《计算机控制技术》课程设计说明书-三相步进电机控制系统的设计.doc

目录目录 1 设计任务及要求1 2 方案比较及选择1 2.1 电机驱动选择方案.1 2.2 led 显示选择方案.1 2.3 按键状态的读取.2 3 系统实现的原理2 3.1 步进电机控制工作原理.2 3.1.1 步进电机的启停控制.2 3.1.2 步进电机的转向控制.2 3.2 系统设计思路2 3.3 系统的整体框图3 4 系统的硬件设计4 4.1 总体设计.4 4.2 步进电机控制电路5 4.2.1 启/停控制、正/反转控制、工作模式控制电路分析5 4.2.2 步进电机控制电路5 4.3 显示电路 6 4.3.1 发光二极管显示电路6 4.3.2 八段数码管显示电路7 5 系统软件设计 8 5.1 总体设计8 5.1.1 步进电机的工作方式8 5.1.2 系统总体流程图.9 5.2 关键模块设计11 5.2.1. 三相步进电机模块设计.11 5.2.2 显示模块设计12 6 小结及体会.13 附录：.14 参考文献.16 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 1 三相步进电机控制系统的设计 1 1 设计任务及要求设计任务及要求 设计一个三相步进电机控制系统，要求系统具有如下功能：用 k0-k2 做为通 电方式选择键，k0 为三相单三拍，k1 为三相双三拍，k2 为三相六拍；k3 为启 动/停止控制、k4 方向控制；用 4 位 led 数码管显示工作步数。用 3 个发光二 极管显示状态：正转时红灯亮，反转时黄灯亮，不转时绿灯亮。 2 2 方案比较及选择方案比较及选择 2.1 电机驱动选择方案电机驱动选择方案 方案 1：使用功率三极管等电子器件搭建成功率驱动电路来驱动电机的运 行。优点是电路简单，但信号不够稳定，器件较大而不便电路的集成。 方案 2：使用专门的电机驱动芯片 uln2004a 来驱动电机运行。其优点是 便于电路的集成，且驱动简单，驱动信号稳定，不受外部干扰。 通过对方案的比较，我选择使用电机驱动芯片来作为驱动。 2.2 led 显示选择方案显示选择方案 方案 1：把所要显示的数据通过专用的七段显示芯片的转换输出给 led 显 示屏。其优点是输出简单，可以简化程序，但增加了芯片的费用。 方案 2：通过软件把所要的数据转化为七段显示的数据，直接通过单片机 接口来显示，其优点是简化了电路，但增加了软件编写的负担。 通过对方案的比较，我选择通过软件编写来输出显示信号。 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 2 2.3 按键状态的读取按键状态的读取 方案 1：把按键接到单片机的中断口，若有按键按下，单片机接收到中断信 号，再通过软件编写的中断程序来执行中断，优点是接线简单，简化了电路， 但软件编写较为复杂，不易掌握。 方案 2：不使用中断，直接把开关分别接在单片机的接口上，通过查询端口 信号来动作。其优点是程序得到简化，可读性加强。 通过对方案的比较，我选择通过查询方式来读取端口信号。 3 3 系统实现的原理系统实现的原理 3.1 步进电机控制工作原理步进电机控制工作原理 3.1.13.1.1 步进电机的启停控制步进电机的启停控制 步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动 平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可 以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时 ,为了 防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁 定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。 3.1.23.1.2 步进电机的转向控制步进电机的转向控制 如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。若步进电机的励磁方式 为三相六拍 ,即 a-ab-b-bc-c-ca。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。 其他方式情况类似。 3.23.2 系统设计思路系统设计思路 此次我们所设计的是一个步进电机控制系统，主要由单片机 80c51，3 相步 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 3 进电机，7 段数码管，及一些其他相关元件设计而成。可以通过开关来控制系 统的启/停工作，当系统运转时，用开关来控制方向，并使相应的指示灯亮起， 同样由开关来选择工作模式。运转时，用 4 位 7 段数码管来输出步数。最后根 据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。 