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步进电机的单片机控制系统

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步进电机的单片机控制系统的设计
摘要: 采用8051 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。采用
的H - 桥驱动器使步进电机在开环状态下达到较高的变速转速,同时断电
相不产生负的转矩分量,其能量被输入到电源,即将接通的下一相中去,增
大了电流容量,提高了其工作的可靠性。
1 引言
本文主要研究基于8051 单片机的步进电机的驱动器,驱动采用H -
桥驱动电路,使步进电机可在智能化程序控制下完成正转、反转、加减
速及细分等各种操作。文中所设计的H - 桥驱动电路可使步进电机具有
更高的性能,同时把数字电路与驱动电路隔离开,避免了步进电机运行时
所产生的冲击电压和电流干扰单片机。
2 控制系统的硬件设计
步进电机的单片机控制系统硬件原理图如图1所示。

图1 步进电机的单片机控制系统硬件原理图
系统中采用并行控制,用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱
动线路。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。由
于篇幅有限,在此仅给出H - 桥驱动电路和DPA 转换接口电路的设计。

(1) H - 桥驱动电路的设计
H - 桥驱动电路如图2 所示。其主电路的功率三级管使用4 个
VMOS - FET 分为Q1 和Q4 及Q2和Q3 两组。其中,Q1 和Q3 为低电平导
通高电平关断;Q2 和Q4 为高电平导通, 低电平关断。采用LM339 比较
器作为电流检测元件,改变其输入参考电压,即可改变流过电机绕组的最
大电流。比较器用一个DPA 转换器来控制其参考电压,使其为一阶梯变
化的电压值,可以实现对步进电机的细分控制。

图2 H - 桥驱动电路
采用耦合变压器驱动VMOS 功率管Q1 和Q3 ,使其不存在静态导通
条件。同时用7406 反向器和74LS00 组成逻辑电路提供VMOS 功率管栅
极电压,其输出电压为10～15 V ,可以保证VMOS 功率管可靠截止和导
通。
当电机某相绕组通电时,输入控制脉冲使Q1和Q4 导通,Q2 和Q3 截
止,电流从电源经Q1 和Q4 ,右侧比较器以及电机绕组通过,当绕组电流达
到额定值时,右侧比较器发生翻转控制Q1 关断,而电流一下降,Q1 再次接
通。这种断续作用使相电流维持一个平均值。当电机绕组断开时,Q1 和
Q4 截止,Q2和Q3 接通,电流迅速从Q2 ,Q3 和左侧比较器自行调整关闭
功率管Q3 ,使电机绕组与高压电源断开,避免了绕组在电流衰减到零时再
接着反向充电。

(2)DPA 转换接口电路的设计
DPA 转换接口电路如图3 所示。图中用DAC0832 作为DPA 转换器
芯片,其输入为电流信号,可用UA741 集成运放将输出的电流信号转换成
电压信号。DAC0832 的寄存器选择信号CS及数据传送信号XFER 都与地
址线相连, 当地址线选择好DAC0832 后,只要输出WR控制信号,DAC0832
就能一步完成数字量的输入锁存和DPA 转换输出,并由UA741 集成运放
将电流转换为电压信号输出控制比较器的参考电压。

图3 四路单缓冲DPA 转换电路
3 控制系统的软件设计
在软件设计中仅给出系统的正、反转控制程序和系统加减速程序
流程,其他程序在此不再给出。
(1) 系统的正、反转控制程序
系统全部用软件来实现相序的分配,直接输出各相导通或截止的信
号。现以四相步进电机运行为例,用一个输出口的八位数据线来控制四
相混合式步进电动机,A、B、C、D 各相驱动线路的输入端分别用输出口
四位来控制,规定低电平有效,则四相八拍工作时可用表1 中的数据控
制。
表1 四相步进电动机运行控制数据表
　观察表1 ,要使步进电动机换相,只需对字节内容进行循环移位就可以
了,左移时电动机正转,右移时电动机反转。用8051 P1 口输出,在初始化
程序中对P1 装载表1 中的任一数据编程,则正转换相程序如下:
CW: MOV A , R0 ;将输入口状态送累加器
RL A ;左移循环移位
MOV P1 , A ;送回输出口
RET ;返回
使用上述软件方法时,一般是用8051 内存的一个位地址存储电动机运行
的方向标志。当执行程序时,首先判断方向标志,若为0 ,则调用正转子程
序;若为1 ,则调用反转子程序,从而实现方向控制。

