1、(此文檔為word格式，下載后您可任意編輯修改！)課程設計任務書學生姓名： 專業班級： 自動化0902班 指導教師： 工作單位： 自動化學院 題 目: 三相步進電機控制系統的設計初始條件：設計一個三相步進電機控制系統，要求系統具有如下功能：用k0-k2做為通電方式選擇鍵，k0為三相單三拍，k1為三相雙三拍，k2為三相六拍；k3為啟動停止控制；k4方向控制（正反轉）；k5速度控制（快慢兩檔）；用4位led數碼管顯示工作步數。用3個發光二極管顯示狀態：正轉時紅燈亮，反轉時黃燈亮，不轉時綠燈亮。要求完成的主要任務: 1 硬件設計：系統總原理圖及各部分詳細原理圖2 軟件設計：系統總體流程圖、步進電機單

2、三拍，雙三拍，三相六拍各模塊流程圖、顯示模塊流程圖等3 編寫程序：能夠完成上述任務4 完成符合要求的設計說明書。時間安排：2012年6月25日2010年7月4日指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要31 設計任務和要求41.1設計任務41.2任務要求42 設計方案的比較及選擇52.1 電機驅動選擇方案52.2 led顯示選擇方案52.3 按鍵狀態的讀取53 控制系統的工作原理53.1 步進電機控制工作原理53.2 系統設計思路73.3 系統的整體框圖74 系統的硬件設計84.1 總體設計84.2 步進電機控制電路94.3 顯示電路105系統軟件設計115.1

3、總體設計115.2 關鍵模塊設計146 系統仿真結果176.1 相步進電機三種工作方式176.2 相步進電機啟動和停止196.3 三相步進電機的正轉和反轉206.4 三相步進電機速度控制21心得體會22參考文獻23附錄1：總電路圖24附錄1：源程序25摘要 本次計算機控制技術課程設計的題目是：三相步進電機控制系統的設計。本次課程設計使用80c51單片機作為主控芯片，利用uln2003a集成電路作為三相步進電機的驅動電路，采用單極性驅動方式，使三相步進電機能在（1）三相單三拍，（2）三相雙三拍，（3）三相六拍三種工作方式下正常工作；能實現的功能有:啟動停止控制、方向控制；速度控制（快慢兩檔）；用

4、4位led數碼管顯示工作步數。用3個發光二極管顯示狀態：正轉時紅燈亮，反轉時黃燈亮，不轉時綠燈亮。本次課程設計采用80c51單片機作為主控芯片，程序采用c語言來編寫，驅動電路采用uln2003a集成電路，顯示器采用7seg-mpx4-cc,即四個共陰二極管顯示器，p0接段碼，并用8 只500歐左右電阻上拉。p2的4 位io口接位選碼。用三個發光二極管顯示電路的轉動狀況，紅燈指示正傳，黃燈指示反轉，綠燈指示不轉。采用proteus軟件進行仿真。在keil uvsuon3編程環境下編程和編譯生成hex文件，導入到80c51單片機，實現對各個模塊的控制，實現我們所需要的功能。本次設計的方案電路結構比

5、較簡單，設計思路很清晰清晰，用 proteus軟件進行聯調仿真，結果比較直觀。在這次課程設計學習中我學到了很多知識，知道了三相步進電機控制系統的組成以及怎樣用80c51單片機去控制它，三相步進電機的工作方式壓，這對我在課堂所學的計算機控制技術知識是個鞏固和加強，讓我把課堂所學的理論知識真實的用到實踐中，親自動手，增強了我的動手設計能力，對自己將來的學習和工作發展起到了很好的作用。 關鍵字：三相步進電機、單片機、proteus三相步進電機控制系統的設計1 設計任務和要求1.1設計任務 設計一個三相步進電機控制系統，要求系統具有如下功能：用k0-k2做為通電方式選擇鍵，k0為三相單三拍，k1為三相

