步进电机控制系统设计

电气及自动化课程设计报告题目步进电机控制系统设计课程电机与拖动学生姓名：学生学号：年级：2014级专业：自动化班级：2班指导教师：机械与电气工程学院制2017年3月目录1设计的任务与要求.....................................................................................................11.1课程设计的任务.............................................................................................11.2课程设计的要求.............................................................................................12步进电机控制系统设计方案制定............................................................................12.1步进电机工作的原理.....................................................................................12.2单片机的原理.................................................................................................33仿真软件介绍............................................................................................................43.1Proteus软件介绍..........................................................................................43.2Keil-uvision4软件介绍..............................................................................54步进电机控制系统电路仿真设计............................................................................54.1驱动部分..........................................................................................................54.2时钟部分..........................................................................................................54.3复位部分.........................................................................................................64.4状态指示部分..................................................................................................64.5按键部分..........................................................................................................74.6系统程序框图..................................................................................................74.7系统整图.........................................................................................................84.8元器件清单.....................................................................................................95步进电机控制系统电路仿真设计方案的仿真实现................................................96.总结..........................................................................................................................167参考文献..................................................................................................................16附录：..........................................................................................................................171步进电机控制系统设计1设计的任务与要求1.1课程设计的任务步进电机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速启停，正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制设备等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。1.2课程设计的要求本次实验是基于单片机的控制系统设计，用汇编语言和C语言编写出电机正转、反转、调速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2001以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用LCD液晶显示器显示出来。本次课程设计介绍步进电机以及单片机工作原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。2步进电机控制系统设计方案制定2.1步进电机工作的原理步进电机的工作原理就是步进转动，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或者是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率（f）成正比，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，而不受负载变化影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个歩距角。步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备——步进电机驱动器。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成，步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号。每发一个脉2冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个歩距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或者逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器方向的信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。如图1所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四项反应式步进电机工作原理图。图1四项步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。以3此类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子就会沿着A、B、C、D反向转动。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2所示。a.单四拍b.双四拍c.八拍图2步进电机工作时序波形图2.2单片机的原理（1）单片机原理概述单片机是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。图3中表示单片机的典型结构。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了系统配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。图3典型单片机结构（2）AT89C51简介AT89C51含E²PROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止E²PROM中的程序被非法复制。不可用紫外线擦除，调高了编程效率。程序存储器E²PROM容量可达20K字节。AT89C51的主要参数如表1所示。4表1AT89C51的主要参数表型号定时器I/O串行口中断速度其他特点89C512321624低电压AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，用工业标准的MCS—51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其引脚如图4所示。图4单片机的引脚排列3仿真软件介绍3.1Proteus软件介绍Proteus软件是英国Labcebterelectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。53.2Keil-uvision4软件介绍KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）