(2) 系统加减速程序
用定时器中断方式来控制电动机变速时,实际上是不断改变定时器
装载值的大小。在控制过程中,采用离散办法来逼近理想的升降速曲
线。为了减少每步计算装载值的时间,系统设计时就把各离散点的速度
所需的装载值固化在系统的ROM中,系统在运行中用查表法查出所需的
装载值,这样可大幅度减少占用CPU 的时间,提高系统的响应速度。
系统加减速流程图如图4 所示。
图4 加减速控制流程图
4 结语
1. 本设计中介绍了步进电机接口电路,配合以单片机软件编程可
以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制,避免了失步、
振荡等对控制精度的影响;
2. 设计中用软件代替环形分配器,通过对单片机的设定,用同一
种电路实现了多相步进电机的控制和驱动,大大提高了接口电
路的灵活性和通用性;
3. 采用的H - 桥驱动器使步进电机在开环状态下可以达到较高
的变速转速,且断电时不产生负的转矩分量。

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单片机实验报告步进电机控制系统

单片机实验报告步进电机控制系统

信息科学与技术学院单片机及嵌入式课程设计设计题目：步进电机控制系统指导老师：林凡强姓名：学号：班级：二零一二年6月1. 实验要求：（1）正反转（2）调速（3）键盘输入（4）数码管显示2.设计要求：（1）、按下不同的键，分别使步进电机实现顺时针和逆时针旋转。

（2)、电机运转状态可以是正反转，加速减速，几种不同速度的组合。

3、设计目的：（1）学习基本电机系统程序编写等（2）掌握电机的控制方法等4、设计实验设备硬件：PC机一台自制单片机实验仪一套其他小工具等软件：Windows98/XP/2000系统，keil7.0集成开发环境5、程序：#include"reg51.h"#define uint unsigned int//#define delay_ms 5 //延时sbit W=P3^6;sbit R=P3^7;sbit SEND=P3^0;sbit CLOCK=P3^1;int delay_ms=30;sbit bu1=P1^4;sbit bu2=P1^5;sbit bu3=P1^6;sbit bu4=P1^7;uint flag=0;unsigned int table[]={0x03,0x9F,0x25,0x0D,0x99,0x49,0x41,0x1F,0x01,0x09,0xff}; uint h=0;void delay(uint n) //延时程序{uint i,j;for(i=0;i<100;i++)for(j=0;j<n;j++);}void zhengzhuan() //正转{bu1=~bu1;delay(delay_ms);bu1=~bu1;bu2=~bu2;delay(delay_ms);bu2=~bu2;bu3=~bu3;delay(delay_ms);bu3=~bu3;bu4=~bu4;delay(delay_ms);bu1=~bu1;}void fanzhuan() //反转{bu4=~bu4;delay(delay_ms);bu4=~bu4;bu3=~bu3;delay(delay_ms);bu3=~bu3;bu2=~bu2;delay(delay_ms);bu2=~bu2;bu1=~bu1;delay(delay_ms);bu1=~bu1;}void senddata(unsigned int dat) //发送数据程序{unsigned int i=0;for(;i<8;i++){CLOCK=0;SEND=dat>>i&1;;CLOCK=~CLOCK;}}uint saomiao() //键盘扫描程序{uint i,j,k1,k2=0x01,n;uint A[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};for(i=0;i<4;i++){k2=0x01;W=0;P2=0x60;P0=A[i];delay(1);W=1;P2=0xA0;W=0;// k1=P0&0x0f;// if(k1!=0x0f)// {for(j=0;j<4;j++){n=P0&0x0F;if(!(n&k2)){return(4*i+j);}k2<<=1;}// }}delay(100);return(10) ;}void main(){uint m,r;// W=0;// P2=0x60;// P0=0x00;// ;// W=1; //锁存P0口输出数据// P2=0xA0;// W=0;while(1){W=0;P2=0x60;P0=0xf0;W=1; //锁存P0口输出数据P2=0xA0;W=0;m=P0&0x0F;if(m!=0x0f){delay(50);m=P0&0x0f;if(m!=0x0f){// flag=!flag;// switch(flag)// {// case 0: zhengzhuan();// break;// case 1: fanzhuan();// break;// default : ;// }h=saomiao();senddata(table[h]);}}r=h;if(r==1){zhengzhuan();}if(r==2){fanzhuan();}if(r==5){delay_ms+=5;if(delay_ms>100)delay_ms=200;}if(r==4){delay_ms-=5;if(delay_ms<=5){delay_ms= 5;}}}}6、实验心得：20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移（或线位移）的电磁机械装置[1]。

