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毕业设计（论文）题 目： 单片机控制电机论文设计 系 别： 机电系 专 业： 电器自动化 年 级： 08电气二班 学 号： 080101080 姓 名： 指导教师： 2011 年 05 月 28 日 摘 要3引 言3一电机常见的控制方案与驱动技术简介41.1常见的电机控制方案51.2电机驱动技术6二电机概述72.1电机的分类72.2电机的工作原理8三系统的硬件设计93.1系统设计方案93.2单片机最小系统103.3单片机最小系统设计123.4单片机端口分配及功能133.5串口通信模块133.6数码管显示电路设计133.7电机驱动模块设计153.8驱动电流检测模块设计16四系统的软件实现174.1系统软件主流程图174.2系统初始化流程图174.3按键子程序18结 论22结 束 语23参 考 文 献24摘 要 本文应用单片机、步进电机驱动芯片、字符型lcd和键盘阵列，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在x/y轴方向联动。文中讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电机变频调速的方法。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和成本。最后给出了步进电机控制系统的应用实例。关键词: 步进电机控制系统，插补算法，变频调速，软硬件协同仿真引 言随着国内经济的发展及人口不向都市集中，使都市的建筑物普遍朝高层化发展。电梯已成为不可缺少的运输设备，电梯在我们的生活中起着举足轻重的作用。电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备，更是一种人们频繁乘用的交通运输设备。交流电梯是采用交流继电接触器控制的最普遍。最大量的一种电梯控制类型，这种控制使用继电器数量大，保护连锁触点多。电气线路复杂，维护工作量大，可靠性稍差。随着微电子技术的发展，采用无触点控制来代替有触点控制已势在必行。由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率较高、可靠性差、接线复杂、一旦接受完成不易更改等缺点，所以需要开发一种安全、高效的控制方式。采用单片机构成控制系统，不但可以大大降低成本，而且做成专用控制系统，程序被固化，加强了保密性，提高了可靠性。电梯作为垂直方向的交通工具，在高层建筑和公共场所已经成为重要的建筑设备而不可或缺。随着计算机技术和电力电子技术的发展，现代电梯已经成为典型的机电一体化产品。电梯具有很高的安全要求，它以零部件的形式出厂，总装配在工地现场进行，通过机械零部件之间的装配和机械装置与土建结构之间的的衔接完成安装，最终形成电梯产品。精心的制造和安装还不能完全保证无故障运行，其运行可靠性在很大程度上依靠维修保养。所以，电梯的制造、安装和维保不宜分割。大规模的经济建设尤其是蓬勃发展的房地产业给电梯行业开拓了广阔的市场，2001年我国电梯产量达4.5万台，创造了行业发展史上的一个新的高峰，被业内人士称为“第三次浪潮”。目前，中国经济建设需求的各类电梯、几乎全部可以在中国生产。由此可见，一个兴旺的电梯市场已经形成。进入80年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大。据统计，全世界平均1000人有台电梯。我国如果要达到这个水准，还需要新装80万台。到那时候，每年仅报废更新就需要万台。目前房屋建设势头仍然很好，电梯市场供需两旺，前景一片光明。一步进电机常见的控制方案与驱动技术简介1.1常见的步进电机控制方案1基于电子电路的控制步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图1.1所示。图1.1基于电子电路控制系统此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。2基于plc的控制plc也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。plc作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。3基于单片机的控制采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。1.2电机驱动技术步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低；缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而避免产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。1.3本文研究的内容在一般的步进电机工作中，其电源均采用单极性直流电，通过对步进电机的各相绕组按恰当的时序方式通电，就可使其执行步进转动。当某一相绕组通电时相应的两个磁极就分别形成n-s极产生磁场，并与转子形成磁路。在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对其，从而使步进电机向前“走”一步。转子的角位移大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入的脉冲同步。只要能正确控制输入的电脉冲数、频率以及电机各相绕组通电的相序，即可得到所需要的转角、转速及转向，通过单片机很容易实现对步进电机的数字控制。本设计采用at89s51单片机实现对两相步进电机的转速控制。由单片机产生的脉冲信号经过脉冲分配器后分解出对应的四相脉冲，分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。本课题的研究目的之一就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性强，可靠性高的步进电机控制系统。二电机概述2.1电机的分类电动机的种类很多，从广义上讲，电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(vr)、永磁式(pm)和混合式(hb)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机7。