三相单三拍步进电机控制系统设计

中北大学课程设计任务书2012/2013学年第一学期学院：信息与通信工程学院专业：自动化学生姓名：学号：09050542 课程设计题目：三相单三拍步进电机控制系统设计起迄日期: 2013年1 月7日~2013年1 月18日课程设计地点:中北大学指导教师:张艳兵张秀艳系主任:王忠庆下达任务书日期: 2013 年 1 月 7日课程设计任务书课程设计任务书4．主要参考文献：1.张艳兵，王忠庆.计算机控制技术.北京：国防工业出版社，2006.85.设计成果形式及要求：课程设计说明书1份原理图和PCB图各1份程序清单1份6．工作计划及进度：起迄日期工作内容2013年1月 07日~ 1月08日 1月O9日~ 1月11日 1月12日~ 1月14日 1月15日~ 1月16日1月17日~ 1月18日查阅资料，确定设计方案设计硬件电路画出流程图，编写控制程序撰写课程设计说明书课程设计答辩系主任审查意见：签字：年月日一、步进电机的原理步进电动机作为执行元件，是机电一体化的关键产品，广泛的应用于，各种自动化控制系统中。

进步电机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移（或线性位移）的电磁装置，是一种特殊的电动机。

步进电动机由于精确性以及其良好的性能，其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。

三相反应式步进电机的结构如图所示。

与其他电机一样，进步电机由定子和转子两大部分组成。

定子上共有6个等分的磁极，这些磁极平均分布于定子的圆周上，相对的磁极为一组，共有三组（A组、B组、C组），每个磁极有一个齿，所以三项进步电机上有3对磁极共6个齿。

三相进步电机工作原理示意图当电机运行时，首先给A相施加一定宽度的脉冲电压，B相、C相均不通电，这时，A相磁极和转子的1、3号齿对齐，同时转子的2、4号齿和B、C相磁极形成错齿状态。

在下一时刻，将A相断电，C相保持不通电状态，同时在B相施加与前一时刻A相脉冲电压宽度相同的电压。

这时由于B相绕组和转子的2、4号齿之间的磁力线作用,使转子的2、4号齿和B组磁极对齐，则转子的1、3号齿和A、C相绕组磁极形成错齿状态，电机转子旋转过一个角度。

随之将B相断电，A相保持前一时刻的不通电状态，C相加脉冲，由于C相转子和绕组的1、3号齿之间的磁力线作用，使转子的1、3号齿和C相磁极对齐，则转子的2、4号齿和A、B相绕组形成错齿状态，电机转子又转过过一个角度。

在将C相断电，B相保持断电状态，A相加脉冲，又回到前两个状态，这时转子移动了一个齿距角。

如此往复，就可以使电机不停地转动。

进步电机每改变一次通电方式，称为一拍。

每一拍执行一次步进，转子旋转过的角度就称为步距角。

对进步电机的各相绕组轮流通电一次称为一个周期。

每个周期，转子转动一个齿距的位置，所旋转角度称为齿距角。

在一个通电周期内，该三相进步电机旋转过一个齿距角，需要三拍。

其转子有四个齿，旋转一周，需要4个通电周期，所以齿距角为90度，步距角为30度。

如果进步电机转子齿数为Z r，其齿距角 r就可以表示为：ZZrOrr 3602==πθ进步电机的转子一个齿距角需要N 拍，每拍旋转过的角度，即步距角θ就可以表示成为：NZNZrOr3602==πθ二、进步电机三相单三拍的工作方式通过改变进步电机的通电相序，就可以改变进步电机的转向。

在三相单三拍的工作方式中，每次只有一相绕组通电。

进步电机正向转动时，其通电相序为A-B-C-A ，不断循环下去，进步电机就会一直正转，各相通电电压波形如图。

进步电机反向转动时，其通电相序是C-B-A-C ，不断循环下去，进步电机就会一直反转下去。

三相单三拍进步电机正转时各相通电的电压波形三、进步电机程序控制原理典型进步电机控制原理框图如图所示。

进步电机控制系统主要由脉冲产生电路、控制电路、环形分脉冲分配器，功率放大器及进步电机组成。

典型的进步电机控制系统原理框图计算机控制系统，通过程序控制进步电机，用软件产生控制脉冲，代替环形脉冲分配器，用一个并行输入/输出接口芯片，就可组成进步电机通用接口电路。

根据实际要求，通过控制程序，可对进步电机的转速、旋转角度、转动次数以及旋转方向进行控制、并且不需要修改硬件电路，就可以改变进步电机的工作方式。

用计算机控制进步电机，大大简化了控制电路，提高了系统的灵活和可靠性。

典型进步电机程序控制系统原理图如下。

典型进步电机程序控制系统原理图框图计算机的作用就是产生串行的走步脉冲序列，并行方向控制。

接口芯片可选择并行接口芯片8255A，进步电机每接收到一个脉冲信号，便按照脉冲所确定的通电相序，控制进步电机在确定方向上前进一步。

只要知道进步电机的初始位置和最终位置，能计算出进步电机的步距角，就能确定进步电机的步距角，就能确定进步电机的转向和转动步数。

用计算机控制进步电机，关键是编写控制程序，控制程序包含以下内容。

1.可编程接口芯片的初始化程序计算机控制的进步电机控制系统中，接口电路可选可编程并行接口芯片8255，用8255PA口的PA0、PA1、PA2分别接三相进步电机的A、B、C三相绕组。