单片机步进电动机控制系统设计

单片机步进电动机控制系统设计

前言单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。

它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。

从此，计算机技术在两个重要领域-—通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展，并正在深深地改变着我们的社会。

采用8031单片机控制步进电机，可实现步进电动机正反转控制和步进电动机的无级调速。

分析了步进电机的工作原理,讨论了系统硬件和软件的设计方法,并给出了步进电机的四相八拍单片机控制的具体实现方法。

该系统操作简单，降低了成本，提高了系统的可靠性。

步进电机具有控制方便和体积小等特点,因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用。

近年来大规模集成电路的发展以及各种单片机的迅速发展和普及,为设计功能强、价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源.步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，它的运行需要专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。

每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度,这个角度称为步距角。

脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通电顺序可以改变电机旋转的方向。

在数字控制系统中，它既可以用作驱动电动机，也可以用作伺服电动机.它在工业过程控制中得到广泛的应用，尤其在智能仪表和需要精确定位的场合应用更为广泛。

1 单片机的基本知识1。

1 概述单片微型计算机简称单片机，由于它的结构及功能均是按工业控制要求设计的,所以其确切的名称应是单片微控制器（Single Chip Microcontroller）.它是把微型机算计的各个功能部件：中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、并行I/O接口、定时器/计数器及串行通信接口等集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机系统,故又把它称为单片微型计算机系统（Single Chip Microcomputer）.由于单片机面对的是测控对象，突出的是控制功能，所以它从功能和形态上来说都是应控制领域应用的要求而诞生的.随着单片机技术的发展，它在芯片内集成了许多面对测控对象的接口电路，如ADC、DAC、高速I/O口、PWM、WDT等。