(1)反应式电机(variable reluctance，简称vr)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；(2)永磁式电机(permanent magnet，简称pm)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；(3)混合式电机(hybrid，简称hb)混合式步进电机综合了反应式和永 磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合，所以只采用反应式步进电机。2.2电机的工作原理 1结构及基本原理电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。通过电磁感应定律我们很容易知道激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图2.1所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。图2.1 激励线圈产生电磁场三系统的硬件设计3.1系统设计方案 1系统的方案简述与设计要求本设计采用单片机at89s51来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了电机驱动芯片l298及其外围电路构成了整个系统的驱动部分，再加上作为执行部件的步进电机来构成了一个基本的步进电机控制系统。系统的具体功能和要求如下： 1.单片机最小系统板的设计； 2.设计兼有两相两拍和两相四拍的脉冲分配器; 3.实现步进电机的启停、正转、反转控制； 4.驱动电路可提供电压为12v，电流为0.3a的驱动信号; 5.能实现步进电机的转速调节，最低转速为25转/分，最高转速为100转/分； 6.步进电机的转速由数码管显示； 7.键盘扫描电路的设计2系统的组成及其对应功能简述单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺序有关。同时单片机系统还负责处理来自电机驱动电流检测模块检测到的电流值。与此同时，单片机将会把电机转速，电机的转动方向，以及电流检测模块检测到的电机驱动的电流通过数码管显示出来。3.2单片机最小系统1、主要性能参数与mcs-51 产品指令系统完全兼容 4k 字节在系统编程（isp）flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 4.05.5v 的工作电压范围 全静态工作模式：0hz33mhz 三级程序加密锁 1288 字节内部ram 32 个可编程io口线 2 个16 位定时计数器 6 个中断源 2功能特性概述at89s51 提供以下标准功能：4k 字节flash 闪速存储器，128 字节内部ram，32 个i o 口线，看门狗（wdt），两个数据指针，两个16 位定时计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，at89s51 可降至0hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止cpu 的工作，但允许ram，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3引脚功能说明vcc：电源电压gnd：地p0 口：p 0口是一组8位漏极开路型双向i0 口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8 个ttl逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。p1 口：pl 是一个带内部上拉电阻的8 位双向i o 口，pl 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个ttl逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 （iil ）。p2 口：p2 是一个带内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。 p3 口：p3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向i o口。p3口输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个ttl逻辑门电路。具体功能如表2.1所示表3.1p3口的引脚及功能 图2.1 端口引脚第二功能p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2int0（外部中断0）p3.3int1（外部中断1）p3.4t0（定时/计数器0外部输入）p3.5t1（定时/计数器1外部输入）p3.6wr（外部数据存储器写选通）p3.7rd（外部数据存储器读选通） 4晶体振荡器特性 at89s51一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1 和xtal2 分别是该放大器的输入端和输出端。3.3单片机最小系统设计采用at89s51单片机构成了控制系统的核心，其基本模块就主要包括复位电路和晶体震荡电路。在本设计当中，单片机的p 0口、p 1口、p 2口、p 3口全部参与系统工作，单片机最小系统的接线如图3.3所示： 图3.33.4单片机端口分配及功能1、其中p 0口用于控制数码管的具体显示功能，既是数码管的段选。2、p 1口主要用于控制电机驱动芯片l298的工作，以及adc0804芯片的编程的读写控制。3、p 2口主要用于控制数码管的公共端，既是数码管的位选。与此同时还处理键盘扫描电路的。4、p 3口主要用于负责处理adc0804的模数转化芯片的工作。3.5串口通信模块本设计采用串口通信，来实现计算机与单片机的通信。其具体的电路图如图3.4所示。 图3.4串口通信模块3.6数码管显示电路设计 本设计的显示部分可以用液晶显示的方案可供选择，液晶显示和数码管显示的区别主要体现在以下几个方面：数码管显示内容单一，而液晶显示器显示内容丰富，因为液晶一般都是七段八字的只能显示单一的内容，而液晶显示的内容就很丰富；数码管还比液晶显示耗电，而且使用液晶也比使用数码管显得美观。