6、雙三拍，k2為三相六拍；k3為啟動停止控制、k4方向控制；k5速度控制（快慢兩檔）；用4位led數碼管顯示工作步數。用3個發光二極管顯示狀態：正轉時紅燈亮，反轉時黃燈亮，不轉時綠燈亮。要求完成的主要任務: 1硬件設計：系統總原理圖及各部分詳細原理圖2軟件設計：系統總體流程圖、步進電機單三拍，雙三拍，三相六拍各模塊流程圖、顯示模塊流程圖等3編寫程序：能夠完成上述任務4完成符合要求的設計說明書。1.2任務要求 題目要求設計一個三相步進電機控制系統，它需要具有以下幾個基本功能：1.三相步進電機控制系統能實現三種運行方式,能夠以三相單三拍工作方式運行，通電順序為：a-b-c-a;三相雙三拍工作方式運行

7、，通電順序為：ab-bc-ca-ab;三相六拍工作方式運行，通電順序為：a-ab-b-bc-c-ca-a,因此要輸出相應的控制字進行控制.2.三相步進電機控制系統能實現正轉和反轉和調速（快和慢）控制，能夠改變電機運行的方向和速率.3.三相步進電機控制系統有顯示功能，可以采用共陰極的led數碼管對步數進行顯示。2 設計方案的比較及選擇2.1 電機驅動選擇方案方案1：使用功率三極管等電子器件搭建成功率驅動電路來驅動電機的運行。這種方案的驅動電路的優點是使用電子器件聯接，電路比較簡單，但容易受干擾，信號不夠穩定，缺點是器件較大而不便電路的集成，使用時很不方便，聯接時容易出錯誤。方案2：使用專門的電機

8、驅動芯片uln2003a來驅動電機運行。驅動芯片的優點是便于電路的集成，且驅動電路簡單，驅動信號很穩定，不易受外界環境的干擾，因而設計的三相步進電機控制系統性能更好。通過對兩種方案的比較，我選擇方案2使用uln2003a電機驅動芯片來作為驅動。2.2 led顯示選擇方案方案1：把所需要顯示的數據通過專用的七段顯示譯碼器（例如7448）的轉換輸出給led顯示屏。優點是輸出比較簡單，可以簡化程序，但增加了芯片的費用，電路也比較復雜。方案2：通過程序把所要的數據轉化為七段顯示的數據，直接通過單片機接口來顯示，其優點是簡化了電路，但增加了軟件編寫的負擔。通過對兩種方案進行比較，我選擇通過軟件編寫來輸出

9、顯示信號，即單片機直接和顯示器相連。2.3 按鍵狀態的讀取 方案1：把按鍵接到單片機的中斷口，若有按鍵按下，單片機接收到中斷信號，再通過軟件編寫的中斷程序來執行中斷，優點是接線簡單，簡化了電路，但軟件編寫較為復雜，不易掌握。 方案2：不使用中斷，直接把開關分別接在單片機的接口上，通過查詢端口信號來動作。其優點是程序得到簡化，可讀性加強。 通過對方案的比較，我選擇通過查詢方式來讀取端口信號。3 控制系統的工作原理3.1 步進電機控制工作原理3.1.1步進電機的工作原理圖1 步進電機三相接線圖如圖1所示，u1、v1、w1接電源，分別有三個開關控制，u2、v2、w2分別接地。如果給處于錯齒狀態的相通

10、電，則轉子在電磁力的作用下，將向磁導率最大（即最小磁阻位置）位置轉動，即向趨于對齒的狀態轉動。3.1.2 步進電機的工作方式 三相步進電機可以在三相單拍，三相雙拍和三相六拍三種工作過方式下工作。在三相單三拍工作方式運行時，通電順序為：a-b-c-a;三相雙三拍工作方式運行時，通電順序為：ab-bc-ca-ab;三相六拍工作方式運行時，通電順序為：a-ab-b-bc-c-ca-a,因此要輸出相應的控制字進行控制。3.1.3步進電機的轉向控制如果給定工作方式正序換相通電 ,步進電機正轉。若步進電機的勵磁方式為三相六拍 ,即 a-ab-b-bc-c-ca。如果按反序通電換相 ,即則電機就反轉。其他方

