步进电机数电课程设计报告
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1 课程设计任务与要求1.1 课程设计任务利用PLC构成三相步进电机控制系统,完成主电路的接线,并编写三拍、六拍、单步和连续控制的程序并调试。
1.2 课程设计要求①当钮子开关拨到单步时,必须每按一次起动,电机才能旋转一个角度;②当钮子开关拨到连续时,按一次起动,电机旋转,直到按停止;③当钮子开关拨到三拍时,旋转的角度为3度;④当钮子开关拨到六拍时,旋转的角度为1.5度;⑤当钮子开关拨到正转时,旋转按顺时针旋转;⑥当钮子开关拨到反转时,旋转按逆时针旋转;⑦当单步要转到连续,可以通过停止也可以直接转换;(通过编程)⑧当连续要单步连续,可以通过停止也可以直接转换;(通过编程)⑨当三拍要转到六拍,可以通过停止也可以直接转换;(通过编程)⑩当六拍要转到三拍,可以通过停止也可以直接转换;(通过编程)⑪当正转要转到反转,可以通过停止也可以直接转换;(通过编程)⑫当反转要转到正转,可以通过停止也可以直接转换;(通过编程)2 步进电机的工作原理及其控制要求2.1 设计思路本次设计的是一个三相步进电机控制系统,主要由步进电机及一些其他相关元件设计而成。
本设计采用自顶向上的设计思想。
先确定了系统的格局,再分模块实现发的方案。
首先对步进电机的实际要求进行逻辑抽象,确定这个系统的输入与输出,输入有启动与停止、单步与连续、三拍与六拍、正转与反转,输出有A、B、C三相。
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。
最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。
2.2 控制系统的工作原理2.2.1 步进电机的工作原理步进电机是纯粹的数字控制电动机,它将电脉冲信号转换成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,一般电动机都是连续旋转,而步进电动却是一步一步转动的,故叫步进电动机。
每输入一个脉冲信号,该电动机就转过一定的角度(有的步进电动机可以直接输出线位移,称为直线电动机)。
数字电子技术课程设计报告一、步进电机相关知识介绍步进电机是一种数字信号控制的传动机构, 若在其输入端加入一个脉冲信号, 该电动机就会转动一个角度或移动一定距离。
步进电机由转子和定子两部分组成。
在定子的6个磁极上分别绕有绕组, 对称的绕组形成一相绕组, 三相电机有A.B.C三相绕组。
每给一相绕组通电一次称为一拍。
三相六拍步进电机的工作的次序为A—AB—B—BC—C—CA—A。
步进电机每步旋转的角度大小, 称为步距角。
它是由电动机本身转子的齿数和每一个通电循环内通电节拍决定的。
本次课程设计采用转子为4个齿的步进电机, 三相六拍模式的步距角为15°。
脉冲信号按规定的方式分配给步进电机各相绕组, 使各相绕组轮流接受脉冲信号的控制, 通常是由环形分配器来实现的。
实现这种分配方式的电路称为环形分配器。
它是一个中间转换环节, 前面与脉冲振荡器相接, 后面接功率驱动器。
三者组成了步进电机的驱动电路。
环形脉冲分配器的设计是驱动电路设计的第一步, 也就是本次课程设计的重点和难点。
环形分配器目前逐步走向集成电路化, 各种相数的步进电机环形分配器的集成块市场已有出售, 但采用各种门电路和常用芯片组成的环形分配器仍普遍应用。
此次课程设计要求运用数字电路设计一个三相六拍步进电机控制器, 其意义便在于此。
二、方案设计1.电路设计要求对三相六拍步进电机的控制, 主要分为两个方面: 三相绕组的接通与断开顺序控制。
即: 正转顺序: A-AB-B-BC-C-CA-A: 反转顺序: A-AC-C-CB-B-BA-A以及每个步距角的行进速度。
围绕这两个主要方面, 可提出具体的控制要求如下:(1)可正转起动或反转起动;(2)运行过程中, 点击能够正转、反转、保持;(3)可使用手动使时钟频率f=1~50Hz, 连续可调。
2.电路用到的实验仪器74LS00*3(与非门)74LS74*2(D触发器)74LS04 *1(非门)LED灯*3+5V 电源导线若干时钟频率发生器三、总体设计原理及框图通常来说, 步进电机驱动器所要实现的功能简单来说就是控制电机的转动方向和转速。
步进电机实验报告北京⼯业⼤学电⼦课程设计报告(数电部分)题⽬:步进电机⼀、设计题⽬步进电机控制电路⼆、设计任务和设计要求1.设计任务:本课题要求设计⼀个步进电机的控制电路,该电路能对步进电机的运⾏状态进⾏控制。
2.设计技术指标及设计要求:基本要求:(1).能控制步进电机正转和反转及运⾏速度,并由LED显⽰运⾏状态。
(步进电机⼯作⽅式可为单四拍或双四拍)。
