三相步进电机控制系统的设计.doc

1、武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书目 录摘 要11 设计任务及要求21.1 设计任务21.2 任务分析22 方案选择及论证32.1 总体思路32.2 电机驱动模块设计32.3 LED显示模块设计42.4 工作状态控制模块设计43 系统实现原理53.1 系统整体框图53.2 步进电机工作控制原理63.2.1 步进电机的启/停控制63.2.2 步进电机的正/反转控制64 系统硬件设计74.1 总体设计74.2 单片机输入输出设计84.3 步进电机控制电路94.3.1 启/停控制、正/反转控制、工作模式控制电路设计94.3.2 步进电机驱动电路设计104.4 显示电路104.4.1 发光二极管

2、显示电路设计104.4.2 七段数码管显示电路设计115 系统软件设计125.1 总体设计125.2 三相步进电机驱动模块145.2.1 三相步进电机的工作方式145.2.2 三相步进电机控制模块设计165.3 七段数码管显示模块设计176 系统仿真17心得体会20参考文献21附录1 设计总电路图22附录2 整体程序23附录3 主要芯片介绍25摘 要步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而

3、无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。同时，步进电机在数控机床中也有着广泛的应用。本课程设计主要是基于51单片机的三相步进电机系统。其中使用80C51单片机作为主控芯片，利用L298芯片集成电路驱动步进电机，使步进电机完成三相单三拍、三相双三拍、三相六拍的工作模式；同时接入开关进行启动/停止控制、方向控制；用4位数码管显示工作步数。用3个发光二极管显示状态：正转时红灯亮，反转时黄灯亮，不转时绿灯亮。其中80C51单片机的P3.0P3.4接开关控制电路，P1.0P1.2接电机驱动电路，P3.5P3.7接发光二极管显示电路，P0口和P2.0P2.3接七段数码管

4、显示电路。本设计的电路结构简单，设计思路清晰，同时利用KEIL和Proteus进行联合仿真，结果比较直观。 关键字：三相步进电机；KEIL单片机仿真； 51单片机；Proteus电路仿真1 设计任务及要求1.1 设计任务设计一个三相步进电机控制系统，要求系统具有如下功能：用K0-K2做为通电方式选择键，K0为三相单三拍，K1为三相双三拍，K2为三相六拍；K3为启动/停止控制、K4方向控制；用4位LED数码管显示工作步数。用3个发光二极管显示状态：正转时红灯亮，反转时黄灯亮，不转时绿灯亮。硬件设计：系统总原理图及各部分详细原理图。软件设计：系统总体流程图、步进电机单三拍，双三拍，三相六拍各模块流

5、程图、显示模块流程图等。同时编写程序，能够完成上述任务。1.2 任务分析设计任务要求设计一个三相步进电机控制系统，经过分析可以得出该系统应该具有的功能：1）三相步进电机控制系统能实现以三相单三拍、三相双三拍、三相六拍的方式运行。因此须根据需要来输出相应的控制字序列进行控制；2）三相步进电机控制系统能实现正反转控制，能改变电机运行的方向；3）三相步进电机控制系统能还应具有显示功能，同时显示工作状态和工作步数。因此可以采用发光二级管和七段数码管对工作状态和工作步数进行显示。2 方案选择及论证2.1 总体思路此三相步进电机控制可以用单片机、PLC、EDA实现。而单片机实现的步进电机控制系统具有成本低

6、、使用灵活的特点。步进电机是数字控制电机，将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下，根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差，因此步进电机适用于单片机控制。此系统选用51单片机即可。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。因此，此系统主要由单片机、电机及其驱动电路、步数显示模块、工作状态控制与显示模块组成。2.2 电机驱动模块设计方案1：使用功率三极管等电子器件搭建成功率驱动电路来驱动电机的运行。优点是电路简单，但信号不够

