基于51单片机的步进电机控制-设计报告(说明书)及源程序.doc
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1、南京XX大学指导老师:张X课 程 设 计基于51单片机的步进电机控制机械电子工程学院测控技术与仪器XXXXXXxx2012年1年4日步进电机控制系统摘要本课程设计的内容是利用51单片机,达到控制步进电机的启动、停止、正转、反转、两档速度和状态显示的目的,使步进电机控制更加灵活。步进电机驱动芯片采用ULN2803,ULN2803具有大电流、高电压,外电路简单等优点.利用四位数码管增设电机状态显示功能,各项数据更直观。实测结果表明,该控制系统达到了设计的要求。关键字:步进电机、数码管、51单片机、ULN2803一 步进电机与驱动电路1.1 什么是步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机
2、构。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的.1。2 步进电机的种类步进电机分永磁式(PM)、反应式(VR)、和混合式(HB)三种。永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7。5度 或15度;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1。5度,但噪声和振动都很大.在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1。8
3、度而五相步进角一般为 0。72度。这种步进电机的应用最为广泛。1。3 步进电机的特点1精度高 一般的步进电机的精度为步进角的35,且不累积。可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速,快速起停、正反 转控制及制动等,这是步进电动机最突出的优点2过载性好其转速不受负载大小的影响,不像普通电机,当负载加大时就会出现速度下降的情况,所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合;3控制方便步进电机是以“步”为单位旋转的,数字特征比较明显,这样就给计算机控制带来了很大的方便,反过来,计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场;4整机结构简单传统的机械速度和位置控制结构比较复杂,调整困难,使
4、用步进电机后,使得整机的结构变得简单和紧凑。1.4 步进电机的原理图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图.这种电机定子上有八个凸齿,每一个齿上有一个线圈.线圈绕组的连接方式,是对称齿上的两个线圈进行反相连接,如图中所示.八个齿构成四对,所以称为四相步进电机。图1它的工作过程是这样的:当有一相绕组被激励时,磁通从正相齿,经过软铁芯的转子,并以最短的路径流向负相齿,而其他六个凸齿并无磁通.为使磁通路径最短,在磁场力的作用下,转子被强迫移动,使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励,转子上大箭头所指向的那个齿,与正向的A齿对准.从这个位置再对B相进行激励,如图1中的(b),
5、转子向反时针转过15。若是D相被激励,如图1中的(c),则转子为顺时针转过15。下一步是C相被激励.因为C相有两种可能性:ABCD或ADC-B.一种为反时针转动;另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15.电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一,不同的应用场合,对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数),可以改变步长的大小。它们之间的相互关系,可由下式计算:L360 PN式中:L为步长;P为相数;N为转子齿数。在图1中,步长为15,表示电机转一圈需要24步.1。5 步进电机的驱动 混和步进电机的工作原理 在实际应用中,最流行的还是混和型的步进电机.但工作原理与图1所
6、示的可变磁阻型同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般来说,这类电机具有四相绕组,有八个独立的引线终端,如图2a所示。或者接成两个三端形式,如图2b所示。每相用双极性晶体管驱动,并且连接的极性要正确。图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式.它的驱动电压是固定的。表1列出了全部步进开关的逻辑时序。步数Q1Q2Q3Q41101021001301014011051010表1二 方案设计与论证2.1键盘设计该系统中只运用到三个控制按钮,即 “正反”,“换挡”,“启停”,由于按钮较少,所以采用独立键电路,这种按键电路的按键结构相对行列式按键电路
7、更简单,更使人易懂.2。2显示电路设计如图2。31,采用LED数码管动态显示数据与个项参数,方法简单,容易控制,成本低。设计如下图P00P01P02P03P04P05P06P07P25P26P27AT89C51StcP24IN 1IN 2IN 3IN 4OUT 4OUT 3OUT 2OUT 1ULN2803abfcgdeLED1aabbcfdcegfdgeabfcgdeabfcgdehLED2LED3LED4hhhh图2.312。4驱动电路设计驱动电路可分为:三极管直接驱动(图3),采用斩波恒流驱动方式(图2.41)和芯片驱动电路等.驱动电路的性能直接关系到步进电机走步的准确与稳定。本电路采用
8、驱动芯片ULN2803。ULN2803是一种大电流高电压型器件,外电路简单(图2.42)。图2.41图2.42三电路设计3.1、设计要点和软硬环境1、步进电机的设计要点和软硬件环境步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制.即步进电机是将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件。步进电机的控制可以用硬件,也可以用软件通过单片机实现.硬件方法是采用脉冲分配器芯片进行通用换相控制;而软件方法是用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态,这种方法可简化电路,降低成本。在用软件控制时,主要设计要点如下:l 判断旋转方向;l 按相序确定控制字;l 按顺序输入控制字;l 确定控制步数和每一步的
9、延时时间。由于单片机的驱动电流一般都比较小,不能直接驱动电机工作,所以单片机的I/O口输出必须接驱动电路,即功率驱动,才得以控制电机正常工作.控制框图如下图所示:控制按钮单片机AT89c51功率驱动步进电机数码管显示模块(2)、相关参数设定:这里采用四相六线步进电机,这款步进电机的驱动电压12V,步进角为 7.5度 . 一圈 360 度 , 需要 48 个脉冲完成.其相序A-ABBBCCCD-DDA.所以其正转控制脉冲为:01h,09h,08h,0ch,04h,06h,02h,03h,00h;反转控制脉冲为:01h,03h,02h,06h,04h,0ch,08h,09h,00h。单片机的晶振为
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