四相步進電機控制器第1頁共52頁基于單片機實現的四相步進電機控制器設計指導老師：王彥作者：摘要：本設計采用ATMEL公司DIP-40封裝的AT89S52單片機實現對四相步進電機的手動和遙控控制。由單片機產生的脈沖信號經過脈沖分配后分解出對應的四相脈沖，分解出的四相脈沖經驅動電路功率放大后驅動步進電機的轉動。轉速的調節和狀態的改變由按鍵進行選擇。通過鍵盤掃描把選擇的信息反饋給單片機，單片機根據反饋信息做出相應的判斷并改變輸出脈沖的頻率或轉動狀態信號。電機轉動的不同狀態由LED數碼管顯示。紅外信號的發射由另一塊單片機和紅外線LED完成，用紅外萬能接收頭接收紅外信號，可以實現對電機的控制進行紅外遙控。關鍵字：四相步進電機單片機功率放大紅外遙控ControllerforfourphasestepmotorAbstract：Thedesignadoptstwomicroprocessor(DIP-40encapsulation,AT89S52)ofATMELcompanytocontrolfourphasestepmotor.Afteradmeasuredit,thepulsegeneratedbymicroprocessorbecometherelevantfourphasepulse.Thesepulses,whicharemagnifiedbydrivingcircuit,areusedtodrivethefourphasestepmotor.Regulatingrotatespeedandchangingestateareusedsomekeys.Passscanningthekeyboardtofeedsinglebacktomicroprocessor.Themicroprocessormakesthejudgmentandchangethepulsefrequentaccordingtothefeedbackinformation.LEDshowdifferentrunningestate.TheinfraredsingleisemittedbyanothermicroprocessorandinfraredrayLED,usinginfraredinceptmoduletoaccepttheinfraredsignal.Systemcancontrolmotorwithinfraredtelecontrol.Keyword：fourphasestepmotormicroprocessorpowermagnifyinfraredtelecontrol四相步進電機控制器第2頁共52頁目錄前言.31.系統設計.31.1功能介紹.31.2總體設計方案.31.2.1總體設計思路.31.2.2方案論證與比較.31.3電機的參數.71.4系統組成.72.單元電路設計.82.1功率放大驅動電路方案設計.82.2顯示電路方案設計.92.3單片機電源電路設計.92.4紅外發射電路設計.103.軟件設計.103.1編程語言.103.2軟件實現方法.103.2.1雙四拍正轉.113.2.2雙四拍反轉.113.2.3單雙八拍正轉.113.2.4單雙B八拍反轉.113.3程序流程圖如下所示：.123.4三相步進電機程序清單.154.結束語.15附錄1.16附錄2.17四相步進電機控制器第3頁共52頁前言一般，電動機都是連續旋轉，而步進電動機卻是一步一步轉動的，故稱為步進電動機。每輸入一個脈沖信號，該電動機就轉過一定的角度（有的步進電動機可以直接輸出線位移，稱為直線電動機）。因此步進電動機是一種把脈沖變為角度位移（或直線位移）的執行元件。它有兩個工作：其一是傳遞轉矩，其二是傳遞信息。步進電動機的轉子為多極分布，定子上嵌有多相星形連接的控制繞組，由專門電源輸入電脈沖信號，每輸入一個脈沖信號，步進電動機的轉子就前進一步。由于輸入的是脈沖信號，輸出的角位移是斷續的，所以又稱為脈沖電動機。隨著數字控制系統的發展，步進電動機的應用將逐漸擴大。步進電動機的種類很多，按勵磁方式可分為反應式、永磁式和感應子式；按相數分則可分為單相、兩相和多相三種。這里使用的是反應式四相步進電機，它的工作方式有單四拍正轉，單四拍反轉，雙四拍正轉，雙四拍反轉，單雙八拍正轉，單雙八拍反轉六種。針對這些狀態，設計的控制器能很好地實現狀態的轉換及轉速的改變。1.系統設計1.1功能介紹一、基本功能（1）步進電機能夠在雙四拍和單雙八拍兩種工作方式間切換。（2）能夠實現步進電機單步和連續運行。（3）能實現步進電機正反轉及速度變換。（4）顯示工作狀態二、擴展功能紅外線遙控實現電機的各種狀態之間的啟動和轉換1.2總體設計方案1.2.1總體設計思路用于控制的電機是MITSUMI公司生產的M35SP-7T型四相反應式步進電機。為滿足手動和紅外遙控相互獨立，采用兩塊AT89S52單片機分別控制手動模塊和紅外遙控模塊。手動模塊完成所有基本功能以及紅外接收，遙控模塊用來發射紅外遙控信號。1.2.2方案論證與比較1.控制部分的設計方案論證與選擇方案一、用邏輯電路實現。用NE555定時器芯片產生脈沖，用74HC74組成的電路實現脈沖的分配。用組合和時序電路實現頻率的調節。整個電路要用到的分立元件太多，電路聯接復雜，而且抗干擾能力不強，穩定性和精確度不高。方案二、用單片機實現。由于單片機集成了運算器電路、控制電路、存儲器、中斷系統、定時器/計數器以及輸入/輸出口電路等，所以用單片機設計控制電路省去了很多分立元器四相步進電機控制器第4頁共52頁件。對于脈沖的產生及分配，頻率的調節，轉速及狀態的改變都可以由單片機實現，不必再分別用分立元器件實現。由于單片機的可編程特性，應用單片機程序對四相步進電機進行控制，不僅功能易于實現，而且精確度高，穩定性好，抗干擾能力強。方案三、用FPGA實現。眾所周知，FPGA做控制核心，外圍電路簡單，整體性能好，有更好的穩定性，更高的精度，更強的抗干擾能力。但是其價格昂貴，用于本設計的電機控制性價比不高。綜上所述，選擇方案二。利用單片機實現主要控制，按鍵進行選擇。2.功率驅動電路的設計方案論證與選擇單片機端口輸出的電流只有幾個毫安，不能直接驅動步進電機。為了給步進電機提供足夠的電流，必須設計驅動電路。考慮到本次驅動的電機所帶負載和功率不大，對電源的要求也不是太高，故采用單一電壓型電源供電。由于繞組是感性的，功率放大器必須設計得能保護晶體管不受電感在接通和斷開瞬間時的尖峰信號的沖擊。同時，為了使繞組在斷電時能夠加快電流的衰減，以免斷開的相繞組中的衰減電流對電動機起制動效應，還必須為放大電路設計抑制電路或是泄放回路。這里對抑制電路有三種方案如下：方案一：二極管抑制電路二極管抑制電路如圖1.2.1所示。當繞組通電時，二極管承受反向電壓，不導通。當三極管轉變為截止狀態或是繞組斷電時，繞組將產生一個與原來承受的電壓極性相反的感應電勢，使二極管導通，形成繞組L和二極管構成的回路。假設繞組電阻為R，則回路中電流的衰減時間常數為T=L/R。由于R一般較小，因而T一般較大，只適用于步進電機低速運行。圖1.2.1二極管抑制電路圖1.2.2二極管-電阻抑制電路方案二：二極管-電阻抑制電路二極管-電阻抑制電路如圖1.2.2所示。在這個抑制電路中，增加了一個與二極管串聯的電阻RS，當繞組斷電時泄放回路的時間常數為T=L/（R+RS），這就加快了斷電繞組中電流的衰減，減小了泄放回路時間常數。但由于RS的存在