3.33.3 系统的整体框图系统的整体框图 80c51 单 片机整体 控制 led 显示模 块 开关选择 电机工作 模式 led 显示 灯显示电 机工作状 态 三相步 进电机 模块 图 1 系统的整体框图 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 4 4 4 系统的硬件设计系统的硬件设计 4.1 总体设计总体设计 设计一个单片机三相步进电机控制系统要求系统具有如下功能： (1)用 k0-k2 做为通电方式选择键，k0 为单三拍，k1 为双三拍，k2 为 三相六拍； (2)k3、k4 分别为启动和方向控制； (3)正转时红色指示灯亮，反转时黄色指示灯亮，不转时绿色指示灯亮； (4)用 4 位 led 显示工作步数。 根据设计要求用 proteus 所做的硬件连线图如下图 1： 图 2 总体硬件连线 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 5 4.24.2 步进电机控制电路步进电机控制电路 4.2.14.2.1 启启/ /停控制、正停控制、正/ /反转控制、工作模式控制电路分析反转控制、工作模式控制电路分析 原理图如下： 图 3 按键控制图 （1）k3 为启/停控制开关，控制整个系统的开启和关闭。 （2）k4 为正/反转控制开关，控制步进电机的转向。 （3）k0-k3 为工作模式控制开关，ko 接电时，为步进电机单三拍工作模式； k1 接电时，为步进电机双三拍工作模式；k2 接电时，步进电机工作模式为三 相六拍。 4.2.24.2.2 步进电机控制电路步进电机控制电路 将 80c51 的 p1.0-p1.3 作为步进电机的输出控制口。原理图如下： 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 6 图 4 步进电机的输出控制口 4.34.3 显示电路显示电路 4.3.14.3.1 发光二极管显示电路发光二极管显示电路 用 3 个不同颜色的发光二极管来作为指示灯显示，将 p3.5 接红灯，p3.6 接黄 灯，p3.7 接绿灯，正转时红色指示灯亮，反转时黄色指示灯亮，不转时绿色指 示灯亮，并加上 3 个保护电阻。原理图如下： 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 7 图 5 指示灯接线图 4.3.24.3.2 八段数码管显示电路八段数码管显示电路 由 80c51 的 p0 口取出显示码，从 80c51 的 p2.0-p2.3 输出位选码，设计中我们 主要用到 4 位显示步数既可。原理图如下： 图 6 led 接线图 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 8 5 5 系统软件设计系统软件设计 5.15.1 总体设计总体设计 5.1.15.1.1 步进电机的工作方式步进电机的工作方式 （1）三相单三拍工作方式 在这种工作方式下,a、b、c 三相轮流通电,电流切换三次,磁场旋转一周,转 子向前转过一个齿距角。因此这种通电方式叫做三相单三拍工作方式。这时步 距角 b (度)为 b = 360 /mz (公式 1) 式中:m定子相数; z 转子齿数 单三拍的数学模型： 控制位 步序 p1.7p1.6p1.5p1.4p1.3p1.2 c 相 p1.1 b 相 p1.0 a 相 工作 状态 控制 模型 100000001a01h 200000010b02h 300000100c04h 表 1 （2）三相六拍工作方式 在这种工作方式下,绕组以 aabbbcccaa 时序(或反时序)转 换 6 次,磁场旋转一周,转子前进一个齿距,每次切换均使转子转动 1. 5,故这种 通电方式称为三相六柏工作方式。其步距角 b 为: b = 360 /2mz = 180 /mz (公式 2) 六拍的数学模型： 控制位 步序 p1.7p1.6p1.5p1.4p1.3p1.2 c 相 p1.1 b 相 p1.0 a 相 工作 状态 控制 模型 100000001a01h 200000011ab03h 300000010b02h 400000110bc06h 500000100c04h 600000101ca05h 表 2 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 9 （3）双三拍工作方式 这种工作方式每次都是有两相导通,两相绕组处在相同电压之下,以 ab bccaab (或反之)方式通电,故称为双三拍工作方式。以这种方式通电,转子 齿所处的位置相当于六拍控制方式中去掉单三拍后的三个位置。它的步距角计 算公式与单三拍时的公式相同。 极分度角/齿距角= r + k1/m 进一步化简得齿数 z: z = q (mr + k) (公式 3) 式中:m相数; q每相的极数; k (m - 1)的正整数; r正整数,为 0、1、2、3。 双三拍的数学模型： 控制位 步序 p1.7p1.6p1.5p1.4p1.3p1.2 c 相 p1.1 b 相 p1.0 a 相 工作 状态 控制 模型 100000011ab03h 200000110bc06h 300000101ca05h 表 3 5.1.25.1.2 系统总体流程图系统总体流程图 设计说明：首先复位单片机，然后从 p3 口读出开关状态，判断是否启动， 没启动绿灯亮重新确认启动。启动后再次读取 p3 口数据，判断工作方式并将对 应的用来存储步进电机工作方式字的数组首地址值给 q。由 p3.4 口的双向开关 来控制步进电机的正反转，如果是正转则红灯亮，反转则绿灯亮。在电机每走 一步后，步数记数加 1，然后通过 led 显示把工作步数显示出来。再从 p3 口把 状态信息读出来，与之前的 p3 口的状态信息进行比较。