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

1、機(jī)電一體化課程設(shè)計說明書基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制電路的設(shè)計 院（系） 成教院 專 業(yè) 機(jī)電一體化 班 級 09機(jī)電班 學(xué)生姓名 荊晶 指導(dǎo)老師 成 績 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21.3國內(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)計采用AT89C52單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過IO口輸出的具有時序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號，信號經(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。為了獲得足夠大的的驅(qū)動功率，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)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(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、動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(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。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，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)計手段，以及與驅(qū)動技術(shù)的最佳匹配。隨著自動控制技術(shù)、計算機(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)計技術(shù)對步進(jìn)電機(jī)發(fā)展起到重要的作用。同時驅(qū)動技術(shù)改進(jìn)的作用也不容忽視的，對步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計和發(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)動技術(shù)的進(jìn)步，步進(jìn)電機(jī)在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。我國的步進(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)用成為國際電機(jī)行業(yè)的一大特色，目前，仍有許多國內(nèi)用戶使用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。混合式步進(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)動技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。我國步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用雖然起步較早，但其驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展相對落后，成為制約步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用與發(fā)展的主要因素。國內(nèi)仍有不少用戶沿用已被國外淘汰的單電壓串電阻等落后的驅(qū)動方式，驅(qū)動器電路中使用分立元件居多，可靠性差，且各廠家的驅(qū)動技術(shù)規(guī)范、技術(shù)等級、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)型號相數(shù)相電流相電阻相電感步距角保持轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量重量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使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵電流的大小，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)，它是將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，電機(jī)就轉(zhuǎn)動一定角度。電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度是由輸入脈沖的個數(shù)決定的，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由脈

8、沖信號的頻率決定，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)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值，如86byg250a型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°整步工作時為1.8°），這個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)際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(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)動器時，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)動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(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)動時，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只讀程序存儲器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(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)用場合。 AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，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存儲器結(jié)合

11、在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。第二章 硬件電路設(shè)計以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)計步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，該設(shè)計的硬件電路主要包括：單片機(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)律變化的時序脈沖，然后通過借口和驅(qū)動放大電路來驅(qū)動步進(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，就是每個按鈕單獨(dú)占一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵不會影響其它的I/O口線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個鍵被按下。獨(dú)立式鍵盤的優(yōu)點(diǎn)是電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，并且能同時檢測到多個鍵被按下的情況。但是每個按鍵需占用一個I/O口，在按鍵數(shù)量多時，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，對每一個鍵來講，當(dāng)鍵沒有被按下時單片機(jī)相應(yīng)的引腳上的電平為高電平，當(dāng)鍵被按下時，單片機(jī)相應(yīng)的引腳的電平為低電平。其中，S1是啟動/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)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度，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來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機(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)計過程中，功率放大時整個系統(tǒng)設(shè)計中最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中會產(chǎn)生反向電動勢，因此就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電