專業課程設計報告題目：步進電機驅動器的設計姓名：XXX專業：通信工程班級號：XXXXXX同組人：XXX指導師：XXX老師XXXX大學xxxx學院2013年7月4日xxxx專業課程設計任務書2012－2013學年第2學期第16周－19周題目步進電機驅動器的設計內容及要求〔1〕了解三相六拍步進電機的工作原理；〔2〕一個輸入脈沖轉一步；鍵盤單片機電平匹配鍵盤單片機電平匹配電平匹配功放電機功放電平匹配功放進度安排第xx周：查閱資料，確定方案，完成原理圖設計及仿真；第xx周：領取元器件、儀器設備，制作、焊接電路；第xx周：調試電路，完成系統的設計；第xx周：檢查設計結果、撰寫課設報告。學生姓名：XXXX、XXXX指導時間：第xx～xx周指導地點：X樓XX室任務下達2013年6月10日任務完成2013年7月5日考核方式1.評閱eq\o\ac(□,√)2.辯論□3.實際操作eq\o\ac(□,√)4.其它□指導教師XXX系〔部〕主任XXX摘要本次課程設計為步進電機驅動器，步進電機驅動器是電機精確運轉控制的主要核心所在，它主要由stc89c51單片機為控制核心，外加電機驅動芯片、步進電機轉數顯示電路及步進電機工作模式選擇控鍵組成。通過此設計，步進電機運轉精確、方便，只需撥動控鍵，就能控制電機的轉速、旋轉方向及電機單雙拍選擇。關鍵字：步進電機控制,單片機顯示電路,ULN2003A應用目錄第一章概述1第二章設計內容的介紹22.1步進電機原理2步進電機的工作方式2步進電機的轉向控制3步進電機的啟停控制3步進電機的速度控制32.2步進電機的分類與選擇4步進電機的分類4步進電機的選擇42.3設計目標5第三章設計思路與具體內容63.1設計思路63.2總體設計框圖及電路原理圖63.3單片機最小系統及按鍵局部63.4按鍵電路73.5步進電機驅動電路83.6步進電機拍數顯示電路83.7LED顯示電路9第四章程序設計104.1程序設計思路104.2步進電機模塊設計124.3顯示模塊設計134.4步進電機調速模塊設計14總結15參考文獻16附錄17程序代碼17原理圖20概述步進電機最早是在1920年由英國人所開發。1950年后期晶體管的創造也逐漸應用在步進電機上，這對于數字化的控制變得更為容易。以后經過不斷改進，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解性能、高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械系統中。在生產過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發現步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一,廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的開展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執行部件。步進電機可以直接用數字信號驅動，使用非常方便。一般電動機都是連續轉動的，而步進電動機那么有定位和運轉兩種根本狀態，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉動，每給它一個脈沖信號，它就轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的鼓勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態。因此非常適合于單片機控制。步進電機還具有快速啟動、精確步進和定位等特點，因而在數控機床，繪圖儀，打印機以及光學儀器中得到廣泛的應用。步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。傳統電動機作為機電能量轉換裝置，在人類的生產和生活進入電氣化過程中起著關鍵的作用。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環控制。總之，步進電機驅動器電路實現其控制電機的功能，很方便的改變電機的轉動速度和方向，從而使電機更好的使與其相連的儀器更好的，更有效的工作。設計內容的介紹步進電機原理步進電機的工作方式步進電機的工作就是步進轉動，其功用是將脈沖電信號變換為相應的角位移或是直線位移，就是給一個脈沖信號，電動機轉動一個角度或是前進一步。步進電機的角位移量與脈沖數成正比，它的轉速與脈沖頻率(f)成正比，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機那么轉過一個步距角。如下所示的步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按適宜的時序通電，就能使步進電機步進轉動。圖2-1是該四相反響式步進電機工作原理示意圖。圖2-1四相步進電機步進示意圖開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，那么轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2-2所示：圖2-2步進電機工作時序波形圖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。假設步進電機的勵磁方式為三相六拍,即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。如果按反序通電換相,即那么電機就反轉。步進電機的啟停控制步進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,那么需采用適宜的鎖定波形,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。