A.单四拍⽅式,通电顺序为A—B—C—D—AB.双四拍⽅式,通电顺序为AB—BC—CD—DA—AB(2).测量步进电机的步距⾓。
(通过实测步进电机旋转⼀周所需要的脉冲数,推算出步进电机的步距⾓)。
扩展要求:设计步进电机的⼯作⽅式为四相⼋拍。
C.四相⼋拍⽅式,通电顺序为A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A(4).参考元器件:步进电机,发光⼆极管,续流⼆极管IN4004,复合三极管TIP122;5Ω(1W)电阻,其它电容、电阻若⼲。
三、设计框架⾸先我们先设计⼀个脉冲发⽣电路,我们选择⽤ne555设计这个脉冲发⽣电路,⽤于提供我们整个电路的时钟信号,然后将这个时钟置于74ls161芯⽚的时钟端,使161处于计数状态,然后161会在输出端产⽣0000到1111的序列,这⾥我们只⽤前三个端⼝,然后经过⼀定的组合将这三个端⼝接到74ls138译码器的输⼊端⼝,使译码器处于⼯作状态然后列真值表,确定A、B、C、D四相的逻辑表达式,并按照表达式进⾏组合,最后将A、B、C、D四相分别连接驱动电路,接上电机。
我们⾸先形成⼀个脉冲发⽣电路,如图所⽰:这个脉冲电路⽤于提供整个电路的时钟信号。
由于我们还要实现步进电机的变速,有此电路的频率公式f=1/[ln2(R1+2R2)C] 和q=(R1+R2)/(R1+2R2),可知,我们只需改变R1的电阻⼤⼩即可。
这样会对时钟频率产⽣影响,从⽽改变电机的转速。
接下来是环形脉冲分配电路。
⾸先我们写出我们需要的真值表,然后计算出逻辑表达式,最后根据逻辑表达式进⾏电路的连接。
单片机综合设计实验题目:步进电动机综合控制学院计算机科学与信息工程学院专业年级 2013级自动化三班实验组员指导教师职称日期 2013--12-30目录摘要............................................................................ ..一概述..................................................................1.1 实验目的...................................................................1.2 实验容与要求.....................................................1.3步进电机的介绍................................................1.4研究的思路......................................................... 二硬件设计..............................................2.1 51单片机介绍...................................................2.2 LCD1602液晶显示介绍2.3 uln2003步进电机驱动介绍三相关图像...................................................3.1总电路图.................................................3.2程序流程图..................................................3.2.1控制框图3.2.2流程图四调试结果及分析..........................................五设计总结及心得体会................................................附录【1】系统程序...............................................附录【2】参考文献........................................................【摘要】步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件本实验利用8051单片机达到控制步进电机的启动、停止、正转、反转、点动、转过指定角度、状态显示和数据指示的目的,使步进电机控制更加灵活。
课程设计步进电机一、教学目标本课程的目标是让学生了解和掌握步进电机的基本原理和应用。
通过本课程的学习,学生应能理解步进电机的工作原理,掌握步进电机的选型和应用,并能够进行简单的步进电机控制系统设计。
具体来说,知识目标包括:1.了解步进电机的基本原理和结构。
2.掌握步进电机的选型方法和应用场景。
3.了解步进电机控制系统的组成和设计方法。
