武汉理工大学-三相步进电机控制系统的设计

武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书1课程设计任务书学生姓名：张三专业班级：自动化11指导教师：工作单位：自动化学院题目:三相步进电机控制系统的设计初始条件：设计三相步进电机控制系统，要求系统具有如下功能：用K0-K2做为通电方式选择键，K0为三相单三拍，K1为三相双三拍，K2为三相六拍；K3为启动/停止控制、K4方向控制、K5加速、K6减速；用4位LED显示工作步数。用3个发光二极管显示状态：正转时黄灯亮，反转时绿灯亮，不转时红灯亮。要求完成的主要任务:1．硬件设计：系统总原理图2．软件设计：系统总体流程图、步进电机单三拍，双三拍，三相六拍各模块流程图、显示模块流程图等3．编写程序：能够完成上述任务并用仿真软件演示4．完成符合要求的设计说明书时间安排：2015年5月20日~2015年6月1日指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书2摘要这次设计是基于单片机来设计三相步进电机系统。80c51单片机作为主控芯片，利用ULN2003A集成电路，采用单极性驱动方式，加入74HC573使步进电机完成步进电机三相单三拍，三相双三拍，三相六拍；启动/停止控制、方向控制；速度控制（加速和减速两档）；用4位LED数码管显示工作步数。用3个发光二极管显示状态：正转时黄灯亮，反转时绿灯亮，不转时红灯亮。电路构造较为简单，设计思路清晰，利用KEIL进行软件编写与仿真，利用Proteus进行电路的设计与仿真，仿真结果符合任务提出的要求。关键字：步进电机、单片机、单极性驱动，控制武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书3目录1设计任务及要求....................................................51.1设计任务......................................................51.2任务分析......................................................62方案比较及选择....................................................62.1电机驱动选择方案..............................................62.2LED显示选择方案..............................................62.3按键状态的读取...............................................63系统实现的原理....................................................73.1步进电机控制工作原理..........................................73.1.1步进电机的启停控制........................................73.1.2步进电机的工作原理.........................................73.1.3步进电机的转向控制.........................................73.1.4步进电机的启停控制.........................................83.1.5步进电机的速度控制.........................................83.2系统设计思路..................................................83.3系统的整体框图................................................94系统的硬件设计...................................................104.1总体设计.....................................................114.2步进电机控制电路.............................................124.2.1启/停控制、正/反转控制、工作模式控制电路分析..............134.2.2步进电机控制电路..........................................114.3显示电路.....................................................124.3.1发光二极管显示电路........................................124.3.2八段数码管显示电路........................................125系统软件设计.....................................................13武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书45.1总体设计.....................................................135.1.2系统总体流程图...........................................155.2关键模块设计.................................................175.2.1.三相步进电机模块设计....................................175.2.2显示模块设计..............................................185.5.2步进电机调速模块流程图....................................196系统仿真.........................................................207小结及体会.......................................................22参考文献...........................................................23附录...............................................................24武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书5三相步进电机控制系统的设计1设计任务及要求1.1设计任务设计一个三相步进电机控制系统，要求系统具有如下功能：用K0-K2做为通电方式选择键，K0为三相单三拍，K1为三相双三拍，K2为三相六拍；K3为启动/停止控制、K4方向控制；K5加速控制，K6减速控制；用4位LED数码管显示工作步数。用3个发光二极管显示状态：正转时黄灯亮，反转时绿灯亮，不转时红灯亮。硬件设计：系统总原理图。软件设计：系统总体流程图、步进电机单三拍，双三拍，三相六拍各模块流程图、显示模块流程图等。编写程序，能够完成上述任务。1.2任务分析设计要求设计一个三相步进电机控制系统，分析可以得出它的几个基本功能：1.三相步进电机控制系统能够以三相单三拍，三相双三拍，三相六拍的方式运行，因此要输出相应的控制字进行控制；2.三相步进电机控制系统能实现正反转和调速控制，能够改变电机运行的方向和速率；3.三相步进电机控制系统有显示功能，可以采用共阳极的LED数码管对步数进行显示。武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书62方案选择2.1电机驱动选择方案方案：使用专门的电机驱动芯片ULN2004A来驱动电机运行。其优点是便于电路的集成，且驱动简单，驱动信号稳定，不受外部干扰。2.2LED显示选择方案方案：通过软件把所要的数据转化为七段显示的数据，通过单片机接口接上具有放大功能的芯片输出到LED显示，这样比较直观。2.3按键状态的读取方案：不使用中断，直接把开关分别接在单片机的接口上，通过查询端口信号来动作。其优点是程序得到简化，可读性加强各个部分的选择都综合了成本及实现的难易度，使实现并不是很难而且具有节省材料作用。武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书73系统实现的原理3.1步进电机控制工作原理3.1.1步进电机的启停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感,即振动感。为了使电机转动平滑,减小振动,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机的转轴不能自由转动。3.1.2步进电机的工作原理图1步进电机三相接线图如图1所示，U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。3.1.3步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍,即A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通电换相,即则电机就反转。武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书8其他方式情况类似。3.1.5步进电机的速度控制步进电动机运转的速度是由输入到A、B、C三相绕组的频率所决定的。给的脉冲的频率越高，电动机运转的速度越快，否则，速度就越慢。因而通过延时程序可以控制输出脉冲的频率，就可以实现对步进电机速度的控制。3.2系统设计思路此次我所设计的是一个步进电机控制系统，主要由单片机80C51，3相步进电机，7段数码管，74HC573及一些其他相关元件设计而成。有红黄绿三个指示灯，通过单刀双掷开关来控制系统的启/停工作，当开关处于不同状态有不同指示灯亮起。当系统开始运转时，用单刀双掷开关来控制方向，并使相应的指示灯亮起，同样由单刀双掷开关来选择工作模式。运转时，用4位7段数码管来输出步数，同时可以通过数码管看出电机的运转速度。最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。3.3系统的整体框图下图为系统总体设计方框图，单片机AT89C51，ULN2003A驱动芯片，三相步进电机，74HC573，7段LED数码管等一些电路模块组成。武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书9图2系统的整体框图80c51单片机整体控制LED显示模块开关选择电机工作模式LED显示灯显示电机工作状态三相步进电机模块武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书104系统的硬件设计4.1总体设计设计一个单片机三相步进电机控制系统要求系统具有如下功能：(1)用K0-K2做为通电方式选择键，K0为单三拍，K1为双三拍，K2为三相六拍；(2)K3、K4分别为启动和方向控制；(3)K5和K6控制加速和减速。(4)正转时黄色指示灯亮，反转时绿色指示灯亮，不转时红色指示灯亮；(5)用4位LED显示工作步数。根据设计要求用PROTEUS所做的硬件连线图如下图1：图1总体硬件连线武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书114.2步进电机控制电路4.2.1启/停控制、正/反转控制、工作模式控制电路分析原理图如下：图2按键控制图（1）K3为启/停控制开关，控制整个系统的开启和关闭。（2）K4为正/反转控制开关，控制步进电机的转向。（3）K0-K3为工作模式控制开关，KO接电时，为步进电机单三拍工作模式；K1接电时，为步进电机双三拍工作模式；K2接电时，步进电机工作模式为三相六拍，K5加速，K6减速。4.2.2步进电机控制电路将80c51的P1.0-P1.3作为步进电机的输出控制口。原理图如下：武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书12图4步进电机的输出控制口4.3显示电路