步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告.doc
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單片機(jī)原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說明書 題 目: 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 部: 專 業(yè): 班 級(jí): 2013級(jí)1班 學(xué)生姓名: 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)教師: 2013年 6 月 22 日 目 錄 1.項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 1 2.項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案 1 2.1設(shè)計(jì)思路 1 2.2器件選擇方案 1 2.2.1 單片機(jī)的選擇 1 2.2.2 AT80C51的主要性能 1 2.2.3 AT80C51引腳圖 2 2.2.4 管腳作用: 2 2.2.5 四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理 3 3 .硬件電路設(shè)計(jì) 5 3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)介紹 5 3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 5 3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 5 3.4按鍵與指示電路 6 3.5晶振電路和復(fù)位電路 8 4.項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì) 9 5.項(xiàng)目仿真與調(diào)試 12 5.1程序的調(diào)試 12 5.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真 13 5.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)仿真 13 5.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)仿真 14 5.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止仿真 14 6.結(jié)論 15 7.附錄 16 參考文獻(xiàn) 18 1.項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 使用80C51單片機(jī)對(duì)四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制,使其能夠順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 1)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),正反轉(zhuǎn)控制自如; 2)根據(jù)要求改變運(yùn)行圈數(shù)和運(yùn)行速度; 3)寫出詳細(xì)的電路工作原理、參數(shù)計(jì)算; 4)畫出仿真電路圖; 5)仿真測(cè)試并記錄結(jié)果。 2.項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案 2.1設(shè)計(jì)思路 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理如下:?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)出脈沖信號(hào),控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子的各相繞組以適當(dāng)?shù)臅r(shí)序通、斷電,使其作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順勛可以單四拍(A→B→C→D)、雙四拍(AB→BC→CD→DA)和單雙八拍(A→AB→B→BC→C→CD→D→DA)的方式進(jìn)行。按上述順序切換,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。若通電順序相反,則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 2.2器件選擇方案 2.2.1 單片機(jī)的選擇 本設(shè)計(jì)采用AT80C51單片機(jī),80C51單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng),軟件編程靈活、自由度大,可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制,并且其功耗低、體積小、價(jià)格便宜、耗電低、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)。許多功能部件集成在芯片內(nèi)部,其信號(hào)通道受外接影響小,可靠性高,控制能力強(qiáng),運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。 2.2.2 AT80C51的主要性能 1.與STC89C52 單片機(jī)產(chǎn)品系列兼容; 2.片內(nèi)有4KB可在線重復(fù)編程的快閃擦寫存儲(chǔ)器; 3.存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間為10年; 4.寬工作電壓范圍:VCC可為2.7V到6V; 5.全靜態(tài)工作:可從0Hz至16MHz ; 6.程序存儲(chǔ)器具有3級(jí)加密保護(hù); 7.128*8位內(nèi)部RAM; 8.32條可編程I/O線; 9.兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器; 10.中斷結(jié)構(gòu)具有5個(gè)中斷源和2個(gè)優(yōu)先級(jí); 11.可編程全雙工串行通道; 12.空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲(chǔ)內(nèi)容。 2.2.3 AT80C51引腳圖 圖1 80C51 PDIP封裝引腳圖 2.2.4 管腳作用: VCC:電源電壓,AT80C51電源的正極輸入端,接+5V電壓使AT80C51單片機(jī)正常工作。是單片機(jī)的電源提供端口。 GND:接地。 P0:P0口(P0.0~P0.7)是一個(gè)8位漏極開路雙向輸入輸出端口,當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)時(shí),它是地址總線(低8位)和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí),則作一般雙向I/O口用P0口每一個(gè)引腳可以推動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。 P1:P1口(P1.0~P1.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口),其輸出可以推動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。 P2:P2口(P2.0~P2.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口),當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí),它是高8位地址。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí),則作一般雙向I/O口用。每一個(gè)引腳可以推動(dòng)4個(gè)LSTL負(fù)載。 P3:P3口(P3.0~P3.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準(zhǔn)雙向并行I/O口),它還提供特殊功能,包括串行通信、外部中斷控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部隨機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其特殊功能引腳分配如下: P3.0 RXD串行通信輸入。 P3.1 TXD串行通信輸出。 P3.2 INT0外部中斷0輸入,低電平有效。 P3.3 INT1外部中斷1輸入,低電平有效。 P3.4 T0計(jì)數(shù)器0外部事件計(jì)數(shù)輸入端。 P3.5 T1計(jì)數(shù)器1外部事件計(jì)數(shù)輸入端。 P3.6 WR外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫選通,低電平有效。 P3.7 RD外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀選通,低電平有效。 RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí),要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG:當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí),地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。 