基于單片機實現(xiàn)的四相步進電機控制器設(shè)計.doc

四相步進電機控制器第1頁共52頁基于單片機實現(xiàn)的四相步進電機控制器設(shè)計指導(dǎo)老師：王彥作者：摘要：本設(shè)計采用ATMEL公司DIP-40封裝的AT89S52單片機實現(xiàn)對四相步進電機的手動和遙控控制。由單片機產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過脈沖分配后分解出對應(yīng)的四相脈沖，分解出的四相脈沖經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和狀態(tài)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(jù)反饋信息做出相應(yīng)的判斷并改變輸出脈沖的頻率或轉(zhuǎn)動狀態(tài)信號。電機轉(zhuǎn)動的不同狀態(tài)由LED數(shù)碼管顯示。紅外信號的發(fā)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(xiàn)對電機的控制進行紅外遙控。關(guān)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(tǒng)設(shè)計.31.1功能介紹.31.2總體設(shè)計方案.31.2.1總體設(shè)計思路.31.2.2方案論證與比較.31.3電機的參數(shù).71.4系統(tǒng)組成.72.單元電路設(shè)計.82.1功率放大驅(qū)動電路方案設(shè)計.82.2顯示電路方案設(shè)計.92.3單片機電源電路設(shè)計.92.4紅外發(fā)射電路設(shè)計.103.軟件設(shè)計.103.1編程語言.103.2軟件實現(xiàn)方法.103.2.1雙四拍正轉(zhuǎn).113.2.2雙四拍反轉(zhuǎn).113.2.3單雙八拍正轉(zhuǎn).113.2.4單雙B八拍反轉(zhuǎn).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(jié)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(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進電動機卻是一步一步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?yōu)榻嵌任灰疲ɑ蛑本€位移）的執(zhí)行元件。它有兩個工作：其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進電動機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xù)的，所以又稱為脈沖電動機。隨著數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展，步進電動機的應(yīng)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(yīng)式、永磁式和感應(yīng)子式；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。這里使用的是反應(yīng)式四相步進電機，它的工作方式有單四拍正轉(zhuǎn)，單四拍反轉(zhuǎn)，雙四拍正轉(zhuǎn)，雙四拍反轉(zhuǎn)，單雙八拍正轉(zhuǎn)，單雙八拍反轉(zhuǎn)六種。針對這些狀態(tài)，設(shè)計的控制器能很好地實現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)速的改變。1.系統(tǒng)設(shè)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?qū)崿F(xiàn)步進電機單步和連續(xù)運行。（3）能實現(xiàn)步進電機正反轉(zhuǎn)及速度變換。（4）顯示工作狀態(tài)二、擴展功能紅外線遙控實現(xiàn)電機的各種狀態(tài)之間的啟動和轉(zhuǎn)換1.2總體設(shè)計方案1.2.1總體設(shè)計思路用于控制的電機是MITSUMI公司生產(chǎn)的M35SP-7T型四相反應(yīng)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(fā)射紅外遙控信號。1.2.2方案論證與比較1.控制部分的設(shè)計方案論證與選擇方案一、用邏輯電路實現(xiàn)。用NE555定時器芯片產(chǎn)生脈沖，用74HC74組成的電路實現(xiàn)脈沖的分配。用組合和時序電路實現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)。整個電路要用到的分立元件太多，電路聯(lián)接復(fù)雜，而且抗干擾能力不強，穩(wěn)定性和精確度不高。方案二、用單片機實現(xiàn)。由于單片機集成了運算器電路、控制電路、存儲器、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器以及輸入/輸出口電路等，所以用單片機設(shè)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(chǎn)生及分配，頻率的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速及狀態(tài)的改變都可以由單片機實現(xiàn)，不必再分別用分立元器件實現(xiàn)。由于單片機的可編程特性，應(yīng)用單片機程序?qū)λ南嗖竭M電機進行控制，不僅功能易于實現(xiàn)，而且精確度高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。方案三、用FPGA實現(xiàn)。眾所周知，F(xiàn)PGA做控制核心，外圍電路簡單，整體性能好，有更好的穩(wěn)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(shè)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(xiàn)主要控制，按鍵進行選擇。2.功率驅(qū)動電路的設(shè)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(qū)動步進電機。為了給步進電機提供足夠的電流，必須設(shè)計驅(qū)動電路。考慮到本次驅(qū)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(shè)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(yīng)，還必須為放大電路設(shè)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(dāng)繞組通電時，二極管承受反向電壓，不導(dǎo)通。當(dāng)三極管轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範顟B(tài)或是繞組斷電時，繞組將產(chǎn)生一個與原來承受的電壓極性相反的感應(yīng)電勢，使二極管導(dǎo)通，形成繞組L和二極管構(gòu)成的回路。假設(shè)繞組電阻為R，則回路中電流的衰減時間常數(shù)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(lián)的電阻RS，當(dāng)繞組斷電時泄放回路的時間常數(shù)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(shù)。但由于RS的存在