技能目标包括:1.能够进行步进电机的选型和参数计算。
2.能够设计和实现简单的步进电机控制系统。
3.能够对步进电机进行故障分析和维修。
情感态度价值观目标包括:1.培养学生对新技术的兴趣和好奇心。
2.培养学生勇于尝试和解决问题的精神。
3.培养学生对工程实践的热爱和责任感。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括步进电机的基本原理、结构和选型方法,步进电机的应用场景和控制系统设计。
具体来说,教学大纲如下:1.步进电机的基本原理和结构:介绍步进电机的工作原理和主要组成部分,包括定子和转子等。
2.步进电机的选型方法:讲解如何根据实际需求进行步进电机的选型,包括电机类型、功率、转速等参数的确定。
3.步进电机的应用场景:介绍步进电机在各种场合中的应用,如机器人、数控机床等。
4.步进电机控制系统的组成和设计方法:讲解步进电机控制系统的组成,包括控制器、驱动器、电源等,以及如何进行控制系统的设计。
三、教学方法为了提高学生的学习兴趣和主动性,本课程将采用多种教学方法,包括讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。
通过讲授法,教师可以系统地讲解步进电机的基本原理和应用,帮助学生建立扎实的理论基础。
通过讨论法,学生可以积极参与课堂讨论,提高思维能力和解决问题的能力。
通过案例分析法,学生可以了解步进电机在实际应用中的具体情况,提高应用能力。
通过实验法,学生可以亲自动手进行实验,加深对步进电机原理和应用的理解。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施,我们将选择和准备适当的教学资源,包括教材、参考书、多媒体资料和实验设备等。
汇编及接口技术课程设计题目:步进电机控制系统班 级: 学 号: 姓 名:时 间:成绩:目录1 设计任务与要求 (3)1.1设计任务 (3)1.2设计要求 (3)2 设计方案 (3)2.1设计思路 (3)2.2使用的芯片 (4)2.3芯片的作用 (4)3 硬件线路设计 (5)3.1线路图及连线说明 (5)4 软件设计 (5)4.1程序流程图 (6)5源程序清单与注释 (6)6 调试过程 (9)6.1实验步骤 (9)6.2出现的问题及解决的方法 (9)7.总结 (9)8.参考资料 (10)步进电机控制系统一、设计任务与要求1.1设计任务1.了解步进电机控制的基本原理。
2.掌握控制步进电机转动的编程方法。
3.进一步熟练8255的使用。
1.2设计要求1.开关K8控制电机的启动与停止:当K8向上拨时,电机启动,否则电机停止;2.开关K7控制电机的正反转。
3.开关K1~K6控制电机的转速:K1向上拨时,得到最低转速,…… K6向上拨时,得到最高转速。
4.在数码管上显示速度编号。
二、设计方案2.1设计思路步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换(实验中的步进电机有四相线圈,每次有二相线圈有电流,有电流的相顺序变化),来使电机作步进式旋转。
驱动电路由脉冲信号来控制,所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。
本实验使用的步进电机线圈由四相组成,驱动方式为二相激磁方式,如图4.1所示。
图4.1 步进电机原理图如表4.1所示,首先使HA线圈和HB线圈有驱动电流,接着使HB和HC、HC和HD、HD和HA,又返回到HA和HB有驱动电流,按这种顺序切换,电机轴按顺时针方向旋转。
表4.1 步进电机激磁方式相HA HB HC HD 顺序0 + + --1 -+ + -2 --+ +3 + --+注:当实验结束要立即关闭电源,否则一直停留在某一相上会使电机发热。
2.2使用的芯片8255作为主机与外设的连接芯片,必须提供与主机相连的3个总线接口,即数据线、地址线、控制线接口。
江汉大学物理与信息工程学院数电课程设计报告课题名称:三相六拍步进电机控制设计指导老师:***专业:电子信息工程专业学号:XXXXXXXx姓名:XX目录一、设计要求二、设计方案三、设计原理A、步进电机B、环形分配器C、步进电机驱动电路四、总电路图五、设计总结一、设计要求1、设计三相六拍环形分配器,使电机能正转、反转和保持;2、设计时钟电路(可使用手动),使时钟频率f=1—50连续可调;3、设计电机驱动电路,使电机在时钟脉冲和控制信号的控制下正常运转。
二、设计方案如上图所示整个电路分为三大模块:时钟电路、环形分配器、步进电机驱动电路。
通过EN、DR 信号来控制电机正转、反转、停转。
三、设计原理1、步进电机a、步进电机(三相六拍)结构及工作原理上图为(三相六拍)步进电机的结构图。
