課程設(shè)計(jì)---三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1</p><p>　　2 方案比較及選擇1</p><p>　　2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇方案1</p><p>　　2.2 LED顯示選擇方案1</p><p>　　2.3 按鍵狀態(tài)的讀取2</p>

2、;<p>　　3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理2</p><p>　　3.1 步進(jìn)電機(jī)控制工作原理2</p><p>　　3.1.1 步進(jìn)電機(jī)的啟停控制2</p><p>　　3.1.2 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制2</p><p>　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路2</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的整體框圖3</

3、p><p>　　4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4</p><p>　　4.1 總體設(shè)計(jì)4</p><p>　　4.2 步進(jìn)電機(jī)控制電路5</p><p>　　4.2.1啟/?？刂?、正/反轉(zhuǎn)控制、工作模式控制電路分析5</p><p>　　4.2.2步進(jìn)電機(jī)控制電路5</p><p><b>

4、　　4.3顯示電路6</b></p><p>　　4.3.1發(fā)光二極管顯示電路6</p><p>　　4.3.2八段數(shù)碼管顯示電路7</p><p><b>　　5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)8</b></p><p>　　5.1 總體設(shè)計(jì)8</p><p>　　5.1.1步進(jìn)電機(jī)的工作方式

5、8</p><p>　　5.1.2 系統(tǒng)總體流程圖9</p><p>　　5.2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)11</p><p>　　5.2.1. 三相步進(jìn)電機(jī)模塊設(shè)計(jì)11</p><p>　　5.2.2顯示模塊設(shè)計(jì)12</p><p>　　6 小結(jié)及體會(huì)13</p><p><b>　

6、　附錄：14</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)16</b></p><p>　　三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)具有如下功能：用K0-K2做為通電方式選擇鍵，K0

7、為三相單三拍，K1為三相雙三拍，K2為三相六拍；K3為啟動(dòng)/停止控制、K4方向控制；用4位LED數(shù)碼管顯示工作步數(shù)。用3個(gè)發(fā)光二極管顯示狀態(tài)：正轉(zhuǎn)時(shí)紅燈亮，反轉(zhuǎn)時(shí)黃燈亮，不轉(zhuǎn)時(shí)綠燈亮。</p><p><b>　　2 方案比較及選擇</b></p><p>　　2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇方案</p><p>　　方案1：使用功率三極管等電子器件搭建成

8、功率驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但信號(hào)不夠穩(wěn)定，器件較大而不便電路的集成。</p><p>　　方案2：使用專門的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2004A來驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。其優(yōu)點(diǎn)是便于電路的集成，且驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)信號(hào)穩(wěn)定，不受外部干擾。</p><p>　　通過對(duì)方案的比較，我選擇使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來作為驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　2.2 LED顯示選擇方案</

9、p><p>　　方案1：把所要顯示的數(shù)據(jù)通過專用的七段顯示芯片的轉(zhuǎn)換輸出給LED顯示屏。其優(yōu)點(diǎn)是輸出簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)化程序，但增加了芯片的費(fèi)用。</p><p>　　方案2：通過軟件把所要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為七段顯示的數(shù)據(jù)，直接通過單片機(jī)接口來顯示，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路，但增加了軟件編寫的負(fù)擔(dān)。</p><p>　　通過對(duì)方案的比較，我選擇通過軟件編寫來輸出顯示信號(hào)。</p&g

10、t;<p>　　2.3 按鍵狀態(tài)的讀取</p><p>　　方案1：把按鍵接到單片機(jī)的中斷口，若有按鍵按下，單片機(jī)接收到中斷信號(hào)，再通過軟件編寫的中斷程序來執(zhí)行中斷，優(yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了電路，但軟件編寫較為復(fù)雜，不易掌握。</p><p>　　方案2：不使用中斷，直接把開關(guān)分別接在單片機(jī)的接口上，通過查詢端口信號(hào)來動(dòng)作。其優(yōu)點(diǎn)是程序得到簡(jiǎn)化，可讀性加強(qiáng)。</p>

11、<p>　　通過對(duì)方案的比較，我選擇通過查詢方式來讀取端口信號(hào)。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理</b></p><p>　　3.1 步進(jìn)電機(jī)控制工作原理</p><p>　　3.1.1 步進(jìn)電機(jī)的啟停控制</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感 ,即振動(dòng)感。為了使電機(jī)

12、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 ,提高電機(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 ,則需采用合適的鎖定波形 ,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)的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　3.1.2 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制</p><p>　　如果給定工作方式正序換相通電 ,步進(jìn)