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、D四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，否那么，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。步進電機的分類與選擇步進電機的分類現在比擬常用的步進電機包括反響式步進電機〔VR〕、永磁式步進電機〔PM〕、混合式步進電機〔HB〕和單相式步進電機等。反響式步進電動機采用高導磁材料構成齒狀轉子和定子，其結構簡單，生產本錢低，步距角可以做的相當小，一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反響式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩，但動態性能相對較差。永磁式步進電機轉子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側配置齒狀定子。用轉子和定子之間的吸引和排斥力產生轉動，它的出力大，動態性能好，但步距角一般比擬大。一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度。混合式步進電機是指混合了永磁式和反響式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛，它是PM和VR的復合產品，其轉子采用齒狀的稀土永磁材料，定子那么為齒狀的突起結構。此類電機綜合了反響式和永磁式兩者的優點，步距角小，出力大，動態性能好，是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關的設備中多用此類電機。步進電機的選擇步進電機有步距角〔涉及到相數〕、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率〔當量〕換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度〔包括減速〕。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度〔五相電機〕、0.9度/1.8度〔二、四相電機〕、1.5度/3度〔三相電機〕等。靜力矩的選擇步進電機的動態力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時〔一般由低速〕時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來。電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差異很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流〔參考驅動電源、及驅動電壓〕。力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉速，M為力矩單位為牛頓?米P=2πfM/400(半步工作〕設計目標一個正反轉開關控制正轉和反轉；一個速度開關控制高速和低速〔高速和低速只要有明顯差異〕；一個啟動/停止控制開關，控制整個系統的開啟和關閉；三個拍數控制開關，分別是單拍、雙拍和單雙拍；深入理解步進電機工作原理，設計系統方案；用proteus和keilc仿真設計方案。設計思路與具體內容設計思路本系統主要由供電電源模塊、單片機最小系統、按鍵電路、步進電機驅動電路以及步進電機等幾局部組成。本系統采用兩個獨立開關三個獨立按鈕，分別進行上下速、正反轉、半圈、一圈以及連動的控制。驅動電路采用ULN2003A實現步進電機的驅動。步進電機的供電采用獨立5V供電。總體設計框圖及電路原理圖總體設計框圖如圖3.1所示。按鍵控制按鍵控制單片機最小系統驅動芯片顯示電路步進電機圖3.1總體設計框圖單片機最小系統及按鍵局部最小系統主要是為了單片機的正常工作。51單片機是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機，它采用CMOS和高密度非易失性存儲器技術，而且其輸出引腳和指令系統都與MCS-51兼容；片內的FlashROM允許在系統內改編程序或用常規的非易失性編程器來編程，內部除CPU外，還包括256字節RAM，4K字節的ROM,4個8位并行I/O口，5個中斷源，2個中斷優先級，2個16位可編程定時計數器。89S51單片機是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，且支持在線編程，完全滿足本系統設計需要。單片機最小系統包括單片機和復位電路。圖3.251單片機最小系統及按鍵電路按鍵電路采用6個開關來控制步進電機，即“單拍”、“雙拍”和“單雙拍”、“啟動閉合”、“上下速切換”、“正反轉切換”。當波動開關按下其中一個按鍵時，當開關向上時，使對應IO口就接通5v電源；向下時，對應IO口接通地。如下為按鍵電路：圖3.3按鍵電路步進電機驅動電路步進電機的驅動電路如圖3.3所示，驅動芯片采用ULN2003A。圖3.4步進電機的驅動電路步進電機拍數顯示電路輸出位選碼，設計中我們主要用到4位顯示步數既可。原理圖如下：圖3.5顯示電路LED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D2，P3.7接D3，P3.3接D1，正轉時D2指示燈亮，反轉時D3指示燈亮，不轉時D指示燈亮。電路圖如下：圖3.6指示燈接線圖程序設計程序設計思路設計說明：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，如果是正轉那么紅燈亮，反轉那么綠燈亮。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擬。