步进电机控制主要有三个重要参数即转速、转过的角度和转向。
由于步进电机的转动是由输入脉冲信号控制,所以转速是由输入脉冲信号的频率决定,而转过的角度由输入脉冲信号的脉冲个数决定。
转向由环形分配器的输出通过步进电机A、B、C相绕组来控制,环形分配器通过控制各相绕组通电的相序来控制步电机转向,步进电机的特点是来一个电脉冲,转一个步距角,控制脉冲频率可以控制电机转速,改变脉冲顺序来改变方向。
b、步进电机的工作方式步进电机A、B、C相绕组的通电顺序:正转(即RD为高电平)A→AB→B→BC→C→CA→AA、B、C绕组电平变化顺序:100→110→010→011→001→101→100反转(即RD为低电平)A→AC→C→CB→B→BA→AA、B、C绕组电平变化顺序:100→101→001→011→010→110→100每来一个cp脉冲,转子转过30度(360/12),改变三相线圈的通电顺序即可改变电机转动方向。
2、环形控制器根据三相六拍步进电机工作原理可以得到下图:令,可得到环形分配器的状态方程和驱动方程,其卡诺图如下所示:选用D触发器根据上图有:其逻辑图为:其仿真电路为:3、步进电机驱动电路如下图所示是步进电动机一相的驱动电路,L是电动机绕组,晶体管VT可以认为是一个无触点开关,它的理想工作状态应使电流流过绕组L的波形尽可能接近矩形波。
目录第一章设计的目的和要求1.1课程设计目的 (3)1.2课程设计任务 (3)1.3课程设计要求 (3)第二章总体设计思路和方案2.1设计分工 (4)2.2控制电机正/反向转 (4)2.3控制电机运转速度 (4)2.4控制电机转动角度 (4)第三章硬件设计3.1主控模块 (5)3.2按扭开关控制模块 (6)3.3驱动控制模块 (6)第四章软件设计 (7)4.1主程序及其流程图 (8)第五章系统调试5.1 WAVE调试控制程序 (9)5.2 Proteus仿真 (9)第六章三个方案的融合6.1最终方案的程序流程图及其主程序 (11)6.2设计中遇到的问题及解决方案 (12)第七章结束语 (13)参考文献 (13)附录一 (15)附录二 (16)第一章设计的目的和要求1.1课程设计目的《单片机使用基础》课程设计是学好本门课程的又一重要实践性教学环节,课程设计的目的就是配合本课程的教学和平时实验,以达到巩固消化课程的内容,进一步加强综合使用能力及单片机使用系统开发和设计能力的训练,启发创新思维,使之具有独立单片机产品和科研的基本技能,是以培养学生综合运用所学知识的过程,是知识转化为能力和能力转化为工程素质的重要阶段。
1.2课程设计任务根据给定的任务要求选择合适的单片机和其他电子元器件,进行系统硬件电路设计和软件编程,根据系统制作并调试系统电路板,使之实现任务要求。
有关参数选择要求符合国家标准。
具体设计内容如下:1.模拟步进电机、模拟交通灯模块、模拟键盘输入及显示模块。
2. 设计系统工作原理图,利用PROTEUS软件绘制系统工作原理图;3. 系统控制程序设计、调试及实现:(1)根据要求,写出完整的程序流程图;(2)将设计程序输入、汇编,排除语法错误,生成*.OBJ文件;(3)按所设计的原理图,在实验平台上连线,检查无误;(4)将目标文件传送到实验系统,执行并运行调试该程序,最终实现控制要求4. 写出设计说明书,说明书格式见附录,3000字左右1.3课程设计要求我选择课题的是课程设计——模拟步进电机,以下为实现步进电机的基本功能:1.能控制步进电机作正向和反向运转,要有正转和反转控制按钮;2.要求随时可以在不断电源情况下可以暂停,有一个暂停按钮。
课程设计任务书学生姓名:专业班级:通信XX班指导教师:工作单位:信息工程学院题目: 步进电机的控制及驱动电路设计初始条件:本设计既可以使用集成移位寄存器、驱动器、555定时器和必要的门电路,以及所需电阻、电容、二极管、三极管、开关等元件。
本设计也可以使用单片机系统构建步进电机的控制及驱动电路。
自行设计所需电源。
要求完成的主要任务:(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)1、课程设计工作量:1周。
2、技术要求:①设计一个方波发生器提供系统时钟;②设计一个步进电机的驱动信号发生器,可以实现电机正转/反转控制和转速控制;③要求驱动器有足够的输出电流以驱动小功率4相步进电机;④要求可以实现步进电机的单相或双相激励;⑤确定设计方案,按功能模块的划分选择元、器件和集成电路,设计分电路,阐述基本原理。
⑥绘制总体电路原理图。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印,图纸应符合绘图规范。
时间安排:1、2012 年7 月1 日集中,作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、2012 年7 月 2 日,查阅相关资料,学习电路的工作原理。