13、電機(jī)正轉(zhuǎn)。若步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式為三相六拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通電換相 ,即則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路</p><p>　　此次我們所設(shè)計(jì)的是一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，主要由單片機(jī)80C51，3相步進(jìn)電機(jī)，7段數(shù)碼管，及一些其他相關(guān)元件設(shè)計(jì)而成?？梢酝ㄟ^開關(guān)來控制系統(tǒng)的啟/停工作，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，用開關(guān)來控制方向，并使相應(yīng)

14、的指示燈亮起，同樣由開關(guān)來選擇工作模式。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，用4位7段數(shù)碼管來輸出步數(shù)。最后根據(jù)思路所設(shè)計(jì)出來的硬件圖設(shè)計(jì)相適應(yīng)的軟件。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的整體框圖</p><p>　　圖1 系統(tǒng)的整體框圖</p><p><b>　　4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1 總體設(shè)

15、計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)具有如下功能：</p><p>　　用K0-K2做為通電方式選擇鍵，K0為單三拍，K1為雙三拍，K2為三相六拍；</p><p>　　K3、K4分別為啟動(dòng)和方向控制；</p><p>　　正轉(zhuǎn)時(shí)紅色指示燈亮，反轉(zhuǎn)時(shí)黃色指示燈亮，不轉(zhuǎn)時(shí)綠色指示燈亮；</

16、p><p>　　用4位LED顯示工作步數(shù)。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求用PROTEUS所做的硬件連線圖如下圖1：</p><p>　　圖2 總體硬件連線</p><p>　　4.2 步進(jìn)電機(jī)控制電路</p><p>　　4.2.1啟/?？刂?、正/反轉(zhuǎn)控制、工作模式控制電路分析</p><p>

17、;<b>　　原理圖如下：</b></p><p><b>　　圖3 按鍵控制圖</b></p><p>　?。?）K3為啟/停控制開關(guān)，控制整個(gè)系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉。</p><p>　?。?）K4為正/反轉(zhuǎn)控制開關(guān)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。</p><p>　　（3）K0-K3為工作模式控制開關(guān)，KO

18、接電時(shí)，為步進(jìn)電機(jī)單三拍工作模式；K1接電時(shí)，為步進(jìn)電機(jī)雙三拍工作模式；K2接電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)工作模式為三相六拍。</p><p>　　4.2.2步進(jìn)電機(jī)控制電路</p><p>　　將80c51的P1.0-P1.3作為步進(jìn)電機(jī)的輸出控制口。原理圖如下：</p><p>　　圖4 步進(jìn)電機(jī)的輸出控制口</p><p><b>　　4

19、.3顯示電路</b></p><p>　　4.3.1發(fā)光二極管顯示電路</p><p>　　用3個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管來作為指示燈顯示，將P3.5接紅燈，P3.6接黃燈，P3.7接綠燈，正轉(zhuǎn)時(shí)紅色指示燈亮，反轉(zhuǎn)時(shí)黃色指示燈亮，不轉(zhuǎn)時(shí)綠色指示燈亮，并加上3個(gè)保護(hù)電阻。原理圖如下：</p><p>　　圖5 指示燈接線圖</p><p&

20、gt;　　4.3.2八段數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　由80c51的P0口取出顯示碼，從80c51的P2.0-P2.3輸出位選碼，設(shè)計(jì)中我們主要用到4位顯示步數(shù)既可。原理圖如下：</p><p>　　圖6 LED接線圖</p><p><b>　　5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　5.

21、1 總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　5.1.1步進(jìn)電機(jī)的工作方式</p><p>　　（1）三相單三拍工作方式 在這種工作方式下,A、B、C三相輪流通電,電流切換三次,磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周,轉(zhuǎn)子向前轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角。因此這種通電方式叫做三相單三拍工作方式。這時(shí)步距角θb (度)為 θb = 360 /mz (公式1)式中:m──定子相數(shù); z ──轉(zhuǎn)子齒數(shù)&l

22、t;/p><p><b>　　單三拍的數(shù)學(xué)模型：</b></p><p><b>　　表1</b></p><p>　?。?）三相六拍工作方式 在這種工作方式下,繞組以A—AB—B—BC—C—CA—A時(shí)序(或反時(shí)序)轉(zhuǎn)換6次,磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周,轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個(gè)齒距,每次切換均使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)1. 5°,故這種通電方式稱為三相

23、六柏工作方式。其步距角θb 為:θb = 360 /2mz = 180 /mz (公式2)</p><p><b>　　六拍的數(shù)學(xué)模型：</b></p><p><b>　　表2</b></p><p>　?。?）雙三拍工作方式 這種工作方式每次都是有兩相導(dǎo)通,兩相繞組處在相同電壓之下,以AB─BC─CA─

