步进电机 Word 文档1.docx
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步进电机Word文档1
电子课程设计报告
设计题目:
步进电机控制
专业:
电气工程系电机与电器
班级:
电器091
学号:
090312130
姓名:
王振洲
指导教师:
毛景魁
设计时间:
2011-6-18
微控制器技术课程设计任务书
设计题目:
步进电机控制
设计时间:
2011.6.7——2011.6.19
设计任务:
在Proteus中画出原理图或使用实物,编制程序,实现以下功能:
1、理解步进电机的工作原理。
2、数码管显示当前步进电机的转速;
3、可设定正转、反转以及精确的设定转动多少步。
背景资料:
1、单片机原理与应用
2、检测技术
3、计算机原理与接口技术
进度安排:
1、第一天,领取题目,熟悉设计内容,分解设计步骤和任务;
2、第2-3天,规划设计软硬件,编制程序流程、绘制硬件电路。
3、第4-6天,动手制作硬件电路,或编写软件,并调试。
4、第7天,中期检查。
5、第9-10天,完善为完成内容,书写设计报告。
6、第11天,提交设计报告,整理设计实物,等待答辩。
7、第12天,设计答辩。
题目:
步进电机控制
一、设计目的
增强对步进电机控制原理、步进电机的控制方式和驱动方式的了解。
学会用STC89C52单片机来控制步进电机,并了解步进电机的双相三拍控制单片机控制和三相六拍的单片机控制的具体实现方法,用汇编程序进行控制运行。
二、设计要求
(1)显示器上第一位显示次数,后三位显示每次行走的角度;
(2)通过键盘的按键,设置步进电机各次的角度值;第一位设置次数,后三位设置角度值。
(3)按START键启动步进电机开始转动,按SET键停止;按CLR键清零。
三、方案设计与论证
(1)步进电机驱动电路方案
本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动,设计中受控电机为四相六线制的步进电机(内阻33欧,步进1.8度,额定电压12V)
方案一:
使用多个功率放大器件驱动电机
通过使用不同的放大电路和不同参数的器件,可以达到不同的放大的要求,放大后能够得到较大的功率,如图1-1,使用三极管组成的步进电机驱动电路。
但是由于使用的是四相的步进电机,就需要对四路信号分别进行放大,由于放大电路很难做到完全一致,当电机的功率较大时运行起来会不稳定,而且电路的制作也比较复杂。
注:
A、B、C、D分别为步进电机四相输入
图1-1三极管组成的步进电机驱动电路
方案二:
使用ULN2003芯片驱动电机
ULN2003芯片可以驱动两个二相电机,也可以驱动一个四相电机,如图1-2。
ULN2003工作电压高,工作电流大,灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压,输出还可以在高负载电流并行运行;可以直接用单片机的IO口提供信号;而且电路简单,使用比较方便。
(注:
IN1-IN7为单片机I/O输入,OUT为与输入对应的的驱动输出,接电机的四相A、B、C、D)
图1-2ULN2003芯片驱动电路
通过比较,使用ULN2003芯片充分发挥了它的功能,能稳定地驱动步进电机,且价格不高,故选用ULN2003驱动电机。
由于控制并不复杂,直接用单片机I/O模拟出时序信号。
(2)数码管显示电路的设计
方案一:
串行接法
设计中要显示4位数字,用74LS164作为显示驱动,其中带锁存,使用串行接法可以节约IO口资源,但要使用SIO,发送数据时容易控制。
如图1-3
图1-3数码管显示驱动电路
方案二:
并行接法
使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据,如果采用并行接法,每个数码管的控制需要8个I/O,本设计有四个数码管,占用资源较多,如图1-4。
1·
图1-4数码管并行驱动电路
由于设计中用一块单片机进行控制,资源有限,故需要选择了方案一。
另外,使用锁存也起到节约资源的作用。
四、设计原理和电路图如下
(1)步进电机控制原理
步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度。
步进电机可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是,它是通过输入脉冲信号来进行控制的,即电机的总转动角度由输入脉冲数决定,而电机的转速由脉冲信号频率决定,图2-1为电机内部原理图。
图2-1四相步进电机内部原理图
开始时,B相接通电源,A、C、D断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时转子1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5齿和A、D相绕组产生错齿。