11、式情況類似。3.1.4步進電機的啟?？刂撇竭M電機由于其電氣特性,運轉時會有步進感 ,即振動感。為了使電機轉動平滑 ,減小振動 ,可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細分的梯形波 ,可以減小步進電機的步進角 ,提高電機運行的平穩性。在步進電機停轉時 ,為了防止因慣性而使電機軸產生順滑 ,則需采用合適的鎖定波形 ,產生鎖定磁力矩 ,鎖定步進電機的轉軸 ,使步進電機的轉軸不能自由轉動。3.1.5步進電機的速度控制步進電動機運轉的速度是由輸入到a、b、c三相繞組的頻率所決定的。脈沖的頻率越高，電動機運轉的速度越快，否則，速度就越慢。因而通過延時程序控制輸出脈沖的頻率，就可以實現對步進電機速度的控制

12、。3.2 系統設計思路此次我所設計的是一個三相步進電機控制系統，主要由單片機80c51，3相步進電機，7段數碼管，及一些其他相關元件設計而成?？梢酝ㄟ^開關來控制系統的啟停工作，當系統運轉時，用開關來控制方向，并使相應的指示燈亮起，同樣由開關來選擇工作模式。運轉時，用4位7段數碼管來輸出步數。最后根據思路所設計出來的硬件圖設計相適應的軟件。3.3 系統的整體框圖下圖為系統總體設計方框圖，單片機80c51，uln2003a驅動芯片，三相步進電機，7段led數碼管等一些電路模塊組成。圖2 系統的整體框圖4 系統的硬件設計4.1 總體設計設計一個單片機三相步進電機控制系統要求系統具有如下功能：(1)

13、用k0-k2做為通電方式選擇鍵，k0為單三拍，k1為雙三拍，k2為三相六拍；(2) k3、k4分別為啟動和方向控制；(3) 正轉時紅色指示燈亮，反轉時黃色指示燈亮，不轉時綠色指示燈亮；(4) 用4位led顯示工作步數。根據設計要求用proteus所做的硬件連線圖如圖3：圖3 總體硬件連線4.2 步進電機控制電路4.2.1啟?？刂啤⒄崔D控制、工作模式控制電路分析原理圖如圖4所示：圖4 按鍵控制圖（1）k0-k2為工作模式控制開關，ko接電時，為步進電機單三拍工作模式；k1接電時，為步進電機雙三拍工作模式；k2接電時，步進電機工作模式為三相六拍，（2）k3為啟動停止控制開關，控制整個系統的開啟和

14、關閉。（3）k4為正轉反轉控制開關，控制步進電機的轉向。（4）k5速度控制（快慢兩檔）。4.2.2步進電機驅動電路將80c51的p1.0-p1.3作為步進電機的輸出控制口。電路圖如下所示：圖5 步進電機的輸出控制口4.3 顯示電路4.3.1發光二極管顯示電路用3個不同顏色的發光二極管來作為指示燈顯示，將p3.6接紅燈，p3.7接黃燈，p3.3接綠燈，正轉時紅色指示燈亮，反轉時黃色指示燈亮，不轉時綠色指示燈亮。電路圖如下： 圖6 指示燈接線圖4.3.2八段數碼管顯示電路由80c51的p0口取出顯示碼，從80c51的p2.0-p2.3輸出位選碼，設計中我們主要用到4位顯示步數既可。原理圖如下： 圖

15、7 顯示器接線圖5系統軟件設計5.1 總體設計5.1.1步進電機的工作方式（1）三相單三拍工作方式 在這種工作方式下,a、b、c三相輪流通電,電流切換三次,磁場旋轉一周,轉子向前轉過一個齒距角。因此這種通電方式叫做三相單三拍工作方式。這時步距角b (度)為 (公式1)式中:m步進電機工作拍數; z 轉子齒數單三拍的數學模型： 步序 控制位工作狀態控制模型p1.7p1.6p1.5p1.4p1.3p1.2c相p1.1b相p1.0a相100000001a01h200000010b02h300000100c04h表1（2）雙三拍工作方式 這種工作方式每次都是有兩相導通,兩相繞組處在相同電壓之下,以ab