3、2012 年7 月3 日至2012 年7 月5 日,方案选择和电路设计。
4、2012 年7 月6 日至2012 年7 月7 日,电路调试和设计说明书撰写。
5、2012 年7 月8 日上交课程设计成果及报告,同时进行答辩。
课设答疑地点:指导教师签名:年月日系主任(或责任教师)签名:年月日目录1 绪论 (1)2 工作原理及方案选择 (2)2.1 控制器的论证与选择 (2)2.2 驱动器的论证与选择 (3)2.3 系统总体方案 (3)3 电路设计及仿真 (3)3.1 步进电机 (3)3.1.1 步进电机构造 (4)3.1.2 步进电机工作原理 (4)3.1.3 步进电机主要参数 (5)3.2 主控制器部分 (6)3.3 驱动器部分 (7)3.4 键盘部分 (8)4 系统软件设计 (9)4.1 系统软件开发工具 (9)4.2系统流程图 (9)4.3 软件编程 (11)4.4 软件说明 (11)5 仿真记录 (11)6 完整电路原理图 (14)7 心得体会 (15)8 元件清单 (16)参考文献 (16)附录:源程序清单 (17)摘要步进电机能接受步进脉冲的控制一步一步地旋转,它是计算机应用项目中的主要执行元件之一,尤其在精确定位场合中得到了广泛的应用。
目录一、课程设计任务 (2)二、设计思路 (2)三、硬件原理图 (2)四、硬件连线 (2)五、单片机应用程序 (3)六、存在的问题和解决方法 (5)1、存在的问题 (5)2、解决方法 (6)3、设计总结与心得 (6)设计人:2015年6月25日一、课程设计任务利用DICE-5210K实验开发系统,编写步进电机控制软件实现:快速正转,设定步局距为80H,第5、6位从80H逐渐减小到0,转入快速反转,设定步局距为80H,第5、6位从80H逐渐减小到0,再转入快速正转,如此循环。
二、设计思路数码管显示各位内容为:显示位置 1 2 3 4 5 6显示内容0为正转1为反转0为快速1为慢速设定步距设定步距逐步减小1、检查P1.4是否为低电平来判断正反转,是则执行正转子程序,否则执行反转子程序。
2、步进电机一直是快速转动,第2位显示0一直不变。
利用延时子程序来设定它的快速慢速转,根据延时的长短来区别快速和慢速。
3、步局距一直是80H,设定它为80H不变。
4、不管正转还是反转都是从80H逐渐减小到0。
判断步局数是否为0,是0则转向下一个旋转循环,不为0则减1后显示在数码管上。
三、硬件原理图见A2图纸四、硬件连线1、确认KB1开关打在“一般模式”,KB2短路块插在MCS-51(1、2)位置上,SW1短路块插在“UP”位置。
SW3、SW4、SW5打在“ON”的位置。
2、在确认断电的情况下,取下DICE-5210K实验仪右上角锁紧插座上的AT89S52单片机芯片。
3、将40芯白色的扁平线上的IDC40插头与DICE-KEIL USB仿真器的IDC40插座插好,然后用随机配送的USB线将仿真器与PC机连接。
4、将40芯白色的扁平线另一头的40芯仿真头插在DICE-5210K实验仪右上角绿色锁紧插座上。
5、用双头线将P1.0~P1.3接至HA~HD。
五、单片机应用程序ORG 0000HLJMP STORG 0080HST: MOV P2,#0FFHMOV 7EH,#00HMOV 7DH,#01HMOV 7CH,#10HMOV 7BH,#10HMOV 7AH,#10HMOV 79H,#10H ;显示缓冲区赋初值MOV A,#43HMOV DPTR,#0FF20HMOVX @DPTR,A ;8155初始化,8155用于控制数码管和键盘 ;MOV R0,#59HMOV A,#7EH;MOVX @R0,AMOV DPTR,#2059HMOVX @DPTR,ADOJ0: MOV SP,#53HDOJ5: MOV R6,#80HMOV R7,#80HSHIT: MOV 78H,#20HMOV 7DH,#00HMOV 7EH,#00HMOV R3,#01HDOJ1: MOV P1,#03H ;顺时针转动子程序LCALL DEL0YLCALL GGJ0MOV P1,#06HLCALL DEL0YLCALL GGJ0MOV P1,#0CHLCALL DEL0YLCALL GGJ0MOV P1,#09HLCALL DEL0YLCALL GGJ0SJMP DOJ1SHIT2: MOV 78H,#20HMOV 7DH,#00HMOV 7EH,#01HMOV R3,#00HDOJ2: MOV P1,#09H ;逆时针转动子程序LCALL DEL0YLCALL GGJ0MOV P1,#0CHLCALL DEL0YLCALL GGJ0MOV P1,#06HLCALL DEL0YLCALL GGJ0MOV P1,#03HLCALL