当C相接通电源,B、A、D断开,由于C相绕组的磁力线和1、4号之间磁力线的作用使转子转动,C相磁极和转子1、4号齿对齐,而转子0、3号齿就和A、B相绕组磁极产生错齿,2、5齿和A、D相绕组磁极产生错齿。
以此类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,转子就会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍,双四拍,八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角,但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度,图2-2为三种节拍控制方式的时序图。
图2-2-a单四拍图2-2-b双四拍图2-2-c八拍
(1)控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如:
四相步进电机的单四拍工作方式,其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C,D相的通断。
(2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转,如果按反序通电换相,则电机就反转。
(3)控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。
调整单片机发出的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。
(2)步进电机转速与脉冲关系计算
首先介绍一个概念:
步距角,步进电机每改变一次通电状态(一拍)转子所转过的角度称为步进电机的步距角。
假设我们想实现25转/分的转速,而上述四相步进电机的步距角为7.5,即每48个脉冲为1周,也就是要求为1200脉冲/分,相当于50ms/脉冲。
若我们想实现要求为100转/分的转速,即48000脉冲/分,相当于12.5ms/脉冲。
其他转速与脉冲关系如下:
步进电机转速与定时器定时常数关系
速度单步时间(us)TH1TL1实际定时(us)
255000076049996.8
2648077822368074.18
2746296898646292.61
2844643957344640.155
……………
10012500211012499.2
表中不仅计算出了TH1和TL1,而且还计算出了在这个定时常数下,真实的定时时间,可以根据这个计算值来估算真实速度与理论速度的误差值。
表中TH1和TL1是根据定时时间算出来的定时初值,这里用到的晶振是11.0592M。
有了上述表格,程序就不难实现了,使用定时/计数器T1为定时器,定时时间到后切换输出脚即可。
(3)硬件电路中的主要芯片功能介绍及原理图
单片机最小系统
本设计单片机最小系统采用单片机的型号为STC89C52,结构包括CPU、存储器、并行接口、串行接口、两个定时/计数器T0和TI、两个外部中断INT0和INT1和中断系统,外接晶振频率为11.0592MHZ
如图2-3-1
图2-3-1单片机最小体统
数码管驱动芯片
由于本设计有8个按键,4位数码管显示,四相步进电机驱动。
而且还不包括其它的外围器件。
这时整个系统的I/O资源就很吃紧了。
系统的扩展性也不好。
这时我们就需要考虑对单片机的I/O进行扩展,即采用串行接法控制数码管显示。
虽然专门的I/O扩展芯片市场上也有不少,但对于我们一般的应用,没有必要设计的那么复杂。
用一些简单的移位寄存器芯片一样可以实现我们的目标。
下面我们来认识一下74HC164这款芯片。
这款芯片的作用是把串行输入的数据并行输出。
在允许输出的情况下,每一个时钟的上升沿,数据依次从最低位移向最高位。
因此,在做数码管的输出显示的时候会出现拖影的想象,在设计此电路时要注意考虑此情况,如图2-3-2-1所示为74HC164芯片管脚图。
图2-3-2-174HC164芯片管脚图
74HC164是高速硅门CMOS器件,与低功耗肖特基型TTL(LSTTL)器件的引脚兼容。
74HC164是8位边沿触发式移位寄存器,串行输入数据,然后并行输出。
数据通过两个输入端(A1或A2)之一串行输入;任一输入端可以用作高电平使能端,控制另一输入端的数据输入。
两个输入端或者连接在一起,或把不用的输入短接接高电平,一定不要悬空。
下面我们再看看它的真值表,有了真值表我们才知道如何正确的去编写程序去驱动它:
表2-3-274HC164真值表
由真值表可知,当Reset为低电平时不管时钟为高电平还是低电平也不管输入引脚A1,A2为何值,输出的并行数据均为低电平。