16、bccaab (或反之)方式通電,故稱為雙三拍工作方式。以這種方式通電,轉子齒所處的位置相當于六拍控制方式中去掉單三拍后的三個位置。它的步距角計算公式與單三拍時的公式相同。極分度角齒距角= r + k1m進一步化簡得齒數z: (公式2)式中:m相數; q每相的極數; k (m - 1)的正整數;r正整數,為0、1、2、3。雙三拍的數學模型：步序 控制位工作狀態控制模型p1.7p1.6p1.5p1.4p1.3p1.2c相p1.1b相p1.0a相100000011ab03h 200000110bc06h300000101ca05h表2（3）三相六拍工作方式 在這種工作方式下,繞組以aabbbccc

17、aa時序(或反時序)轉換6次,磁場旋轉一周,轉子前進一個齒距,每次切換均使轉子轉動1. 5,故這種通電方式稱為三相六柏工作方式。其步距角b 為: (公式3)式中:m步進電機工作拍數; z 轉子齒數三相六拍的數學模型：步序 控制位工作狀態控制模型p1.7p1.6p1.5p1.4p1.3p1.2c相p1.1b相p1.0a相100000001a01h 200000011ab03h300000010b02h400000110bc06h500000100c04h600000101ca05h 表3 5.1.2 系統總體流程圖 設計說明：首先復位單片機，然后從p3口讀出開關狀態，判斷是否啟動，沒啟動綠燈亮重

18、新確認啟動。啟動后再次讀取p3口數據，判斷工作方式并將對應的用來存儲步進電機工作方式字的數組首地址值給q。由p3.4口的雙向開關來控制步進電機的正反轉，如果是正轉則紅燈亮，反轉則綠燈亮。在電機每走一步后，步數記數加1，然后通過led顯示把工作步數顯示出來。再從p3口把狀態信息讀出來，與之前的p3口的狀態信息進行比較。如果狀態信息沒有改變，電機繼續運行。如果狀態信息改變了，就需要重新返回程序的開端，對電機的運行狀態進行判斷，讓電機重新以新的狀態運行。由此，開關的狀態在電機每走一步都會查詢一遍，做到實時地反映。圖8 總體流程圖5.2 關鍵模塊設計5.2.1. 三相步進電機模塊設計設計說明：在此設計

19、中，采用的是三相步進電機，對于步進電機模塊的程序設計采用循環程序設計方法。先把正反轉向的控制模型存放在內存單元中，然后再逐一從單元中取出控制模塊并輸出。首先啟動，選擇步進電機的拍數，輸入步數，然后讀入正反轉的控制模型驅動步進電機轉動。 三相步進電機的流程框圖： 圖9 三相步進電機的流程框圖5.2.2顯示模塊設計設計說明：顯示模塊是用4位八段數碼管來顯示工作步數。先將顯示碼存入數組中，指向最左邊一位，然后取出要顯示的數據，指向換碼表首地址，取出顯示碼，從p0口輸出顯示碼，p2口輸入位選碼，顯示出4位工作步數，最后修改數組地址，求下一位位選碼繼續顯示。圖10 顯示模塊的程序框圖5.2.3進電機調速

20、模塊流程圖如圖5.8為步進電機調速模塊流程圖，當p1.4=1時，即k4按下，系統選擇單位延時程序的循環次數為5，此時步進電機快速運轉，當p1.4=0時，即k4無效，系統選擇單位延時程序的循環時間為50次，此時步進電機慢速運轉。6 系統仿真結果6.1 相步進電機三種工作方式圖12為步進電機工作在三相單三拍，此時k0,k3接高電平，k1,k2接低電平啟動；圖13為步進電機工作在三相雙三拍，此時k1,k3接高電平,k0,k2接低電平；圖14為步進電機工作在三相六拍，此時k0,k1接低電平,k2,k3接高電平；若k4接高電平則反轉，低電平則正轉；若k5接高電平速度快，接低電平速度慢。 圖12 步進電機