DEL0YLCALL GGJ0SJMP DOJ2;延时子程序DEL0Y: MOV A,7DH ;根据(7D)内容改变延时时间 SWAP AMOV R2,AMOV R5,#80HDEL1Y: DJNZ R5,DEL1YLCALL SSEEDJNZ R2,DEL1YRETGGJ0: CJNE R7,#00H,GGJ1 ;步距数为0停止CJNE R6,#00H,GGJ1 ;不为0,减1后显示AJMP DOJ4GGJ1: DJNZ R6,DOJ3DOJ4: LCALL DOJ7MOV R6,#80HCJNE R3,#00H,SHIT2LJMP SHITDOJ3: LCALL DOJ7RETDOJ7: MOV R0,#79HMOV A,R6LCALL PTDS5MOV A,R7LCALL PTDS5LCALL SSEE ;调用显示子程序RETPTDS5: MOV R1,A ;拆送数据子程序ACALL PTDS6MOV A,R1SWAP APTDS6: ANL A,#0FHMOV @R0,AINC R0RETSSEE: SETB RS1 ;换工作区MOV R5,#05HSSE2: MOV 30H,#20HMOV 31H,#7EHMOV R7,#06HSSE1: ;MOV R1,#21H ;字位MOV A,30HCPL A;MOVX @R1,AMOV DPTR,#0FF21HMOVX @DPTR,AMOV R0,31HMOV A,@R0MOV DPTR,#DDFFMOVC A,@A+DPTR ;取字形代码;MOV R1,#22H;MOVX @R1,A ;字形送入MOV DPTR,#0FF22HMOVX @DPTR,AMOV A,30HRR A ;右移MOV 30H,ADEC 31HMOV A,#0FFH;MOVX @R1,A ;关显示MOV DPTR,#0FF22HMOVX @DPTR,ADJNZ R7,SSE1 ;六位显示完了吗?DJNZ R5,SSE2 ;5次显示完了吗?CLR RS1RETDDFF: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90HDB 88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH,0CH,89H,0DEHEND六、存在的问题和解决方法1、存在的问题设计过程中出现了两个问题,一是第二位始终显示1即慢速而实验要求是显示0即快速。
课程设计任务书学生姓名:专业班级:通信XX班指导教师:工作单位:信息工程学院题目: 步进电机的控制及驱动电路设计初始条件:本设计既可以使用集成移位寄存器、驱动器、555定时器和必要的门电路,以及所需电阻、电容、二极管、三极管、开关等元件。
本设计也可以使用单片机系统构建步进电机的控制及驱动电路。
自行设计所需电源。
要求完成的主要任务:(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)1、课程设计工作量:1周。
2、技术要求:①设计一个方波发生器提供系统时钟;②设计一个步进电机的驱动信号发生器,可以实现电机正转/反转控制和转速控制;③要求驱动器有足够的输出电流以驱动小功率4相步进电机;④要求可以实现步进电机的单相或双相激励;⑤确定设计方案,按功能模块的划分选择元、器件和集成电路,设计分电路,阐述基本原理。
⑥绘制总体电路原理图。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印,图纸应符合绘图规范。
时间安排:1、2012 年7 月1 日集中,作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、2012 年7 月 2 日,查阅相关资料,学习电路的工作原理。
3、2012 年7 月3 日至2012 年7 月5 日,方案选择和电路设计。
4、2012 年7 月6 日至2012 年7 月7 日,电路调试和设计说明书撰写。
5、2012 年7 月8 日上交课程设计成果及报告,同时进行答辩。
课设答疑地点:指导教师签名:年月日系主任(或责任教师)签名:年月日目录1 绪论 (1)2 工作原理及方案选择 (2)2.1 控制器的论证与选择 (2)2.2 驱动器的论证与选择 (3)2.3 系统总体方案 (3)3 电路设计及仿真 (3)3.1 步进电机 (3)3.1.1 步进电机构造 (4)3.1.2 步进电机工作原理 (4)3.1.3 步进电机主要参数 (5)3.2 主控制器部分 (6)3.3 驱动器部分 (7)3.4 键盘部分 (8)4 系统软件设计 (9)4.1 系统软件开发工具 (9)4.2系统流程图 (9)4.3 软件编程 (11)4.4 软件说明 (11)5 仿真记录 (11)6 完整电路原理图 (14)7 心得体会 (15)8 元件清单 (16)参考文献 (16)附录:源程序清单 (17)摘要步进电机能接受步进脉冲的控制一步一步地旋转,它是计算机应用项目中的主要执行元件之一,尤其在精确定位场合中得到了广泛的应用。