7、稳定，器件较大而不便电路的集成。方案2：使用专门的电机驱动芯片L298来驱动电机运行。其优点是便于电路的集成，且驱动简单，驱动信号稳定，不受外部干扰。通过对方案的比较，我选择使用电机驱动芯片来作为驱动。2.3 LED显示模块设计方案1：把所要显示的数据通过专用的七段显示芯片的转换输出给LED显示屏。其优点是输出简单，可以简化程序，但增加了芯片的费用。方案2：通过软件把所要的数据转化为七段显示的数据，直接通过单片机接口来显示，其优点是简化了电路，但增加了软件编写的负担。通过对方案的比较，我选择通过软件编写来输出显示信号。2.4 工作状态控制模块设计方案1：把按键接到单片机的中断口，若有按键按下，

8、单片机接收到中断信号，再通过软件编写的中断程序来执行中断，优点是接线简单，简化了电路，但软件编写较为复杂，不易掌握。方案2：不使用中断，直接把开关分别接在单片机的接口上，通过查询端口信号来动作。其优点是程序得到简化，可读性加强。通过对方案的比较，我选择通过查询方式来读取端口信号。3 系统实现原理3.1 系统整体框图步进电机控制系统的整体框图如图1所示。图1 步进电机控制系统的整体框图此次我们所设计的是一个步进电机控制系统，主要由80C51单片机、三相步进电机、七段数码管，及一些其他相关元件设计而成。可以通过开关来控制系统的启/停工作，当系统运转时，用开关来控制正反转，并使相应的LED指示灯亮起

9、，同样由开关来选择工作模式。运转时，用4位七段数码管来显示工作步数。最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。3.2 步进电机工作控制原理3.2.1 步进电机的启/停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感，即振动感。为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步进电机的步进角，提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机的转轴不能自由转动。3.2.2 步进电机的正/反转控制如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。若步进电机的励磁方式

10、为三相单三拍，即 A-B-C。如果按反序通电换相，则电机就反转，即C-B-A。其他方式情况类似。4 系统硬件设计4.1 总体设计设计任务要求设计一个三相步进电机控制系统，要求系统具有如下功能：1）用K0-K2做为通电方式选择键，K0为三相单三拍，K1为三相双三拍，K2为三相六拍；2）K3为启动/停止控制、K4方向控制；3）用4位数码管显示工作步数。用3个发光二极管显示状态：正转时红灯亮，反转时黄灯亮，不转时绿灯亮。根据要求可用Proteus进行设计。用Proteus所做的硬件连接如图2所示。图2 系统总体硬件连线4.2 单片机输入输出设计80C51单片机的输入输出电路如图3所示。图3 80C5

11、1单片机输入输出电路由上述分析可得，整个三相步进电机可由开关控制电路、驱动电路、发光二极管显示电路和七段数码管显示电路等模块组成。80C51单片机的P3.0P3.4接开关控制电路，P1.0P1.2接电机驱动电路，P3.5P3.7接发光二极管显示电路，P0口和P2.0P2.3接七段数码管显示电路。4.3 步进电机控制电路4.3.1 启/停控制、正/反转控制、工作模式控制电路设计K0-K2为工作模式控制开关，K0接电时，为步进电机三相单三拍工作模式；K1接电时，为步进电机三相双三拍工作模式；K2接电时，为步进电机三相六拍工作模式。K3为启/停控制开关，控制整个系统的开启和关闭。K4为正/反转控制开

12、关，控制步进电机的转向。同时接入保护电阻，以防止电流过大烧毁单片机。三相步进电机的启/停控制、正/反转控制、工作模式控制电路如图4所示。图4 三相步进电机的按键控制电路4.3.2 步进电机驱动电路设计三相步进电机的驱动电路如图5所示。图5 三相步进电机的驱动电路驱动电路采用的是L298芯片驱动。将80C51单片机的P1.0P1.2接入芯片作为步进电机的输出控制口。IN1-IN4分别对应OUT1-OUT4，INX输入为高OUTX就为高，反之亦然（ENA=1，ENB=1）。ENA和ENB为两级输出使能端，1、2一组，3、4另一组。做步进电机控制时，一般ENA和ENB置1。4.4 显示电路4.4.1