步进电机控制体系设计中的单片机应用

步进电机控制体系设计中的单片机应用

步进电机控制体系设计中的单片机应用步进电机控制体系是将步进电机与单片机相结合，通过单片机对步进电机进行控制，实现精确的步进运动控制。

本文将介绍步进电机控制体系的设计原理和单片机在其中的应用。

步进电机是一种通过控制电流方向和大小来控制转子位置的电机。

它由定子、转子、定子线圈和转子磁极组成。

步进电机的转子转动是以固定的角度步进运动的，每次步进的角度称为步距角。

步进电机控制体系的设计原理是通过对步进电机的线圈施加适当的电流和电压来控制电机的角度运动。

这里的关键是根据电机的转动和停止的需求，控制电机的相序和电流的大小。

1. 相序控制：单片机可以通过控制输出引脚的状态来改变电机的相序。

通过改变相序，可以实现电机的顺时针和逆时针转动，并控制电机的步距角。

2. 电流控制：单片机可以控制电机线圈上的电流大小。

通过改变电流大小，可以控制电机的转动速度和转矩。

电机需要的电流大小是根据电机和负载的特性来确定的。

3. 位置反馈：单片机可以通过读取位置传感器的信号来获取电机的当前位置。

位置传感器可以是光电编码器、霍尔传感器等。

通过位置反馈，可以实现对电机位置的闭环控制。

4. 运动规划：单片机可以实现对电机运动的规划和控制。

通过算法和编程，可以实现电机的加速、减速、匀速等运动模式。

这样可以实现电机的平稳转动和精确控制。

步进电机控制体系的设计需要考虑电机的特性、负载特性、控制要求等因素。

在选择单片机时，需要考虑单片机的计算能力、IO口数量和功耗等因素。

还需要考虑算法的实现和软件的开发等方面。

单片机在步进电机控制体系设计中发挥着重要的作用。

通过控制电机的相序、电流大小和位置反馈等功能，可以实现对步进电机的高精度控制。

这为步进电机在自动化控制、机器人和CNC等应用领域的广泛应用提供了技术支持。

基于单片机的三座标——步进电机控制系统方案详解

基于单片机的三座标——步进电机控制系统方案详解


E6B2-CWZ6C内部结构图
E6B2-CWZ6C的输出方式为NPN集电极开路输出方式， 共有红、白、橙三路转速信号输出，本设计中只采用其一 路测速信号输入到单片机的外部中断口或T1计数器外部脉 冲输入端进行转速检测。
2.6 限位反馈实现
限位开关工作原理是，当三维平台没有接近限位 开关时，限位开关输出为高电平；当三维平台接近限 位开关时，限位开关输出为低电平；利用单片机I/O口 去捕获限位开关输出电平，当限位开关输出为低电平 时，控制电机方向信号，使电机反转。本设计中限位 开关是采用LJ8A3-1-Z型。实物如下图：
2.5 测速模块的设计与实现
本设计采用E6B2-CWZ6C光电编码器对三轴步进电机 的转速进行实时检测，并反馈到单片机中用作转速的实 时显示。E6B2-CWZ6C光电编码器有以下特点： 1.对应电源电压DC 5～24V； 2.外径40具备2000P/R的分辨率； 3.具备使Z相对简单化的原点位置显示功能； 4.实现轴负重、径向30N、推力向20N； 5.附有逆接、负荷短路保护回路，改善了可靠性。
J1 VCC 1 2 3 4 5 6 VM GND OUTIA OUT2A OUT1B OUT2B
R15 R13 270 1 2 P521 D2 IN5819 C7 100UF/50V R16 1K FRE FRER14 270 1 2 P521 U4 4 3 EN C6 104 R18 3K6 1K U3 4 3 CWW C5 471 VM 3 U5 LM317 Vin ADJ +Vout 2 R17 1K2 C8 220UF/50V D1 VCC
主控制器原理图
VCC 0 9 U1 P1 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 Y1 12M P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 9 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/-INT0 P3.3/-INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/-WR P3.7/-RD XTAL2 XTAL1 RST/Vpd AT89S52 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 -PSEN ALE/-PROG -EA/Vpp VCC 39 38 37 36 35 34 33 32 28 27 26 25 24 23 22 21 29 30 31 R11 10k VCC L1 L2 L3 L4 H1 H2 H3 H4 P2A7 P2A6 P2A5 P2A4 P2A3 P2A2 P2A1 P2A0 H4 8 7 6 5 4 3 2 1 L1 L2 L3 L4 H1 H2 H3 H4 4 H3 8 H2 C H1 P2B7 P2B6 P2B5 P2B4 P2B3 P2B2 P2B1 P2B0 3 LEDA H 5 G 10 F 1 E 2 D 4 C 7 B 11 A P2B7 P2B6 P2B5 P2B4 P2B3 P2B2 P2B1 P2B0 3 LEDB H 5 G 10 F 1 E 2 D 4 C 7 B 11 A D E F 9 A B 5 6 7