电机控制课程设计

电机控制课程设计报告书

题 目 步进电机正反转控制的设计

院 部 名 称 机电工程学院 专 业 电气工程及其自动/自动化 班 级 组 长 姓 名 学 号 同 组 学 生 设 计 地 点 设 计 学 时 指 导 教 师

金陵科技学院教务处制

目录

一、设计任务和要求.............................................................................................................

二、设计思路.............................................................................................................................

2.1 系统总体框图

2.2 设计原理

三、系统硬件设计

3.1 时钟信号控制电路原理介绍

3.1.1 芯片89C51介绍

3.1.2 芯片管脚说明

3.1.3时钟信号控制电路

3.2 系统复位电路原理介绍

3.2.1 系统复位电路

3.3 驱动电路原理介绍

3.3.1步进电机原理介绍

3.3.2 驱动电路

3.4 正反转控制电路原理介绍

3.4.1 正反转控制电路

3.5 显示电路原理介绍

3.5.1 显示电路

四、系统软件设计

4.1 主程序流程图

4.2 源程序

五、调试过程与结果

六、总结与体会

七、参考资料

八附录

附录一：总电路图

附录二：元件清单

前言

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。

一、设计任务和要求

电机控制课程设计是考察学生利用所学过的电机控制专业知识，进行综合的电机控制系统设计并最终完成实际系统连接，能够使学生对电气与自动化的专业知识进行综合应用，培养学生的创新能力和团队协作能力，提高学生的动手实践能力。最终形成一篇符合规范的设计说明书，并参加综合实践答辩，为后期的毕业设计做好准备。

本次设计考核的能力主要有：

1)专业知识应用能力，包括电路分析、电子技术、单片机、检测技术、电

气控制、电机与拖动、微特电机及其驱动、计算机高级语言、计算机辅

助设计、计算机办公软件等课程，还包括本专业的拓展性课程如变频器、组态技术、现场总线技术、伺服电机等课程。

2)项目设计与运作能力，团队协作能力，技术文档撰写能力，PPT汇报与

口头表达能力。

3)电气与自动化系统的设计与实际应用能力。

要求完成的工作量包括：

1)制作实际成品，并现场演示效果。

2)学生结合课题进行PPT演讲与答辩。

3)学生上交课题要求的各类设计技术文档。

二、设计思路

2.1 设计总体方框图

图2-1 系统总体框图

2.2 设计原理

本系统主要是由电源（+5V）及时钟信号模块、复位模块、电机驱动模块（ULN2003A）、键盘控制模块、状态显示模块（LED）、步进电机等6个模块组成。电源模块的功能是提供直流5V电源给其余几个模块供电，时钟信号模块的功能是对单片机89C51提供工作周期，使89C51能够正常工作，该电路也称最小模式电路，对于没有内部晶振的单片机，接上电源和晶振就是该单片机的最小系统。89C51芯片内部有一个反相放大器，用于构成振荡器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器（这里电容取值在30PF，石英晶体为12MHZ），复位电路的功能是使单片机初始化操作，只要给RESET引脚（9脚）加上2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。复位电路的功能是只对89C51单片机复位，除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位。驱动模块的功能是通过驱动器ULN2003A来驱动步进电机，通过单片机的P1.0-P1.3输出脉冲到ULN2003A的1B-4B口，经信号放大后从1C-4C口分别输出到电机的A、B、C、D相。键盘控制电路的功能是控制输入部分设置了正转控制，反转控制和停止控制按钮（K1、K2、K3），内部程序检测P2.0和P2.1的状态来调用相应的来调用相应的启动和换向程序，实现步进电机的正反转控制。显示模块的功能是将键盘输出的状态信息，通过发光二极管LED实现功能。在该步进电机的控制器中，电机实现正反启停控制，为了方便知道电机的运行状态，这里利用了单片机的P3.0-P3.2口，采用发光二极管LED 显示电机的工作状态。第一个灯用于显示正转状态，正转时灯亮，第二个灯用于显示反转状态，反转时灯亮，第三个灯用于显示停止状态，停止时灯亮。

三、系统硬件设计

3.1 时钟信号控制电路原理介绍

3.1.1 芯片89C51介绍

图3-1 89C51芯片引脚图

3.1.2 芯片管脚说明：

1.VCC：供电电压。

2.GND：接地。

3.P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH 进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

4.P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

5.P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

6.P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

7.RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

8.ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE 才起作用。

9./PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

10./EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

11.XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

12.XTAL2：来自反向振荡器的输出。

3.1.3 时钟信号控制电路

图3-2 时钟信号控制电路

该电路工作原理：该电路也称最小模式电路，对于没有内部晶振的单片机，

接上电源和晶振就是该单片机的最小系统。89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。电容C1、C2通常取30pf 左右，可以稳定频率并对振荡频率有微调作用。振荡信号从XTAL2端输入到片内的时钟发生器上。