当PA0输出高电平时，A相绕组通电；当PA0输出低电平时，A相绕组断电。

同样可用PA1、PA2控制三相进步电机的B相和C相绕组。

控制接口示意图如图所示。

步进电机控制接口示意图8255作为控制接口，需要进行初始化，以确定每个数据接口的数据流向及共做方式。

假设8255接口芯片的地址范围是284H~287H，用PA口PA0、PA1、PA2分别控制三相进步电机的A、B、C三相绕组，PA口就应该作为数据输出口用，PB口和PC口作为数据输入口，3个数据口的工作方式，都为方式0，其初始化的程序为：MOV DX,287HMOV AL,8BHOUT DX,AL;2.串行走步脉冲序列的产生进步电机的控制程序必须产生一个周期性的串行走步脉冲序列，通过接口芯片的输出，来控制进步电机的各相绕组。

软件产生脉冲序列的方法是先输出高电平，延时一段时间，再输出低电平，再延时，一直循环下去，接口芯片的某一输出引脚就会不断输出控制脉冲信号。

延时时间的长短取决于进步电机的工作平率。

例如8255的地址范围和数据口的工作方式同上，要使三相进步电机工作于单三拍工作方式，正转时产生正转波形，其程序如下START:MOV DX,284HMOV AL,01HOUT DX,ALCALL DELAYMOV AL,02HOUT DX,ALCALL DELAYMOV AL,04HOUT DX,ALCALL DELLYJMP START程序执行后，就会从8255的PA0、PA1、PA2输出所需要的脉冲，控制进步电机正转。

3.进步电机的转向的转向控制如前所述，要改变进步电机的转动方向，只要改变各相序的通电顺序即可。

程序控制系统中，按照顺序送出通电状态，就可控制进步电机转动。

在程序中改变通电状态的顺序，就可以改变进步电机的转动方向。

三相单三拍进步电机的工作方式如下。

转；通电控制字按相反顺序依次从PA 口输出，进步电机就反转。

4. 进步电机转动步数的控制如果已知进步电机的初始位置为α（rad ）,最终位置为β（rad ），步距角为θ（rad ）/步，则步进电机到达指定位置，需要走的步数n 为： θαβ-n =。

进步电机每拍执行一次步进，转子旋转一个步距角，称为步进电机走了一步。

计算出进步电机需要走的步数，就可通过软件计数，判断出步进电机所需要的步数是否送出。

如果送出，各相绕组断电，步进电机到达指定位置，如果未送出，就接着循环，继续送出控制脉冲。

1.计算步进电机步距角θ304x 3360360o2====OrO rNZNZπθ2.计算步进电机正转反转步数 正转步数 n=180/30=6 反转步数 n=120/30=4四、设计电路1.接口电路本设计单片机最小系统采用单片机的型号为AT89C51，结构包括CPU、存储器、并行接口、串行接口、两个定时/计数器T0和TI、两个外部中断INT0和INT1和中断系统，外接晶振频率为12MHZ2.按键电路按键S0——加速；按键S1——减速；按键S2——启动；3.驱动电路4.显示电路5.显示电机正反转五、Protel绘制原理图及PCB图1.原理图如下:2.PCB图如下：六、系统流程图及软件设计1.流程图2.软件设计//----库函数声明，管脚定义----------#include <reg52.h>#define uchar unsigned charsbit jia_key=P0^2; //电机加速I/O口定义sbit jian_key=P0^3; //电机减速I/O口定义bit flag=0; //电机正反转标志位int stop = 0;unsigned char PA_data=0;tab1[2]={0;0;0};uchar num=0,maichong=4,table_begin=0;uchar code table[]={0x01,0x02,0x04,0x04,0x02,0x01};void delay(uchar i) //延时函数{uchar j,k;for(j=i;j>0;j--)for(k=125;k>0;k--);}void key () //按键检测处理函数{if(jia_key==0){delay(5); //加速键按下，消抖if(jia_key==0){num++; //速度标示加1if(num==4)num=3; //达到最大3则保持while(jia_key==0); //等待松开按键 }}if(jian_key==0){delay(5); //减速键按下if(jian_key==0){if(num!=0)num--; //速度标示减1elsenum=0; //达到最小0则保持while(jian_key==0);}}if(stop_key==0){delay(5);if(stop_key==0){stop=1;while(stop_key==0);}}}table_begin=0; //flag为0，正转p1.0=0; //正转发光二级管亮p1.1=1;}elsetable_begin=3; //flag为1，反转p1.0=1; //反转发光二级管亮p1.1=0;}void qudong() //电机速度，和正反转控制{uchar i,j;if(stop==0){for(j=0;j<150;j++){P2=table1[j/3]; //读取控制电机转动I/O口表 PA_data=1.2*j;for(i=0;i<maichong;i++){delay(5);}}for(j=0;j<100;j++){P2=table[j/3];PA_data=1.2*j;for(j=0;j<maichong;j++){delay(5);}}}else P1=0x00;}//用P1^7控制CLR//--------串口初始化函数UART_init()--------------// 函数名称：UART_init()// 功能说明：串口初始化，设定串口工作在方式0//--------------------------------------void UART_init(void){SCON =0x00;//没串行口方式0，允许发送，启动发送过程ES=0;// 禁止串口中断}//-------数据发送函数PA_out()----------// 函数名称：PA_out()// 输入参数：PA_data，需要从74LS164并行口输出的数据// 输出参数：无// 功能说明：发送八位串行数据至并口//---------------------------------void PA_out(unsigned char tab1[]){CLR=0;//并口输出清零CLR=1;//开始串行移位UART_init();//74LS165工作在时钟控制下的串行移位状态while(TI==0);//循环等待TI=0;for(r=0;r<3;r++){SBUF=tab1[r];dely(20);}}void main(){while(1){key();dispose();qudong();delay(20);UART_init;PA_out;}}八、心得体会在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。