当Reset为高电平时,只有在时钟的上升沿,A1,A2上的值才被移位输出。
明白了使用原理,我们就可以设计数码管显示驱动了,设计采用4片74HC164通过串级连接的方式来驱动数码管,几种方法仅需要占用两个I/O口,大大节约了I/O资源如图2-3-2-2所示
图2-3-2-274HC164级联方式驱动数码管
步进电机驱动芯片
功率电子电路大多要求具有大电流输出能力,以便于驱动各种类型的负载。
功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。
在大型仪器仪表系统中,经常要用到伺服电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件。
ULN2000、ULN2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件,由于这类器件功能强、应用范围语广,深受用户的欢迎。
本设计采用ULN2003作为步进电机的驱动芯片,ULN2003电路具有以下特点:
●电流增益高(大于1000)
●带负载能力强(输出电流大于500mA)
●温度范围宽(-40℃—85℃)
●工作电压高(大于50V)
管脚排列如图2-3-3-1
图2-3-3-1ULN2003管脚图
引出端功能符号:
引出端序号
符号
功能
引出端序号
符号
同意功能
1
1B
输入
9
COM
公共端
2
2B
输入
10
7C
输出
3
3B
输入
11
6C
输出
4
4B
输入
12
5C
输出
5
5B
输入
13
4C
输出
6
6B
输入
14
3C
输出
7
7B
输入
15
2C
输出
8
E
发射极
16
1C
输出
ULN2003是由高压大电流达林顿晶体管阵列组成,因此一对输入输出最小单元其内部结构如下图2-3-3-2:
图2-3-3-2单个达林顿晶体管电路原理图
按键输入电路
输入电路由8个按键组成,数字键1~5;3个功能键:
设置SET、清零CLR、
开始START;用P0口控制,当按键按下时,对应的管脚电平变为低电平。
如图2-3-4-1限流电阻和按键之间对应接单片机P1口。
图2-3-4-1八只输入按键连接电路图
(4)系统电路流程图:
系统程序
系统程序主要由键盘程序、显示器程序、步进电机驱动程序三部份组成,主程序首先初始化各变量,将显示器的高3位消隐,步进电机驱动的各引脚均输出高电平,然后调用键盘程序,并作判断,如果有键按下,则调用键盘处理程序,否则直接转下一步。
下一步是将当前的转速值转换为BCD码,送入显示缓冲区;接着判断starend这个位变量,是“1”还是“0”,如果是“1”,则开启定时器T1,否则关闭定时器T1,为防止关闭时某一相线圈长期通电,因此,在关闭定时器T1时,将P2.4~P2.7均置高。
主程序的工作即结束。
主程序流程
五、元件清单
元件序号
型号
主要参数
元件序号
型号
主要参数
R1
金属膜,0.25w
1K
T1
NPN
2N2218
R2
金属膜,0.25w
10欧姆
T2
NPN
2N3904
R3
金属膜,0.25w
5欧姆
C1
330uF
D1
整流桥
T1
变压器
输出电压3A,
变比8:
1
U4
LM7815
U7
LM7824
U5
LM7915
U6
LM7812
表1元件清单
六、硬件制作与调试
设计的步进电机基本能实现预期目标,经过调试和修改,但还是存在问题,比如按开关的时候会出现不稳定情况,转速有时比较乱,显示有时也有些不理想,
这些原因一般都是有键盘消抖处理程序不完善和显示消隐不彻底造成的,后面的工作就是在软件和硬件等方面进行修改,以完全达到预期目标。
七、设计总结
本设计系统各种新片选型都为市场上常用的芯片,价格便宜,资源开放,例如STC89C52型单片机虽然功能不如别的加强型的单片机CPU,但他的基本功能已经满足了设计的要求,市场价个格3—5元,又以低廉的价格,和良好的性能,使其性价比非常高。
使用串入并出数据传输芯片74HC164进行I/O扩展,使数码管驱动电路只需时钟CLK和数据DATA两条信号线便可以控制,大大的节约了I/O资源。
步进电机驱动电路由功率放大芯片ULN2003进行电流电压的放大,最高耐压50V,输出可以在高负载电流并行运行;可以直接用单片机的IO口提供信号;而且电路简单,使用比较方便
八、参考文献
[1] 张志良 单片机原理与控制技术 北京:
机械工业出版社,2005
[2] 何力民 MCS—51系列单片机应用系统设计:
系统配置与接口技术。
北京:
北京航空航天大学出版社
[3] 石东海 单片机数据通信技术从入门到精通。
西安:
西安电子科技大学出版社,2002
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