PSEN:外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。 XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。 EA/VPP:片內(nèi)片外程序儲(chǔ)存器選擇控制端。 PSEN:片外程序儲(chǔ)存器(ROM)選通線。 2.2.5 四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在,加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。正常情況下,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比;連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。 如下所示的步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī),采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電,就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。 圖2 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖 開始時(shí),開關(guān)SB接通電源,SA、SC、SD斷開,B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊,同時(shí),轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒,2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。 當(dāng)開關(guān)SC接通電源,SB、SA、SD斷開時(shí),由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒,2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推,A、B、C、D四相繞組輪流供電,則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖3所示: 圖3 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 3 .硬件電路設(shè)計(jì) 3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)介紹 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是工業(yè)過程中一種能夠快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其功能是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移。作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu),它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。本次設(shè)計(jì),通過軟件和硬件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速功能,并且步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài)用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示。主要通過三大塊來設(shè)計(jì),包括驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、狀態(tài)顯示部分和按鍵部分是設(shè)計(jì)。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而精確地控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。 3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖如圖4所示。 圖4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖 圖中除單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路外,還包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,另外使用了3個(gè)按鍵S1~S3與3個(gè)發(fā)光二極管D1~D3,用來控制與指示電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止,還使用了四個(gè)發(fā)光二極管D4~D7,作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)的指示。 3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 常用的小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)集成驅(qū)動(dòng)電路為ULN2003。ULN2003是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),可用于采用單片機(jī)控制的各類小型電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 ULN2003的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封裝。ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)即等效電路如圖5所示。 圖5 ULN2003的內(nèi)部結(jié)構(gòu) (a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu) (b)等效電路 引腳1~7作為輸入,引腳16~10作為輸出,8腳接地,9腳接+5V電源,如果1腳接高電平1,則16腳輸出低電平0。ULN2003的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)500mA。 圖4中用P1.0~P3.2作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出口,輸出信號(hào)經(jīng)ULN2003達(dá)林頓管進(jìn)行電流放大后,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。 3.4按鍵與指示電路 P3.0~P3.2作為按鍵K1~K3的輸入接口,K1~K3分別是正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止按鍵。 如圖6按鍵鏈接電路圖。 圖6 按鍵鏈接電路圖 P0.0~P0.2接了三個(gè)LED發(fā)光二極管D1~D3,用來指示當(dāng)前步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止運(yùn)行情況,還使用了四個(gè)發(fā)光二極管D4~D7,作為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)的指示。如圖7和圖8指示圖。 圖7 電動(dòng)機(jī)工作指示鏈接電路圖 圖8 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)的指示鏈接圖 3.5晶振電路和復(fù)位電路 晶振電路是計(jì)算機(jī)的心臟,它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏,可以通過提高時(shí)鐘頻率來提高CPU的速度,本次設(shè)計(jì)采用的晶振為12MHz。如圖9晶振電路和復(fù)位電路鏈接圖。 圖9 晶振電路和復(fù)位電路鏈接圖 4.項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì) 本項(xiàng)目的關(guān)鍵在于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電序列的控制,表1給出了四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單四拍、雙四拍與單雙八拍三種通電模式。 表1 四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三種通電模式 系統(tǒng)主程序框圖如圖10所示。 選擇讓四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作于單雙八拍方式,按下正轉(zhuǎn)鍵實(shí)現(xiàn)正傳三圈,按下反轉(zhuǎn)鍵實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)三圈,按下停止鍵,立即停步。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)角為9,C51語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)如下: #include- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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