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。開始開始P3口、步數清零數碼管輸出0D1顯示燈亮以已選擇的序列輸出控制字K0/K1/K2選擇工作方式控制字序列延時2延時1步數自增一啟/停按鍵K3按下？正/反轉按鍵K4按下？選擇正轉控制字序列D2亮選擇反轉控制字序列D3亮啟/停按鍵K3按下？數碼管輸出步進步數調速鍵K5按下？YY選擇雙三拍控制字序列輸出選擇單三拍控制字序列輸出NNN圖4.1總體流程圖步進電機模塊設計設計說明：在此設計中，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,相步進電機的流程框圖：分模塊入口分模塊入口P1.0=1？不輸出任何信號P1.1=1？P1.2=1？k自增一調用單位延時程序選擇四相六八拍控制字序列輸出分模塊出口圖4.2三相步進電機的流程框圖NYNNYY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。動態顯示步數子程序動態顯示步數子程序取出要顯示數據求待顯示數據顯示碼送位段碼到P0口輸出送位選輸出延時0.6ms4位顯示完了嗎返回修改數組地址求下一位選碼圖4.3顯示模塊的程序框圖步進電機調速模塊設計為步進電機調速模塊流程圖，當P3.4=1時，即K5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P3.4=0時，即K5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。模塊入口模塊入口P3.4=1?〔K5按下？〕RRR=50〔循環次數為5〕調用單位延時程序k自增一返回j=RRR？〔到達要求次數〕RRR=500〔循環次數為50〕圖4.4步進電機調速模塊流程圖Yk=0NYN總結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。在設計過程中大，之前并未學過proteus仿真軟件，但通過此次課程設計認識到proteus在設計單片機的作用，通過仿真可以無本錢地知道自己的方案是否正確，尤其是自己動手編制程序時，通過仿真可以明確地看到自己程序所暴露出來的缺陷和缺乏，當中遇到了很多困難，但經過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查，并在老師和同學的幫助下終于找出了原因所在，當然也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經驗缺乏。通過親自動手制作，使我掌握的知識不再是紙上談兵，而是學以致用。同時，這次課程設計讓我感受到了我對所學習的內容是多么的不熟練，特別是在課堂上學到的單片機知識相當欠缺實踐，另外還有一點就是不能把以前學的特別是數電知識很好地運用到單片機外圍電路上來，所以在設計過程中總是需要翻書，還總是會出現問題，同時這些問題也提醒了我那些地方沒學好，通過這樣一步步地摸索從而加深了對這局部知識的印象。課程設計不僅僅是一門專業課，使我學到很多專業知識以及提升了專業技能上，同時又是一門提升自我綜合能力的課程，給了我莫大的開展空間，不僅培養了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高；更重要的是，在課程設計中，我們學會了很多學習的方法，而這些都將為日后做準備，會使我們終身都受益匪淺。面對社會的挑戰，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐，才能在最大程度上開掘自己。這對于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發現其中珍貴的事情。參考文獻丁元杰.單片微機原理及應用［M］.機械工業出版社，2010年1月劉教瑜、曾勇.單片機原理與應用.武漢：武漢理工大學出版社.2008譚浩強.C程序設計〔第三版〕.北京：清華大學出版社.2008頂明亮、唐前輝.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.2009.張道德.單片機接口與技術〔c51版〕.北京：中國水利水電出版社.2007.附錄程序代碼#include<reg52.h>#include<stdio.h>voiddelay1(void);voiddelay2(void);voiddisplay(int);intbs=0;intcishu;main(){Chara,b,c,d,j,*q,done1[10]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x00,0x01,0x08,0x04,0x02,0x00},done2[10]={0x03,0x06,0x0c,0x09,0x00,0x03,0x09,0x0c,0x06,0x00},done3[18]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09,0x00,0x01,0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x00};P3=0x00;//P3.5口置1，綠燈亮，不工作delay1();L: a=P3;while(!(a&0x08))//判斷是否啟動，假設沒啟動那么重新啟動 { P3=0x00; 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) //步進電機速度控制cishu=5;elsecishu=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;//P3.4口為，電機反轉，黃燈亮if(a&0x04) b=9;else b=5; } d