基于单片机的三相步进电机控制系统设计

电气与电子工程学院

单片机原理及应用课程设计报告课题名称

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2016年06月20日至06月24日

目录

摘要 (3)

1设计任务 (4)

2方案 (6)

2.1 设计思路与方案 (6)

2.2总体设计框图 (6)

3系统实现的原理说明 (7)

3.1 步进电机控制工作原理 (7)

3.1.1步进电机的工作原理 (7)

3.1.2 步进电机的启停控制 (7)

3.1.3 步进电机的转向控制 (9)

3.2步数显示模块原理 (10)

4硬件设计 (11)

4.1系统总原理图 (11)

4.2各部分硬件原理图设计 (11)

4.2.1 单片机控制模块 (11)

4.2.2按键选择工作状态模块 (12)

4.2.3步进电机工作模块 (13)

4.2.4工作状态显示模块 (14)

4.2.5 4位数码管显示步数模块 (14)

5软件设计 (15)

5.1系统总体设计 (15)

5.2步进电机工作模块 (17)

5.2.1步进电机的工作方式说明 (17)

5.2.2设计说明及流程图 (18)

5.3数码管步数显示模块 (19)

6仿真调试记录 (21)

7心得体会 (22)

参考文献 (22)

附录：程序清单 (23)

摘要

本设计详细介绍了基于单片机的三相步进电机控制系统。步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，因此，单片机通过向步进电机发送控制信号就能实现对步进电机的控制。

单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，该系统采用80C51单片机作为主控芯片，来完成对步进电机转动及LED显示的控制。

本设计主要由单片机80C51，3相步进电机，7段数码管，及一些其他相关元件设计而成，分为按键选择工作状态模块、步进电机工作模块、LED二极管显示工作状态模块以及4位数码管显示步数模块。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。运转时，用4位7段数码管来输出步数。最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。

电路结构简单，设计思路清晰，同时利用Proteus进行联调仿真，结果比较直观。仿真结果收到了预期的效果。

关键字：三相步进电机、单片机、PROTEUS仿真

1设计任务

（一）设计三相反应式步进电动机脉冲分配器，接收脉冲输入，要求三相单三拍、三相六拍运行方式控制（电平），正反转控制（电平）。

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；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：正转时红灯亮，反转时黄灯亮，不转时绿灯亮；

（二）任务分析

步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器，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。由于受脉冲的控制,其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比。

三相反应式步进电动机结构如图1.8所示。电机定子有六个磁极，相对的磁极为同一绕组励磁，整个电机有三个绕组，按Y形接法接线。转自为软磁材料，无绕组。若绕组通电顺序为Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-…，则电动机逆时针转动；若绕组通电顺序为Ⅰ-Ⅲ-Ⅱ-Ⅰ-Ⅲ-Ⅱ-…，则电动机顺时针转动。此种控制方式称为三相单三拍方式。若通电顺序为Ⅰ-ⅠⅡ-Ⅱ-ⅡⅢ-Ⅲ-ⅢⅠ-…（逆时针），称为三相六拍方式。

步进电机控制装置发出运行方式、旋转方向和旋转角度（步数），前两项一般由电平表示，后一项用脉冲个数表示。脉冲分配器根据步进电机控制装置发来的命令（电平信号和

脉冲）使步进电机按照要求的工作方式、旋转方向及步数旋转。步进电机磁极的旋转有速率限制，如果过快，电动机会出现失步现象（转自跟不上磁极的旋转），特别是在电动机的起停阶段，要求有脉冲速率限制措施。

（三）系统硬件原理图

（四）系统软件设计

为防止输入脉冲频率过快导致电动机失步，可将输入脉冲在单片机缓存，之后在进行脉冲分配，分配时注意脉冲速率。脉冲输入模块在每个输入脉冲到来时，将缓存单元进行加1计数；脉冲分配模块时刻扫描缓存单元，当缓存单元不为零时，使步进电机旋转一步，之后缓存单元减1，减到0时停止分配脉冲。为使三相电平同时变化，程序中应予以考虑。非同步分配脉冲可能导致电机错转。

为使电动机以最快速度运行，脉冲分配速率应按照梯形曲线分配，如图1.10所示。图示的含义是：开始时（零转速）脉冲分配要慢，当电动机旋转起来后，脉冲速率逐渐加快，并达到最高速率；当要停止时，也不可马上停止，必须先降低脉冲速率，最后降到零，电动机停转。

图1.10 脉冲速率分配

单片机方向控制脉冲输入方式控制功率放大12V

时间图1.9 硬件原理框图

2方案

2.1 设计思路与方案

本次设计是一个对于三相步进电机的控制系统，而单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，此系统选用51单片机即可。

根据要求整个设计大体可分为四块：

一是5个按键K0~K4将用户所需来选择步进电机的工作状态。我们将开关连入单片机的P1口，通过按键开关的高低电平状态来读入我们所需的控制信号。硬件上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，将控制信号处理。在设计开关部分时，还考虑到机械抖动的影响，采取硬件方式—并联电容来去抖。

二是3个LED发光二极管的显示步进电机工作状态模块。在设计要求中步进电机正转是红灯亮，反转是黄灯亮，停止不转是绿灯亮。设计中将3个发光二极管分别接到单片机P3口，受到单片机的输出信号控制。

三是步进电机的工作模块。要想步进电机按照我们想要的方式运转，将步进电机一端接到+12V的电源，一端接到单片机P3口，受单片机的输出信号控制。

四是4位数码管显示步数的模块。设计中主要是利用软件编程的算法来实现步数的累计和显示，同样，4位数码管接到单片机的P0口和P2口受单片机输出信号的控制，在硬件上使用的是动态显示的接法。

由此可知所需要设计一个系统，可以通过不同按键来选择步进电机的工作方式，且有LED发光二极管来显示电机对应的工作状态，除此之外还能在数码管上显示出步进电机转动的步数。

2.2总体设计框图

此系统主要由单片机、步进电机、步数显示模块、工作状态控制与显示模块组成。整体框图如图1。