本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计,用C语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序,通过单片机、电机的驱动芯片ULN2003以及相应的按键实现以上功能。
本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成,同时对软、硬件进行了调试,同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。
该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点,通过调试实现了上述功能。
关键词:步进电机、单片机、电机驱动Abstract1 绪论传统上由纯电路设计的步进电机控制和驱动电路一般较复杂,成本又高,而且一旦成型就难于修改,可移植性差,难以适应一些智能化要求较高的场合。
单片机的普及与应用,为步进电机的应用开辟了广阔的前景,使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现,将会避免复杂电路的设设计,既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性、可靠性及多功能性。
本文主要介绍了步进电机的基本原理及AT89C51单片机的性能特点。
设计主要研究了一种基于AT89C51单片机和ULN2003驱动芯片的步进电机控制及驱动电路系统。
该系统可分为:控制模块、驱动模块、人机交互模块四大部分。
其中采用AT89C51单片机作为控制模块的核心,利用单片机编程实现了对步进电机启动停止、正转反转、加速减速等功能的基本控制。
驱动模块由芯片ULN2003A驱动步进电机工作;人机互换部分由相应的按键实现相应的功能。
通过实际测试表明本设计系统的性能优于传统步进电机控制器,具有结构简单、可靠性高、实用性强、人机接口简单方便、性价比高等特点。
2 工作原理及方案选择根据实验要求,电路应包含电源,控制信号发生器(控制模块),步进电机,功率放大器(驱动模块),人机交互模块等。
设计框图如下:图12.1 控制器的论证与选择方案一:采用集成移位寄存器、驱动器、555定时器和必要的门电路,以及所需电阻、电容、二极管、三极管、开关等元件连接电路简单,这种设计功能主要由硬件实现,减少了软件设计,然而这样的系统可扩展性差,连线复杂。
方案二:采用FPGA控制方案。
FPGA内部具有独立的I/O接口和逻辑单元,使用灵活,适用性强,且相对单片机来说,还有速度快、外围电路较少和集成度高的特点,因此特别适用于复杂逻辑电路设计。
但是FPGA的成本偏高,算数运算能力不强,而且由于本设计对输出处理的速度要求不高,所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现。
方案三:采用Atmel公司的AT89S52单片机作为系统的控制器。
AT89S52有40个引脚、32个独立的I/O口、2个外部中断和3个定时器\计数器,虽然相对FPGA来说在功能和速度上有点差异,但单片机软件编程灵活,可用软件较简单地实现各种逻辑控制,并且由于成本低、体积小、技术成熟和功耗小等特点。
综上,由于单片机的优良特点,选择方案三。
2.2 驱动器的论证与选择驱动模块电路结构设计需要脉冲信号、信号分配、功率放大三部分组成。
控制模块产生一个脉冲序列和方向控制信号,使用脉冲分配器将脉冲序列分解形成四相正反相序,然后经功率放大驱动步进电机。
方案一:使用多个功率放大器件驱动电机,通过使用不同的放大电路和不同参数的器件,可以达到不同的放大的要求,放大后能够得到较大的功率。
但是由于使用的是四相的步进电机,就需要对四路信号分别进行放大,放大电路很难做到完全一致,当电机的功率较大时运行起来会不稳定,而且电路的制作也比较复杂,参数选择困难,且需要多级放大,同时又要考虑功率的放大。
方案二:采用高耐压、大电流复合晶体管IC—ULN2003作为步进电机的驱动,ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列,由七个硅NPN 复合晶体管组成。
ULN2003 工作电压高,工作电流大,灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V 的电压,输出还可以在高负载电流并行运行。