13、 发光二极管显示电路设计LED发光二极管显示步进电机工作状态的电路如图6所示。图6 发光二极管显示电路用3个不同颜色的发光二极管来作为指示灯显示，将单片机P3.5接绿灯，P3.6接黄灯，P3.7接红灯，正转时红色指示灯亮，反转时黄色指示灯亮，不转时绿色指示灯亮。4.4.2 七段数码管显示电路设计由80C51单片机的P0口取出位显码，从80C51单片机的P2.0P2.3输出位选码，设计中我主要用到4位数码管显示工作步数。电源VCC给数码管提供工作电压，利用8输出的排阻保护数码管不会因电压过大而烧毁。七段数码管显示步进电机工作步数的电路如图7所示。图7 七段数码管显示电路5 系统软件设计5.1 总

14、体设计系统总流程图如图8所示。图8 三相步进电机控制系统总流程图首先复位单片机和步进电机，然后从P3口读出开关状态，判断是否启动，没启动绿灯亮重新确认启动。启动后再次读取P3口数据，判断工作方式并选择对应的用来存储步进电机工作方式字的数组首地址值。由P3.4口的双向开关来控制步进电机的正反转，如果是正转则红灯亮，反转则黄灯亮。在电机每走一步后，步数记数加1，然后通过数码管显示把工作步数显示出来。再从P3口把状态信息读出来，与之前的P3口的状态信息进行比较。如果状态信息没有改变，电机继续运行。如果状态信息改变了，就需要重新返回程序的开端，对电机的运行状态进行判断，让电机重新以新的状态运行。由此，

15、开关的状态在电机每走一步都会查询一遍，做到实时地反映。5.2 三相步进电机驱动模块5.2.1 三相步进电机的工作方式1）三相单三拍工作方式在这种工作方式下，A、B、C三相轮流通电，电流切换三次，磁场旋转一周，转子向前转过一个齿距角。因此这种通电方式叫做三相单三拍工作方式。这时步距角（度）为 （1）其中为定子相数，为转子齿数。三相单三拍的数学模型如表1所示。表1 三相单三拍的数学模型步序控 制 位工作状态控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2C相P1.1B相P1.0A相100000001A01H200000010B02H300000100C04H2）三相六拍工作方式在这种工作方

16、式下，绕组以A-AB-B-BC-C-CA-A时序（或反时序）转换6次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距，每次切换均使转子转动。因此这种通电方式称为三相六柏工作方式。其步距角（度）为（2）其中为定子相数，为转子齿数。三相六拍数学模型如表2所示。表2 三相六拍的数学模型步序控 制 位工作状态控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2C相P1.1B相P1.0A相100000001A01H200000011AB03H300000010B02H400000110BC06H500000100C04H600000101CA05H3）三相双三拍工作方式这种工作方式每次都是有两相导通，两相绕组处在相

17、同电压之下，以AB-BC-CA-AB（或反之）方式通电，故称为双三拍工作方式。以这种方式通电，转子齿所处的位置相当于三相六拍控制方式中去掉单三拍后的三个位置。它的步距角计算公式与三相单三拍时的公式相同。进一步化简得齿数为（3）其中为定子相数，为每相的极数， 且为正整数，且为正整数。三相双三拍的数学模型如表3所示。表3 三相双三拍的数学模型步序控 制 位工作状态控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2C相P1.1B相P1.0A相100000011AB03H200000110BC06H300000101CA05H5.2.2 三相步进电机控制模块设计三相步进电机控制模块流程图如图9所