21、工作在三相單三拍 圖13 步進電機工作在三相雙三拍圖14 步進電機工作在三相六拍6.2 相步進電機啟動和停止圖15 為步進電機工作在啟動狀態，此時步進電機工作在三種方式之一，k3接高電平。 圖15進電機工作在啟動狀態圖16為步進電機工作在停止狀態，此時步進電機工作在三種方式之一，k3接低電平。 圖16為步進電機工作在停止狀態 6.3 三相步進電機的正轉和反轉 圖17為三相步進電機工作在正轉狀態，此時k4接低電平。 圖17為三相步進電機工作在正轉狀態 圖18為三相步進電機工作在反轉狀態，此時k4接高電平圖18為三相步進電機工作在反轉狀態6.4 三相步進電機速度控制 圖19為三相步進電機處于快速度

22、狀態，此時k5接高電平。 圖19為三相步進電機處于高速度狀態圖20為三相步進電機處于慢速度狀態，此時k5接低電平圖19為三相步進電機處于慢速度狀態心得體會經過一個星期的努力和付出，完成了本次課程設計，通過本次課程設計提高了我的設計方案和分析問題的能力，加深了對理論知識的理解，做到了理論知識與實踐的聯系。學會了proteus這個仿真軟件的運用，積累進行課程設計的經驗。大二下學期，我們做的課程設計有微機原理課程設計和自動控制原理，為我們這個學期的課程設計打下一個基礎，初步掌握了proteus這個軟件的使用，因而這次使用它更加熟悉。首先通過本次課程設計，熟練地掌握了三相步進電機控制系統的設計，了解其

23、工作原理，以及電路所用到一些芯片的工作狀況，如80c51單片機芯片和uln2003a驅動芯片以及7seg-mpx4-cc四個共陰二極管顯示器陰，熟悉了它們各自的特點和用途。通過本次課程設計，對理論知識有了更深入的理解，感受到計算機控制技術的魅力。其次，通過本次課程設計，大大提高了自己的動手能力和設計能力，加深對proteus軟件功能的理解，學會用這個軟件設計三相步進電機控制系統，將理論知識與實踐相聯系，為以后在學習和工作的發展打下一個良好的基礎 。然后，通過該課程設計，初步理解了利用計算機控制技術進行三相步進電機控制系統的設計。最后，我明白：知識不是孤立的，相互之間有聯系的，我們要學會理解知識

24、點以及學科之間的融合滲透。本次課程設計涉及到了計算機技術，自動控制技術，微機技術，數字電子技術等眾多知識，因而我們需要把把各個學科之間的知識融合起來，形成一個整體。認識到proteus這個軟件的強大功能，為以后的學習和工作打下基礎。我相信未來是屬于我們的，隨著科學技術的發展，計算機控制技術的應用將將越來越廣泛，發揮越來越重要的作用。參考文獻1 于海生編著.計算機控制技術.北京：機械工業出版社.20052 譚浩強編著.c程序設計（第三版）.北京：清華大學出版社.20083 彭虎、周佩琳編著.微機原理與接口技術. 北京：電子工業出版社.2007.4 劉教瑜、曾勇編著.單片機原理與應用.武漢：武漢理

25、工大學出版社.20085 頂明亮、唐前輝編著.51單片機應用設計與仿真：基于keil與proteus.北京：北京航空航天大學出版社.20096 徐安編著.微型計算機控制技術. 北京:科學出版社. 2005.7 楊立編著.計算機控制與仿真技術.北京:中國水利水電出版社. 20068 彭旭昀編著.機電控制系統原理及工程應用.北京：機械工業出版社.20069 楊益強、李長虹編著.控制器件.北京：中國水利水電出版社.2005附錄1：總電路圖附錄1：源程序#includereg51.() char a,b,c,d,j,*q, done18=0x01,0x02,0x04,0x00,0x01,0x04,0x

26、02,0x00, 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，綠燈亮，不工作 delay1(); l: a=p3; while(!(a&0x08) 判斷是否啟動，若沒啟動則重新啟動 p3=0x20; a=p3; delay1(); a=p3; 判斷工作模式 if(a&0x01) 方式1模型 q=done1; if(a&0x02) 方式2模型 q=done2; if(a&0x04) 方式3模型 q=done3; if(a&0x20)cishu=5;else cishu=50;if(a&0x10) 判斷電機是否要正轉 p3=0x80; p3.4口為1，電機正轉，紅燈亮 b=0; else p3=0x40