综上由于ULN2003具有良好的工作一致性,且连线简单,所以采用集方案二。
2.3 系统总体方案系统采用AT89S52单片机作为控制器,选用普通5V六线四相步进电机,以ULN2003作为驱动器,人机交互模块采用4个独立按键实现步进电机的起停、正反转、加速和减速。
3 电路设计及仿真3.1 步进电机3.1.1 步进电机构造步进电动机构造:由转子(转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承),定子(绕组、定子铁芯),前后端盖等组成。
最典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿,40个小齿,转子有50个小齿;三相电机的定子有9个大齿,45个小齿,转子有50个小齿。
图2 图33.1.2 步进电机工作原理步进电机工作原理:该设计中所用到的步进电机为四相六线步进电机,它是采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。
图4是该四相步进电机工作原理示意图。
图4开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍(单相激励)、双四拍(双向激励)与八拍工作(混合式激励)方式的电源通电时序与波形分别如图5中a、b、c所示。
图53.1.3 步进电机主要参数⑴步进电机的相数:是指电机内部的线圈组数,目前常用的有两相、三相、五相步进电机。
⑵拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态,用m表示,或指电机转过一个距角所需脉冲数。
⑶保持转矩:是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。
⑷步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移。
⑸定位转矩:电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩。
⑹失步:电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。
⑺失调角:转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的⑻误差,采用细分驱动是不能解决的。
⑼运行矩频特性:电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线。
3.2 主控制器部分图6上图为51单片机最小系统,包括AT89S52单片机,复位电路,振荡电路等。
3.3 驱动器部分驱动部分采用达林顿晶体管阵列ULN2003,作为步进电机的驱动器。
具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。
图7为其引脚图,图8为驱动器与步进电机的连线图。
驱动器以单片机P1口的四个IO 口作为驱动信号的输出。
图7图83.4 键盘部分图9图9为设计采用的独立键盘,接在单片机的P2口上,分别实现启动/停止,正转/反转,加速和减速功能。
这种键盘结构简单,连线方便,但是没有物理去抖动功能,需要实现软件消抖。
图10图10为键盘的中断产生装置,当有按键按下时,P2口的一个引脚产生低电平,四输入与门产生低电平信号,加到单片机的P3.2引脚产生中断,在中断中处理按键程序。
4 系统软件设计4.1 系统软件开发工具系统软件开发工具采用美国KEIL Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统Keil uVision3.Keil uVision3采用全Windows界面,具有很好的兼容性,使用接近于传统C语言的语法来开发,提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,与汇编语言相比,C语言在功能、结构性、可读性和可维护性上具有明显的优势,能大大提高工作效率和缩短项目开发周期。
Keil C51生成的目标代码效率非常高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解,并且还可以使用C语言与汇编语言混合编程,使程序达到接近于汇编的工作效率。
4.2系统流程图图114.3 软件编程见附录。
4.4 软件说明程序包含主函数,延时函数,按键扫描函数,电机驱动函数,电机采用双相激励方式,在电机驱动函数中,包含一个转向速度缓冲的功能模块,即当按下转向键后,步进电机先按原转动方向缓慢减速,然后向反方向缓慢加速到速度设定值,这样避免了在高速运动时直接转向会产生失步问题,并有可能造成电机的损坏。