24、AB (或反之)方式通電,故稱為雙三拍工作方式。以這種方式通電,轉(zhuǎn)子齒所處的位置相當(dāng)于六拍控制方式中去掉單三拍后的三個(gè)位置。它的步距角計(jì)算公式與單三拍時(shí)的公式相同。極分度角/齒距角= R + k·1/m進(jìn)一步化簡(jiǎn)得齒數(shù)z:z = q (mR + k) (公式3)式中:m──相數(shù); q──每相的極數(shù); k──≤ (m - 1)的正整數(shù);R──正整數(shù),為0、1、2、3……。雙三拍的數(shù)學(xué)模型：</p

25、><p><b>　　表3</b></p><p>　　5.1.2 系統(tǒng)總體流程圖</p><p>　　設(shè)計(jì)說明：首先復(fù)位單片機(jī)，然后從P3口讀出開關(guān)狀態(tài)，判斷是否啟動(dòng)，沒啟動(dòng)綠燈亮重新確認(rèn)啟動(dòng)。啟動(dòng)后再次讀取P3口數(shù)據(jù)，判斷工作方式并將對(duì)應(yīng)的用來存儲(chǔ)步進(jìn)電機(jī)工作方式字的數(shù)組首地址值給q。由P3.4口的雙向開關(guān)來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，如果是正轉(zhuǎn)則紅

26、燈亮，反轉(zhuǎn)則綠燈亮。在電機(jī)每走一步后，步數(shù)記數(shù)加1，然后通過LED顯示把工作步數(shù)顯示出來。再從P3口把狀態(tài)信息讀出來，與之前的P3口的狀態(tài)信息進(jìn)行比較。如果狀態(tài)信息沒有改變，電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。如果狀態(tài)信息改變了，就需要重新返回程序的開端，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，讓電機(jī)重新以新的狀態(tài)運(yùn)行。由此，開關(guān)的狀態(tài)在電機(jī)每走一步都會(huì)查詢一遍，做到實(shí)時(shí)地反映。</p><p><b>　　圖7 總體流程圖</b

27、></p><p>　　5.2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　5.2.1. 三相步進(jìn)電機(jī)模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)說明：在此設(shè)計(jì)中，采用的是三相步進(jìn)電機(jī)，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)模塊的程序設(shè)計(jì)采用循環(huán)程序設(shè)計(jì)方法。先把正反轉(zhuǎn)向的控制模型存放在內(nèi)存單元中，然后再逐一從單元中取出控制模塊并輸出。首先啟動(dòng)，選擇步進(jìn)電機(jī)的拍數(shù)，輸入步數(shù)，然后讀入正反轉(zhuǎn)的控制模型驅(qū)動(dòng)步

28、進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　三相步進(jìn)電機(jī)的流程框圖：</p><p>　　圖8 三相步進(jìn)電機(jī)的流程框圖</p><p>　　5.2.2顯示模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)說明：顯示模塊是用4位八段數(shù)碼管來顯示工作步數(shù)。先將顯示碼存入數(shù)組中，指向最左邊一位，然后取出要顯示的數(shù)據(jù)，指向換碼表首地址，取出顯示碼，從P0口輸出顯示碼，P2口

29、輸入位選碼，顯示出4位工作步數(shù)，最后修改數(shù)組地址，求下一位位選碼繼續(xù)顯示。</p><p>　　圖9 顯示模塊的程序框圖</p><p><b>　　6 小結(jié)及體會(huì)</b></p><p>　　經(jīng)過這個(gè)學(xué)期對(duì)微機(jī)的學(xué)習(xí)，我們對(duì)計(jì)算機(jī)這一以后會(huì)經(jīng)常接觸的現(xiàn)代化工具有了更深的認(rèn)識(shí)，在本次課程設(shè)計(jì)中，通過老師的指導(dǎo)和從網(wǎng)上查閱資料，和同學(xué)相互交流，

30、我們從起初對(duì)課題的陌生開始一步步走向了完成的這一刻，在本次課設(shè)中，我們接觸并了解了Proteus的應(yīng)用方法，并頂著程序隨時(shí)可能崩潰的風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)保存并順利完成了布置的任務(wù)，對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)的原理及其控制方法有了更多的了解，相信在這次課設(shè)學(xué)到的東西會(huì)對(duì)未來的工作起到很大的作用。此外在此次課設(shè)中暴露了我單獨(dú)處理問題的能力有所欠缺，在以后的學(xué)習(xí)中我會(huì)盡力克服這種缺陷當(dāng)好合格的大學(xué)生。</p><p><b>　　附

