機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)說明書基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

1、機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)說明書基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì) 院（系） 成教院 專 業(yè) 機(jī)電一體化 班 級(jí) 09機(jī)電班 學(xué)生姓名 荊晶 指導(dǎo)老師 成 績(jī) 指導(dǎo)教師 簽發(fā) 年 月 日目 錄摘 要1緒論21.1引言21.2步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)21.3國(guó)內(nèi)外研究概況21.4 步進(jìn)電機(jī)的選型3第一章元器件42.1 光電耦合器42.2達(dá)林頓管42.3 步進(jìn)電機(jī)42.4 單片機(jī)AT89C525第二章硬件電路設(shè)計(jì)63.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)63.2 步進(jìn)電機(jī)控制電路73.3 正反轉(zhuǎn)、停止控制電路8第四章 程序設(shè)計(jì)10總結(jié)14參考文獻(xiàn)15摘 要步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換為角位移的機(jī)電元件，與其它類型的電機(jī)相比具

2、有易于精確控制、無累積誤差等優(yōu)點(diǎn)，在眾多的領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本設(shè)計(jì)采用AT89C52單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過IO口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過芯片74LS06反相輸出，通過光電耦合器輸出的脈沖作為三相步進(jìn)的各相得控制信號(hào)。為了獲得足夠大的的驅(qū)動(dòng)功率，光電耦合器輸出的脈沖經(jīng)達(dá)林頓管進(jìn)行放大。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)、單片機(jī)、光電耦合、功率放大緒論1.1 引言 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)

3、動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。1.2 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)步進(jìn)電機(jī)在今后的發(fā)展，依賴于新型材料的應(yīng)用、設(shè)計(jì)手段，以及與驅(qū)動(dòng)技術(shù)的最佳匹配。隨著自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在眾多的領(lǐng)域中的進(jìn)一步發(fā)展以及數(shù)字化、智能化技術(shù)日益發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更深入廣泛的領(lǐng)域中

4、得以應(yīng)用。最后，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，高性能永磁材料的應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)展起到重要的作用。同時(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)改進(jìn)的作用也不容忽視的，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)和發(fā)展產(chǎn)生了很多的影響，也提出了一系列研究的新課題和新方向。1.3國(guó)內(nèi)外研究概況 近年來，隨著微電子技術(shù)、大功率電力電子器件及驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。我國(guó)的步進(jìn)電機(jī)行業(yè)起步較早，并一度以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)與應(yīng)用成為國(guó)際電機(jī)行業(yè)的一大特色，目前，仍有許多國(guó)內(nèi)用戶使用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是力矩大、運(yùn)行平穩(wěn)、高頻矩頻特性好，在發(fā)達(dá)國(guó)家中，越來越廣泛的使用性能優(yōu)越的五相和三相混合式步進(jìn)電機(jī)。

5、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用雖然起步較早，但其驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展相對(duì)落后，成為制約步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用與發(fā)展的主要因素。國(guó)內(nèi)仍有不少用戶沿用已被國(guó)外淘汰的單電壓串電阻等落后的驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)器電路中使用分立元件居多，可靠性差，且各廠家的驅(qū)動(dòng)技術(shù)規(guī)范、技術(shù)等級(jí)、生產(chǎn)工藝參差不齊。1.4 步進(jìn)電機(jī)的選型圖1 步進(jìn)電機(jī)的外形86BYG350F系列步進(jìn)電機(jī)是由杭州日升公司推出的三相步進(jìn)電機(jī)，其外形如圖1所示，電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表一所示。電機(jī)型號(hào)相數(shù)相電流相電阻相電感步距角保持轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量重量AmH°N.mkg. kg86BYG350FA33.354.25120.6/1.22.01.3

6、22表一 電機(jī)的技術(shù)參數(shù)第一章 元器件2.1 光電耦合器光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等。在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。2.2 達(dá)林頓管達(dá)林頓管又稱復(fù)合管。它將二只三極管適當(dāng)?shù)倪B接在一起，以組成一只等效的新的三極管。這等效于三極

