基于单片机的步进电机控制器设计

设计者：杨剑锋桂林理工大学机械控制与控制工程学院第1页共25页设计题目：基于MCS-51单片机的反应式步进电机控制器设计，要求能够控制其转速、正反转和运行步数。摘要：在中国这个发展中大国，单片机的出现意味着计算机分为通用计算机系统和嵌入式计算机系统。单片机单芯片因它的体积微小和成本低廉的优点而广泛的应用到家电、仪表、汽车电子、工业控制单元、办公自动化设备、通信设备等这些产品中去，是现代电子系统中极其重要的智能化工具。在未来，单片机将会进一步的走向低功耗、小体积、大容量、高性能、低价位和混合信号集成化。本设计基于AT89S51单片机，利用反应式步进电机控原理，对其控制进行硬件和软件的设计。以实现对反应式电机的控制器可对36BF003型步进电机进行正反转、启停、速度和步数控制。关键字：步进电机；单片机；拍数；控制器；反应式一、控制原理分析1.1三相步反应式进电机工作原理反应式步进电机又称可变磁阻式步进电机，它和普通的电机一样，也是有定子和转子组成，它利用磁阻转矩使转子转动。三相反应式步进电机定机定子上有六个极，每个极上装有控制绕组，每相对的两极组成一相。转子上有数个均匀分布的齿，其上没有绕组，当A相通电时，转子在磁场力的作用下与定子齿对齐，若切断A相电源，同时接通B相电源，在磁场力的作用下转子转过一个步距角（步距角由转子齿数、控制绕组相数和通电方式决定），如再使B相断电，同时使C相控制绕组通电，转子又转过一个步距角。如此循环通电，并按A→B→C→A顺序通电，步进电机便按一定的方向转动。电机的转速取决于控制绕组接通的断开的变化频率。若改变通电顺序，即按A→C→B→A方式通电，则电机反向转动。上述通电方式称为三相单三拍通电方式；这里的“拍”是指定子控制绕组每改变一次通电方式，为一拍；“单”是指每次只有一相控制绕组通电；“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。三相步反应式进电机除上述通电方式外，还有三相双三拍和三相单双六拍通电方式，三相双三拍通电顺序为AB→BC→CA→AB或AB→CA→BC→AB，三相单双六拍通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A或A→AC→C→CB→B→BA→A，这里“AB”表示A、B两相同时通电，依此类推。三相反应式步进电机的步距角θs的大小是由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式所决定的，其关系为θs＝360o/(mZrC)式中C为通电状态系数，当采用单拍方式时，C=1；而采用单双拍方式时，C=2；m为步进电机相数，当Zr为步进电机转子数。若步进电机能电的脉冲频率为f（每秒的拍数），则步进电机的速度为n＝60f/(mZrC)式中：f为频率，单位为Hz；n为转速，单位为r/min。1.2基于单片机的步进电机驱动器控制原理步进电机驱动器控制系统的硬件设备由单片机、功率放大器、键盘输入设备和显示设备几个部分组成，其示意图如图1-1所示：设计者：杨剑锋桂林理工大学机械控制与控制工程学院第2页共25页1、键盘：键盘由0~9号数字健、正转启动键、反转启动键、停止键、转速+、转速-等15个按键组成，通过键盘可以设置电机运行步数（电机转动角度）、转速、正/反转启动和停止。2、单片机：单片机是系统的控制单元，它通过对输入设置运算产生和分配控制电机的脉冲信号，同时也要产生步数和速度的显示信号。3、功率放大器：单片机输出的脉冲信号功率很小，不足以驱动电机转动，故需要功率放大器将信号放大以驱动电机转动。二、硬件设计2.1电机的选用及其电路2.1.1确定步进电机型号及其参数本设计选择型号为36BF003反应式步进电机，其参数如表2-1所示：表2-136BF003反应式步进电机技术数据型号相数步距角/（度）电压/V相电流/A最大静转矩（N.m）空载起动频率/（步/s）绕组电阻/Ω分配方式外形尺寸/mm重量/Kg外径长度轴径36BF00331.5/3271.50.07831001.6三相六拍364340.222.1.2电机驱动电路原理由表2-1可知电机的额定电压是27V，本设计采用单电源功率放大电路驱动步进电机，电路原理图如图2-1所示。