但是控制液晶显示器的时候占用的系统资源多，编程更复杂，最关键的是液晶显示的成本是数码管的几十倍，所以考虑到应用价值，最终还是确定选用数码管实现本设计的显示部分功能。1共阳数码管简介四位共阳数码管的管脚分配如下图3.5所示：图3.5四位共阳数码管管脚定义数码管的管脚排列：从数码管的正面观看，左下角的那个脚为1脚，从1脚开始，按照逆时针方向排列依次是1脚到12脚，其中12、9、8、6为公共角，为位选信号输入端。剩余的八个脚是段选信号输入端，其对应方式是a-11、b-7、c-4、d-2、e-1、f-10、g-5、dp-3。本设计选用了数码管显示设计，其段选的控制a、b、c、d、e、f、g、dp按照数码管的简介资料选用了p 0口作为其控制端口，其位选部分由于单片机的控制端口输出的电压不足以直接点亮数码管，所以在单片机控制端口和数码管的位选控制端口加入了三极管，其具体的电路连接如图3.6所示。 图3.6 数码管显示电路3.7电机驱动模块设计1电机驱动电路设计如图2.8所示，本设计的电机驱动部分是由驱动芯片l298及其外围电路构成，其中从l298的2、3脚和13、14脚（即芯片的输出端）依次按顺序连成一个插座，分别与步进电机的四根线相连。而5、6、7、10、11、12脚就依次与单片机的p1口的六个管脚相连。通过这一连接实现了单片机与l298以及步进电机的串联控制。图中很重要的部分是由四个二极管连成的保护电路，其作用是防止由于步进电机的转速提高而产生的自感电动势损坏芯片。由于本设计使用的电机驱动电压是使用了9v (也可以使用12v)，所以二极管的负端接9v的参考电压。如果驱动芯片的电压改变，那么这个参考电压也随之一起改变。图2.8电机驱动电路图3.8驱动电流检测模块设计本设计的驱动芯片电流检测模块的实际应用意义在于，检测流过电机的电流值并及时显示，对于防止电机过流而损坏电机有一定的意义。一般检测电流的方法是通过检测电压值，然后通过欧姆定律换算电流值的方法测试电流。1特点超低偏移：150v最大低输入偏置电流：1.8na低失调电压漂移：0.5v/超稳定时间：2v/month最大高电源电压范围： 3v至22v2芯片引脚功能说明1脚和8脚：是偏置平衡（调零端）2脚：为反相输入端3脚：为同向输入端4脚和7脚：分别为和5脚：悬空6脚：为输出端其引脚图如图3.102adc0804芯片简介1芯片主要技术指标 (1) 分辨率：8 位(0255)(2) 存取时间：135 ms (3) 转换时间：100 ms(4) 总误差：-1+1lsb(5) 工作温度：adc0804c为0度70度；adc0804l为-40 度85 度(6) 模拟输入电压范围：0v5v(7) 参考电压：2.5v(8) 工作电压：5v四系统的软件实现本系统的软件设计主要分为系统初始化、延时子程序、按键响应程序，数码管显示程序，读adc0804子程序及控制脉冲输出几部分，事实上每一部分都是紧密相关的，每个功能模块对于整体设计都是非常重要，单片机at89s51通过软件编程才能使系统真正的运行起来，软件设计的好坏也直接决定了系统的运行质量。程序流程图的设计遵循自顶向下的原则，即从主体遂逐步细分到每一个模块的流程。在流程图中把设计者的控制过程梳理清楚。具体程序的讲解将在本章各节做详细讲解。4.1系统软件主流程图当给系统供电以后，通过单片机复位电路对系统进行上电复位系统经过初始化以后，便开始执行按键查询等待相应的操作，当有按键按下的时候程序便调用并执行相应的子程序，其具体的主流程图如左所示：4.2系统初始化流程图对相应的系统参数进行初始化，包括系统上电默认运行参数设定，包括两相四拍的工作方式，初始速度档位是30转/分，系统中断设定，定时器设定，载入定时器初值和默认的工作参数等，具体流程图如图4.2所示。图4.2系统初始化流程图4.3按键子程序1延时子程序：在本延时子程序当中每调用一次延时子程序延时时间是1毫秒。2按键响应子函数：在本设计当中按键的一端接地，另一端接单片机的对应端口，所以当按键按下，既是将单片机对应端口电平拉低。所以在编程的时候判断按键按下是低电平有效。图4.3画出的是电机增速和减速的子程序框图。图4.3增速减速子程序 3读adc0804和模式切换程序框图如下图4.4所示，在本设计当中我的模式切换按键只有一个，负责电机的正反转控制，电流控制和电机启动和停止控制。由于编程的时候设置的系统工作的默认状态是正转，转速30转/分。所以通过连续按模式切换键依次实现的功能是电机反转并显示转速，显示电机电流，系统停止工作，系统正转并显示转速依次切换。编程控制adc0804工作就主要是负责读和写端口的电平来实现的。图4.4读adc0804子程序及模式切换子程序4控制电机转动的脉冲输入方式：两相四拍通电方式：正转：ababababab反转：ababababab两相八拍通电方式：正转：abbabaabbabaab反转：abaabbabaabbab以两相四拍正转为例其程序代码如下： if(i=1) al=1; bl=1; al=0; bl=0; else if(i=2) al=0; bl=1; al=1; bl=0; else if(i=3) al=0; bl=0; al=1; bl=1; else if(i=4) al=1; bl=0; 结 论经过为期一学期的学习和努力，本次设计顺利完成，具体结论如下：1采用单片机作为控制核心，利用其强大的功能，把键盘电路和数码管显示电路，电机驱动电路，电机电流检测电路有机的结合起来，组成一个操作方便，交互性强的简单系统。2通过系统的设计实现了预期的设计目标，完成了全部的设计任务，具体功能如下：完成了整个系统的硬件设计和软件编程，能通过键盘电路控制步进电机的转速控制，能实现启动、正转、反转、加速、减速控制，实现转速最低25转/分，最高转速180转/分；通过编程实现了通过单片机能输出两相四拍和两相八拍的脉冲控制序列。驱动电路能提供12v，0.3a的驱动信号；整个电机的转速，转动方向，检测到的电机电流的大小等都能通过数码管显示出来；整个的成果形式是最终以步进电机控制电路板的形式展示出来了。3在本设计中作为电机正常工作比较重要的电机驱动模块，本设计中是采用驱动芯片l298及其外围电路来实现的，其特点是成本低，可靠性高，出现问题容易维护，实现相对容易等特点。4在电机工作模式上本设计实现了电机的两相四拍和两相八拍两种脉冲控制方式。结 束 语这次课程设计历时两个月，在整整两个月的日子里，可以说是苦多于甜，但是可以学的到很多很多的东西，同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在