18、示。图9 三相步进电机控制模块流程图在此设计中，采用的是三相步进电机，对于步进电机模块的程序设计采用循环程序设计方法。先把正反转向的控制模型存放在内存单元中，然后再逐一从单元中取出控制模块并输出。首先启动，选择步进电机的拍数，输入步数，然后读入正反转的控制模型驱动步进电机转动。5.3 七段数码管显示模块设计七段数码管显示模块流程图如图10所示。图10 七段数码管显示模块流程图显示模块是用4位七段数码管来显示工作步数。先将显示码存入数组中，指向最左边一位，然后取出要显示的数据，指向换码表首地址，取出显示码，从P0口输出位段码，P2.0P2.3输出位选码，显示出4位工作步数，最后修改数组地址，求下

19、一位位选码继续显示。6 系统仿真当所有开关接低电平时，电机不转，发光二极管显示绿灯亮，七段数码管无数值显示。仿真结果如图11所示。图11 电机不转时的仿真结果当选择电机工作在三相六拍，正转模式下，K2、K4接高电平，K0、K1接低电平，系统启动，K3接高电平，电机开始转动。发光二极管显示红灯亮，七段数码管显示工作步数。仿真结果如图12所示。图12 电机正转时的仿真结果当选择电机工作在三相单三拍，反转模式下，K0接高电平，K0、K1、K4接低电平，系统启动，K3接高电平，电机开始转动。发光二极管显示黄灯亮，七段数码管显示工作步数。仿真结果如图13所示。图13 电机反转时的仿真结果心得体会经过这个

20、学期对微型计算机控制技术的学习，并且在老师的指导和要求下，我终于完成了三相步进电机课程设计。记得在刚接到这个课题时，由于对相关知识不是很了解，我有些茫然和不知所措。从书本上学到的理论知识到自己亲手做课程设计的跨越非常大，每一步对我来说都是巨大的尝试和挑战。要设计出实现功能要求的电路，必须先了解各种器件的工作特点和优缺点，这促使我广泛查阅书籍、网络资源，潜移默化中了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。虽然在设计过程中遇到了很多的困难和重重阻碍，但我在选择器件和设计方向的过程中，发现自己可以将课本上的知识应用于实际，虽然不熟练，但迈出了第一步，我相信以后的学习和实践中我能更

21、好的将理论与实际相结合，加深了自己对知识的理解和应用。此次课程设计也锻炼了我的自主学习能力。在设计中，我运用到了新的软件Proteus仿真软件和KEIL单片机软件开发系统，对这些软件的不熟悉促使我充分利用图书馆以及计算机网络去查阅和学习相关资料，增加了许多课本以外的知识，不仅能基本操作这些软件，利用软件进行仿真，也培养了根据课题需要选择参考书籍，查阅手册、图表等有关文献资料的自主学习能力。最重要的是，我明白了课程设计的精髓之所在。课程设计不是简简单单按照要求将电路设计出来，调试成功就算结束了，而是在课程设计中，让我学会了做一件事情的步骤和应当拥有的态度。拿到一个任务，从什么地方开始下手，先做什

22、么，后做什么，都有其自身的规律所在。如何应用所学的一丁点知识创造出无限的奇迹，如何使结果最优化，从而积累自身对待一件任务的态度，自信。参考文献1 于海生. 计算机控制技术. 北京：机械工业出版社，2005. 2 刘教瑜，曾勇. 单片机原理及应用. 武汉：武汉理工大学出版社，2011.3 张靖武，周灵彬. 单片机系统的PROTEUS设计与仿真. 北京：电子工业出版社，2007.4顶明亮、唐前辉. 51单片机应用设计与仿真：基于keil与proteus. 北京：北京航空航天大学出版社，2009.5求是科技. 单片机典型模块设计实例导航. 北京：人民邮电出版社，2008.6郭天祥. 新概念51单片机