电路中由单片机AT89S51分配的控制脉冲从P0口的P0.0~P0.7输出，经74LS125反相后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。W1、W2、W3分别为电机三相绕阻，RL为绕组内阻，阻值为1.6Ω，100Ω电阻（R1、R2、R3）是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。VD1、VD2、VD3为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管（VD1、VD2、VD3）而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。在100Ω外接电阻（R1、R2、R3）上并联一个200μF电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200Ω电阻（R10、R11、R12）可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。设计者：杨剑锋桂林理工大学机械控制与控制工程学院第3页共25页2.3单片机选择及其电路设计2.3.1单片机的选用（1）本设计采用AT89S51，它是低功耗、高性能的单片机，其特性如下：（2）4KB可编程的Flash存储器（可经受1000次的擦除/写入）；（3）全静态工作：0Hz～24Hz；（4）1288字节的内存RAM；（5）32可编程I/O线；（6）2个16位的定时/计数器；（7）编程串行通道；（8）片内振荡器。2.3.2单片机工作电路设计（1）电压选择单片机的工作电压范围为2.7~5.5V，在本设计中的单片机的工作电压是5V。（2）复位电路AT89S52单片机的RESET引脚为复位信号输入端，高电平有效，，当振荡器工作时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平，就可以使单片机复位。本设计采用TPS3824处理器监控电路复位，电路原理图如图2-2所示。设计者：杨剑锋桂林理工大学机械控制与控制工程学院第4页共25页TPS3824是一个带有看门狗功能的监控器，在上电期间，监控器REST端向单片机复位引脚（RESET）发出一个复位信号，然后，其内部定时器每延时时间td向单片机发出一个复位信号，因此，在单片机正常工作期间，单片机P0.3口需要在时间t≤td时定期向监控器WDI引脚发出一个正跳变或负跳变以触发监控器定时器复位，以防止单片机被误复位。当单片机死机无法正常工作时，P0.3无法输出触发监控器定时器复位信号，监控器则向单片机发出复位信号使系统复位，所以，使用TPS3824监控器复位电路具有系统死机自动复位功能。（3）时钟电路本系统运行程序不多，速度要求不高，采用外部时钟脉冲，选用ZPA（稳定度为1~9x10-4普通石英晶体振荡器）型12MHz石英晶体振荡器。其电路原理图如图2-3所示。如图2-3，时钟电路连接单片机引脚XTAL1和XTAL2向单片机提供时钟脉冲，电路中的电容C1和C2称为负载电容，也可以理解为谐振电容的一部分，两电容并串在电路中取值相同，一般为数pF至数十pF，这里选择30pF。（4）键盘输入电路键盘是一组按键的集合,它是最常用的单片机输入设备.操作人员可以通过键盘输入数据或者命令,实现简单的人机通信。单片机的键盘设计方式有独立式和矩阵式两种，由于本系统键盘由0~9号数字键、正转控制键、反转控制键、停止控制键、加速键和减速键15个按键组成，通过键盘可以输入电机运行步数、控制电机正转/反转/停止和速度。系统按键数量较多，为节省I/O口，简化电路，降低成本，本设计采用标准的4*4矩阵式由P1号接入单片机。电路原理如图2-4所示。电路中四个电阻起上拉电阻作用。