31、錄：</b></p><p><b>　　C語言程序：</b></p><p>　　#include<reg51.h></p><p>　　#include<stdio.h></p><p>　　void delay1(void);</p><p>　　void

32、 delay2(void);</p><p>　　void display(int);</p><p><b>　　int bs=0;</b></p><p><b>　　main()</b></p><p><b>　　{ </b></p><p&g

33、t;　　char a,b,c,d,j,*q,</p><p>　　done1[8]={0x01,0x02,0x04,0x00,0x01,0x04,0x02,0x00},</p><p>　　done2[8]={0x03,0x06,0x05,0x00,0x03,0x05,0x06,0x00},</p><p>　　done3[14]={0x01,0x03,0x02,

34、0x06,0x04,0x05,0x00,0x01,0x05,0x04,0x06,0x02,0x03,0x00};</p><p>　　P3=0x20; //P3.5口置1，綠燈亮，不工作</p><p>　　delay1(); </p><p>　　L: a=P3; </p><p>　　while(!(

35、a&0x08)) //判斷是否啟動(dòng)，若沒啟動(dòng)則重新啟動(dòng)</p><p>　　{P3=0x20;</p><p><b>　　a=P3;</b></p><p>　　delay1();}</p><p>　　a=P3; //判斷工作模式</p><p&

36、gt;　　if(a&0x01) //方式1模型</p><p><b>　　q=done1;</b></p><p>　　if(a&0x02) //方式2模型</p><p><b>　　q=done2;</b></p><p&

37、gt;　　if(a&0x04) //方式3模型</p><p><b>　　q=done3;</b></p><p>　　if(a&0x10) //判斷電機(jī)是否要正轉(zhuǎn)</p><p>　　{ P3=0x80; //P3.4口為1，電機(jī)正轉(zhuǎn)，紅燈亮</

38、p><p><b>　　b=0;}</b></p><p><b>　　else</b></p><p>　　{ P3=0x40; //P3.4口為，電機(jī)反轉(zhuǎn)，黃燈亮</p><p>　　if(a&0x04)b=7;</p><p><b&g

39、t;　　else b=4;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　d=b;</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p>　　{ c=*(q+b); //判斷電機(jī)步數(shù)是

40、否走完</p><p>　　if(c==0)b=d; //步數(shù)走完，電機(jī)重新再走</p><p><b>　　else</b></p><p>　　{ P1=c; //從P1輸出電機(jī)控制信號(hào)</p><p><b>　　b++;</b>&

41、lt;/p><p>　　bs++; //總步數(shù)加1</p><p>　　display(bs); //顯示步數(shù)</p><p><b>　　j=a;</b></p><p><b>　　a=P3;</b></p><p>

42、　　if(a!=j) //判斷P3口狀態(tài)信號(hào)是否改變</p><p>　　{if(!(a&0x08))bs=0; //若為停止信號(hào)，總步數(shù)清零</p><p>　　goto L; } //狀態(tài)信號(hào)改變，返回到開始，重新對(duì)電機(jī)控制</p><p><b>　　}</b

43、></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void delay1()</p><p>　　{ int i,j;</p><p>　　for(i=0;i<200;i++)</p><p

44、>　　for(j=0;j<300;j++);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void display(int n)</p><p>　　{unsigned char tab[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x67};</p>

45、;<p>　　unsigned char i,k,t,num[4];</p><p>　　num[0]=n%10; //將總步數(shù)的各位分別存在num數(shù)組中</p><p>　　num[1]=(n/10)%10;</p><p>　　num[2]=(n/100)%10;</p><p>　　num[3

46、]=(n/1000)%10;</p><p>　　for(t=0;t<50;t++) //掃描50次</p><p>　　{ k=0x08; //位選碼指向最左一位,第四位</p><p>　　for(i=0;i<4;i++)</p><p>　　{ P2=k;

47、 //從P2口輸入位選碼</p><p>　　P0=~(tab[num[i]]); //取出顯示碼，并從P0口輸出顯示碼</p><p>　　k=k>>1; //求下一個(gè)位選碼</p><p><b>　　delay2();</b></p><p&

48、gt;<b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void delay2()</p><p>　　{ int i,j;</p><p>　　for(i=0;i<10

49、;i++)</p><p>　　for(j=0;j<60;j++);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 于海生編著.《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2005</p><p>　　[

50、2] 張義和、王敏男等編著.《例說51單片機(jī)》.北京：人民郵電出版社.2008</p><p>　　[3] 張靖武，周靈彬編著.《單片機(jī)系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真》. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.</p><p>　　[4]求是科技編著.《單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航》.北京：人民郵電出版社，2008</p><p>　　[5]頂明亮、唐前輝編著.《51單片機(jī)