23、C语言教程入门、提高、开发、拓展全攻略.北京：电子工业出版社，2009.7谭浩强. C程序设计. 北京：清华大学出版社，2005.附录1 设计总电路图附图1 总电路图附录2 整体程序#include#include void delay1(void); void delay2(void); void display(int); int bs=0;main() char a,b,c,d,j,*q, done18=0x01,0x02,0x04,0x00,0x01,0x04,0x02,0x00, done28=0x03,0x06,0x05,0x00,0x03,0x05,0x06,0x00,done3

24、14=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05,0x00,0x01,0x05,0x04,0x06,0x02,0x03,0x00; P3=0x20; /P3.5口置1，绿灯亮，不工作 delay1(); L: a=P3; while(!(a&0x08) /判断是否启动，若没启动则重新启动 P3=0x20; a=P3; delay1();/.判断工作模式 a=P3; /判断工作模式 if(a&0x01) /方式1模型 q=done1; if(a&0x02) /方式2模型 q=done2; if(a&0x04) /方式3模型 q=done3;/.判断电机转向 if(a&0x10)

25、/判断电机是否要正转 P3=0x80; /P3.7口为1，电机正转，红灯亮 b=0; else P3=0x40; /P3.7口为0，电机反转，黄灯亮 if(a&0x04)b=7; else b=4; d=b; while(1) c=*(q+b); /判断电机步数是否走完 if(c=0)b=d; /步数走完，电机重新再走 else P1=c; /从P1输出电机控制信号 b+; bs+; /总步数加1 display(bs); /显示步数 j=a; a=P3; if(a!=j) /判断P3口状态信号是否改变 if(!(a&0x08)bs=0; /若为停止信号，总步数清零 goto L; /状态信号

26、改变，返回到开始，重新对电机控制 void delay1() /延时5ms子程序 int i,j; for(i=0;i200;i+) for(j=0;j300;j+); void display(int n) / 电机步数显示子程序unsigned char tab10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x67; unsigned char i,k,t,num4; num0=n%10; /将总步数的各位分别存在num数组中 num1=(n/10)%10; num2=(n/100)%10; num3=(n/1000)%10; for(t=

27、0;t50;t+) /扫描50次 k=0x08; /位选码指向最左一位,第四位 for(i=0;i1; /求下一个位选码 delay2(); void delay2() /延时5ms子程序 int i,j; for(i=0;i10;i+) for(j=0;j60;j+); 附录3 主要芯片介绍附3.1 80C51单片机介绍80C51单片机的引脚如附图2所示。附图2 80C51单片机引脚图单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。1）电源：（1）VCC：芯片电源，接+5V；（2）VSS：接地端；2）时钟：XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。3）控制线

28、：控制线共有4根（1）ALE/PROG：地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲（2）PSEN：外ROM读选通信号。（3）RST/VPD：复位/备用电源。（4）EA/Vpp：内外ROM选择/片内EPROM编程电源。4）I/O线：80C51共有4个8位并行I/O端口P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。同时P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。附3.2 L298电机驱动芯片介绍L298电机驱动芯片管脚如附图3所示。附图3 L298电机驱动芯片管脚图L298管脚中，IN1-IN4分别对应OUT1-OUT4，INX输入为高OUTX就为高，反之亦然（ENA=1，ENB=1）

29、。在本设计中，INT1-INT3分别接入80C51单片机的P1.0-P1.2，以此来控制输入端的电平。ENA和ENB为两级输出使能端，1、2一组，3、4另一组。做步进电机控制时，一般ENA和ENB置1。26本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：三相步进电机控制系统的设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：评 定 项 目评分成绩1考勤、态度（15分）2. 查阅资料能力（10分）3. 系统设计(20分)包括系统实现原理、框图、方案的说明4硬件电路、程序编写、调试结果（20分）5设计说明书质量及规范化、参考文献充分（不少于5篇）（15分）6答辩（20分）总分： 总评： 指导老师签字： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日