设计者：杨剑锋桂林理工大学机械控制与控制工程学院第5页共25页（5）显示电路本设计采用七个八段数码管显示电机步数，显示步数范围是0~9999999步，由步进电机原理可知，步数x步距角为电机转角。一个八段数码管显示速度，编程设定显示范围是1~9，倍率是100，即实际转速为显示数x100，例如，速度显示1，则电机转速为100r/min。为简化电路，降低成本，八个八段显示数码管的阳极位段选线并联在一起，由一个8位的P2口控制，形成段选线多路复用。而各位的共阴极分别8位的P3口控制，实现各位的分时选通，构成一个动态显示器，如图2-5所示。图中右七个数码管显示步数，左一个数码管显示转速，74LS125为集成四个非门的芯片。三、软件设计3.1控制地址分配为方便程序检查和修改，在设计程序之前应对所用到或使用较多数据存储地单元命名标号，本程序数据储存地址命名如表3-1所示。设计者：杨剑锋桂林理工大学机械控制与控制工程学院第6页共25页表3-1数据储存地址命名标号表名称标号地址单元名称标号地址单元步数个位储存地址GB40H步数百万位储存地址BWB46H步数十位储存地址SB41H电机转速查询表偏移量SD47H步数百位储存地址BB42H电机启/停控制JK48H步数千位储存地址QB43H电机控制偏移量输出脉冲KZ49H步数万位储存地址WB44H键按下状态KONZ4AH步数十万位储存地址SWB45H键按下状态中间变量KBL4BH3.2主程序设计为节省单片机程序扫描时间，使用定时器T0中断方式转入控制电机运行，定时器T0定时时间为电机运转“拍数”切换时间，即控制电机的脉冲切换时间，根据步进电机控制原理，改变此定时器定时时间可改变电机转速。由此定时器定时时间未到时不断进行键盘扫描的输出显示。时间初值查询表SD_TAB见程序所用到的查询表及其说明部分表4-1；主程序流程图如图3-1所示。主程序清单如下：ORG0000HLJMPMAINORG000BHLJMPDJKZORG0050HMAIN：；主程序GBEQU40H；定义步数十位存储单元设计者：杨剑锋桂林理工大学机械控制与控制工程学院第7页共25页SBEQU40H；定义步数百位存储单元BBEQU40H；定义步数千位存储单元QBEQU40H；定义步数万位存储单元WBEQU40H；定义步数十万位存储单元SWBEQU40H；定义步数百万位存储单元BWBEQU40H；定义步数个位存储单元SDEQU40H；定义电机转速表查询偏移量存储单元JKEQU40H；定义电机控制表偏移量存储单元KONZEQU40H；定义输入口按键按下状态暂存单元KBLEQU40H；定义输入口按键按下状态中间变量存储单元MOVP0，#00H；I/O口初始化MOVP1，#0FFH；MOVP2，#0FFH；MOVP3，#0FFH；MOVGB，#00H；步数个位初始化MOVSB，#00H；步数十位初始化MOVBB，#00H；步数百位初始化MOVQB，#00H；步数千位初始化MOVWB，#00H；步数万位初始化MOVSWB，#00H；步数十万位初始化MOVBWB，#00H；步数百万位初始化MOVSD，#1；电机转速开机默认为200r/minMOVJK，#0；电机控制状态开机为停止MOVKZ，#0；速度查询表偏移初始化0MOVTMOD，#01H；T0控制模式为1MOVDPTR，#SD_TAB；DPRT指向转速查询表首地址MOVA，SD；取转速查询表偏移量MOVCA，@A+DPTR；取定时器低位初值MOVTL0，A；装入定时器低位初值MOVA，SD；取转速查询表偏移量ADDA，#10；调整转速查询表偏移量，为取T0高位做准备DAA；十进制数调整MOVCA，@A+DPTR；取定时器高位初值MOVTH0，A；装入定时器高位初值MOVIE，#82H；T0开中断SETBTR0；启动T0LOOP：LCALLKEY_SUB；调用键盘扫描录入程序LCALLDISP_SUB；调用显示程序LJMPLOOP；返回LOOPSD_TAB:DB72H,54H,05H,C5H,42H,95H,CEH,FDH,20H,3CHDBF6H,FBH,FCH,FDH,FEH,FEH,FEH,FEH,FFH,FFH3.2键盘录入子程序