如果状态信息没有改变， 电机继续运行。如果状态信息改变了，就需要重新返回程序的开端，对电机的 运行状态进行判断，让电机重新以新的状态运行。由此，开关的状态在电机每 走一步都会查询一遍，做到实时地反映。 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 10 n n y y 单片机 80c51 给步进电机复位 启动？绿灯亮 n 判断工作方式 q 存储方式字地址指 针 b 正向控制模型指针 p3.4=1？ 正转 反转 红灯亮 黄灯亮 延时，且模型地址加 1 总步数加 1 显示总步数 p3 口状态是否改 变 b 反向控制模型地址 p1 口输出控制模型 y 重新启动 p3.0=1? p3.1=1? p3.2=1? n n n y 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 11 图 7 总体流程图 5.25.2 关键模块设计关键模块设计 5.2.1.5.2.1. 三相步进电机模块设计三相步进电机模块设计 设计说明：在此设计中，采用的是三相步进电机，对于步进电机模块的程序 设计采用循环程序设计方法。先把正反转向的控制模型存放在内存单元中，然 后再逐一从单元中取出控制模块并输出。首先启动，选择步进电机的拍数，输 入步数，然后读入正反转的控制模型驱动步进电机转动。 三相步进电机的流程框图： 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 12 三相步进电机控制程序 是正转吗？ b反向控制模型地址 n 取控制模型 输出控制模型 延时，模型地址+1 n y n y b正向控制模型指针 控制模型=00h？ 吗 初始化 图 8 三相步进电机的流程框图 5.2.25.2.2 显示模块设计显示模块设计 设计说明：显示模块是用 4 位八段数码管来显示工作步数。先将显示码存入 数组中，指向最左边一位，然后取出要显示的数据，指向换码表首地址，取出 显示码，从 p0 口输出显示码，p2 口输入位选码，显示出 4 位工作步数，最后 修改数组地址，求下一位位选码继续显示。 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 13 动态显示子程 序 取出要显示的数据 求待显示数据的显示 码 送位段码到 p0 口输出 送位显码到 p2.0-p2.3 输出 延时 4 位显示完了 吗 返回 修改数组地址 求下一位选码 图 9 显示模块的程序框图 6 6 小结及体会小结及体会 经过这个学期对微机的学习，我们对计算机这一以后会经常接触的现代化 工具有了更深的认识，在本次课程设计中，通过老师的指导和从网上查阅资料， 和同学相互交流，我们从起初对课题的陌生开始一步步走向了完成的这一刻， 在本次课设中，我们接触并了解了 proteus 的应用方法，并顶着程序随时可能 崩溃的风险及时保存并顺利完成了布置的任务，对三相步进电机的原理及其控 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 14 制方法有了更多的了解，相信在这次课设学到的东西会对未来的工作起到很大 的作用。此外在此次课设中暴露了我单独处理问题的能力有所欠缺，在以后的 学习中我会尽力克服这种缺陷当好合格的大学生。 附录：附录： c 语言程序： #include #include void delay1(void); void delay2(void); void display(int); int bs=0; main() char a,b,c,d,j,*q, done18=0x01,0x02,0x04,0x00,0x01,0x04,0x02,0x00, 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 15 done28=0x03,0x06,0x05,0x00,0x03,0x05,0x06,0x00, done314=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05,0x00,0x01,0x05,0x04,0x06,0x02,0x03, 0x00; p3=0x20; /p3.5 口置 1，绿灯亮，不工作 delay1(); l: a=p3; while(!(a a=p3; delay1(); a=p3; /判断工作模式 if(a if(a if(a if(a /p3.4 口为 1，电机正转，红灯亮 b=0; else p3=0x40; /p3.4 口为，电机反转，黄灯亮 if(a else b=4; d=b; while(1) c=*(q+b); /判断电机步数是否走完 if(c=0)b=d; /步数走完，电机重新再走 else p1=c; /从 p1 输出电机控制信号 b+; bs+; /总步数加 1 display(bs); /显示步数 j=a; a=p3; if(a!=j) /判断 p3 口状态信号是否改变 if(!(a /若为停止信号，总步数清零 goto l; /状态信号改变，返回到开始，重新对电机控制 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书 16 void delay1() int i,j; for(i=0;i1; /求下一个