是否按下〔P1.3=0？〕？否，跳轉(zhuǎn)至按鍵重檢CALLD1;是,調(diào)用10ms延時(shí)程序延時(shí)JBP1.3,CHONG;再次確認(rèn)按鍵SB4是否按下〔P1.3=0？〕？否，跳轉(zhuǎn)至按鍵重檢JNBP1.3,$;按鍵SB4真按下了，等待中斷CPL01H;01H求反〔轉(zhuǎn)向控制字〕;按鍵重檢CHONG:SJMPSB1;跳轉(zhuǎn)至按鍵SB1檢測(cè)程序;10ms延遲程序D1:MOVR6,#4;10ms延遲循環(huán)D11:MOVR5,#01HDJNZR5,$DJNZR6,D11RET;通電數(shù)據(jù)表TB:DB0EFH0CFH0DFH9FH0BFH3FH7FH6FH;定時(shí)器T1中斷效勞程序TT1:CLRTR1;定時(shí)器T1關(guān)閉MOVA,25HMOVB,R7MULABMOV27H,APUSHBMOVA,24HMOVB,R7MULABPOPBADDA,B;計(jì)算定時(shí)常數(shù)MOVTH1,AMOVTL1,27HSETBTR1;啟動(dòng)定時(shí)器T1MOVA,R0MOVCA,@A+DPTR;指向通電數(shù)據(jù)表，取數(shù)據(jù)MOVP1,A;運(yùn)行JB01H,NIZHUAN;01H=1?是，跳轉(zhuǎn)至逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)程序INCR0;順時(shí)針運(yùn)行CJNER0,#08,ZHONG;R0不等于8，跳轉(zhuǎn)至中斷返回MOVR0,#0;R0=8,開(kāi)始下一次循環(huán)AJMPZHONG;跳轉(zhuǎn)至中斷返回;逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)程序NIZHUAN:DECR0;R0減1CJNER0,#0FFH,ZHONG;R0不等于#OFFH，跳轉(zhuǎn)至中斷返回MOVR0,#7