7、管的放大倍數(shù)是二者之積。在電子學(xué)電路設(shè)計(jì)中，達(dá)林頓接法常用于功率放大器和穩(wěn)壓電源中。判斷極性如下：以兩個(gè)相同極性的三極管為例，前面為三極管集電極跟后面三極管集電極相接，前面為三極管射極跟后面三極管基極相接，前面三極管功率一般比后面三極管小，前面三極管基極為達(dá)林頓管基極，后面三極管射極為達(dá)林頓管射極，用法跟三極管一樣。達(dá)林頓管的性能特點(diǎn)：放大倍數(shù)大（可達(dá)數(shù)百、數(shù)千倍）；驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；功率大；開關(guān)速度快；可做成功率放大模塊；易于集成化。2.3 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度是由輸入脈沖的個(gè)數(shù)決定的，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由脈

8、沖信號(hào)的頻率決定，因此非常適合于單片機(jī)的控制。步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù) 電機(jī)固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86byg250a型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時(shí)為0.9°整步工作時(shí)為1.8°），這個(gè)步距角可以稱之為電機(jī)固有步距角，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)： 是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三

9、相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。保持轉(zhuǎn)矩： 是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。2.4 單片機(jī)AT89C52AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8

10、位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。 AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合

11、在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。第二章 硬件電路設(shè)計(jì)以AT89C52單片機(jī)、74LS06、光電耦合器、達(dá)林頓管為主要控制部件設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)的硬件電路主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)控制電路、正反轉(zhuǎn)控制電路。系統(tǒng)框圖如圖2所示。正反轉(zhuǎn)、停止單片機(jī)反相器光電耦合功率放大步進(jìn)電機(jī)圖2 硬件電路原理方框圖3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)是由復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組成，其中復(fù)位操作有兩種基本形式：一種是上電復(fù)位，另外一種是上電與按鍵復(fù)位都有效的復(fù)位，本系統(tǒng)是屬于后者，如圖3所示。圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2 步進(jìn)電機(jī)控制電路步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)是

12、否轉(zhuǎn)動(dòng)是由控制繞組中的輸入脈沖的有無來控制的，每一步轉(zhuǎn)過的角度和方向是由三相控制繞組中的通電方式?jīng)Q定的，也就是說步進(jìn)電機(jī)的控制是要求單片機(jī)軟件產(chǎn)生按規(guī)律變化的時(shí)序脈沖，然后通過借口和驅(qū)動(dòng)放大電路來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。單片機(jī)的P2.0控制A相，P2.1控制B相，P2.2控制C相。當(dāng)P2.0輸出高電平，經(jīng)74LS06反相為低電平，達(dá)林頓管復(fù)合截止，A相截止。當(dāng)P2.0輸出低電平，經(jīng)74LS06反相為高電平，達(dá)林頓管復(fù)合導(dǎo)通，A相導(dǎo)通。因此P2.0用于控制A相是否導(dǎo)通，單片機(jī)輸出1，A相截止，輸出0，A相導(dǎo)通。同理P2.1用于控制B相，P2.2用于控制C相。本電路采用光電耦合器有效地提高了抗干擾能，電路如

13、圖4所示。如圖4步進(jìn)電機(jī)控制電路3.3 正反轉(zhuǎn)、停止控制電路該電路采用獨(dú)立式鍵盤，就是每個(gè)按鈕單獨(dú)占一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵不會(huì)影響其它的I/O口線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)鍵被按下。獨(dú)立式鍵盤的優(yōu)點(diǎn)是電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且能同時(shí)檢測(cè)到多個(gè)鍵被按下的情況。但是每個(gè)按鍵需占用一個(gè)I/O口，在按鍵數(shù)量多時(shí)，I/O的浪費(fèi)大，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本電路由上拉電阻和按鍵組成，對(duì)每一個(gè)鍵來講，當(dāng)鍵沒有被按下時(shí)單片機(jī)相應(yīng)的引腳上的電平為高電平，當(dāng)鍵被按下時(shí)，單片機(jī)相應(yīng)的引腳的電平為低電平。其中，S1是啟動(dòng)/停止安鍵，S2是正轉(zhuǎn)按鍵，S3是反轉(zhuǎn)按鍵，如圖5所

14、示。圖5正反轉(zhuǎn)、停止控制電路第四章 程序設(shè)計(jì)編寫三相六拍步進(jìn)電機(jī)的通電方式的控制程序。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。在三相六拍通電方式下，若按照A相 A相B相 B相 B相C相 C相 C相A相的順序通電，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；若按照A相 A相C相 C相 B相C相 B相 B相A相的順序通電，則步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。節(jié)拍通電相控制

15、模式正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)二進(jìn)制十六進(jìn)制16A00000001H01H25AB00000011H03H34B00000010H02H43BC00000110H06H52C00000100H04H61CA00000101H05H表二 三相六拍控制模式由表二知，P2.0控制A相是否導(dǎo)通，輸出1，A相通，輸出0，A相截止。同理P2.1用于控制B相，P2.2用于控制C相。正轉(zhuǎn)節(jié)拍1是A相導(dǎo)通，B、C相截止，所以P2.0輸出1，P2.1、P2.2輸出0，因此P2口輸出值為01H（十六進(jìn)制）。正轉(zhuǎn)節(jié)拍2是A、B相導(dǎo)通，C相截止，所以P2.0、P2.1輸出1， P2.2輸出0，因此P2口輸出值為03H。在程序設(shè)計(jì)中，只需

16、將正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)節(jié)拍控制值存放于數(shù)據(jù)中，然后按順序從數(shù)組中讀取并通過P2口輸出，即可以控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)?？刂屏鞒虉D，如圖6所示。初始化開始按鈕是否被按下？正轉(zhuǎn)按鈕是否被按下？電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)按鈕是否被按下？電機(jī)反轉(zhuǎn)否停止按鈕是否被按下？電機(jī)反轉(zhuǎn)是是否是電機(jī)停止否圖6 程序流程圖主程序如下：#include<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code roundz=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05;/電機(jī)正轉(zhuǎn)控制數(shù)值uchar code roundf=0x01,0x

17、05,0x04,0x06,0x02,0x03;/電機(jī)反轉(zhuǎn)控制數(shù)值sbit s1=P20;/停止按鈕sbit s2=P21;/正轉(zhuǎn)按鈕sbit s3=P22;/反轉(zhuǎn)按鈕void delay(uint z)/延時(shí)函數(shù)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void rotatez(uint speed,uint step)/正轉(zhuǎn)控制函數(shù)uchar i;while(step-) /是否達(dá)到指定的步數(shù)P2=roundzi;/從P2口送出節(jié)拍控制值i+;if(i>5)i=0;delay(speed);void rotatef(uint spe

18、ed,uint step)/反轉(zhuǎn)控制函數(shù)uchar i;while(step-)/是否達(dá)到指定的步數(shù)P2=roundfi;/從P2口送出節(jié)拍控制值i+;if(i>5)i=0;delay(speed);void main()uchar t1=0,t2=0,t3=0;if(s1=0)/開始delay(5);/延時(shí)消抖if(s1=0)t1=1;while(t1)if(s1=0)/停止delay(5);if(s1=0)t1=0;if(s2=0)/正轉(zhuǎn)delay(5);if(s2=0)t2=1;t3=0;if(s3=0)/反轉(zhuǎn)delay(5);if(s3=0)t2=0;t3=1; while(t2)/執(zhí)行正轉(zhuǎn)rotatez(100,1000);while(t3)/執(zhí)行反轉(zhuǎn)rotatef(100,1000);總結(jié)在硬件電路設(shè)計(jì)過程中，功率放大時(shí)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，因此就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電