3.2 系统复位电路原理介绍

3.2.1 系统复位电路

图3-3 系统复位电路

该电路工作原理：复位电路是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚（9脚）加上2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位。对于这个设计的单片机来说，还有一个按钮复位电路，它保存了LED灯上一次显示的状态信息。

3.3 驱动电路原理介绍

3.3.1步进电机原理介绍

该步进电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。下图是该四相反应式步进电机工作原理示意图：

图3-3 四相步进电机步进示意图

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

a. 单四拍

b. 双四拍

c.八拍

3.3.2 驱动电路

图3-4 驱动电路

该电路工作原理：通过驱动器ULN2003A来驱动步进电机，如图3.3所示，通过单片机的P1.0-P1.3输出脉冲到ULN2003A的1B-4B口，经信号放大后从

1C-4C口分别输出到电机的A、B、C、D相。

3.4 正反转控制电路原理介绍

3.4.1 正反转控制电路

图3-5正反转控制电路

该电路工作原理：根据系统的控制要求，控制输入部分设置了正转控制，反

转控制和停止控制按钮，分别是K1、K2、K3，通过K1、K2状态变化来实现电机的启动和换向功能。当K1、K2的状态变化时，内部程序检测P2.0和P2.1的状态来调用相应的来调用相应的启动和换向程序，实现步进电机的正反转控制。

3.5 显示电路原理介绍

3.5.1 显示电路

图3-6 显示电路

该电路工作原理：在该步进电机的控制器中，电机实现正反启停控制，为了方便知道电机的运行状态，这里利用了单片机的P3.0-P3.2口，采用发光二极管LED显示电机的工作状态。第一个灯用于显示正转状态，正转时灯亮，第二个灯用于显示反转状态，反转时灯亮，第三个灯用于显示停止状态，停止时灯亮。

四、系统软件设计

4.1

主程序首先主要包括选定定时器和工作模式、按键子程序、判断控制速度标志位子程序和计时控制脉冲时间继电器。在停止标志位按下的情况下，LED正反转灯灭，LED停止灯亮；在停止标志位没有按下的情况下，当正转标志位按下时，相应的LED灯会点亮，再判断控制速度标志位是否为1，若为1，就调用控制电机运行的子程序，电机正转，并对速度脉冲标志位清0，反之灯灭。定时器和工作模式一旦选定，对控制脉冲的时间继电器就开始计时，共执行时间为120ms，频率为1/120ms。

按键子程序主要包括判断正反转停止按钮是否被真正按下，若按下，正反转标志位为1，在判断是否真正按下之前，必须延时消抖，延时时间为10ms。

控制速度标志位子程序是决定步进电机正反转节拍，此程序用了四相双拍，反转时为AB-BC-CD-DA，对应为0x0c-0x06-0x03-0x09；正转时只需随意对调两相，为AB-DA-CD-BC,对应为0x0c-0x09-0x03-0x06。

4.2 源程序

#include

#define uchar unsigned char

uchar step=0;

uchar time=0;

sbit zheng=P2^0; 位赋值定义；

sbit fan =P2^1;

sbit stop =P2^2;

sbit led1 =P3^0 ;

sbit led2 =P3^1;

sbit led3 =P3^2;

bit flag=0; 位定义；

bit flag_z;

bit flag_f;

bit flag_s;

void motor_f()

{

switch(step)

{

case 0:step=1,P1=0x0c;break;

case 1:step=2,P1=0x06;break;

case 2:step=3,P1=0x03;break;

case 3:step=0,P1=0x09;break;

}

}

void motor_z()

{

switch(step)

{

case 0:step=1,P1=0x0c;break;

case 1:step=2,P1=0x09;break;

case 2:step=3,P1=0x03;break;

case 3:step=0,P1=0x06;break;

}

}

void delay_50us(unsigned int t)

{

uchar j;

for(t;t>0;t--)

for(j=19;j>0;j--);

}

void key()

{

if(zheng==0)

{ delay_50us(200); 延时消抖，时间为10ms；

if(zheng==0) 判断正转按钮是否真的按下；

{

flag_z=1; 正转标志位；

}

}

else

{

flag_z=0;

}

if(fan==0)

{ delay_50us(200);

if(fan==0)

{

flag_f=1;

}

}

else

{

flag_f=0;

}

if(stop==0)

{ delay_50us(200);

if(stop==0)

{

flag_s=1;

}

}

else

{

flag_s=0;

}

}

void main()

{

EA=1; 定时中断0开中断；

TR0=1;

ET0=1;

TMOD=0x01; 工作模式1；

TH0=(65536-50000)/256; 从60176计数50000次达到一次中断；

TL0=(65536-50000)%256;

while(1)

{

key(); 调用按键字程序；

if(flag_s==0)

{

if(flag_z==1)

{

led1=0;

if(flag) 控制速度标志位；

{ motor_z(); 调用控制电机正转子程序；

flag=0;

}

}

else

led1=1;

if(flag_f)

{

led2=0;

if(flag)

{

motor_f();

flag=0;

}

}

else

led2=1;

led3=1;

}

else

{

led1=1;

led2=1;

led3=0;

}

}

}

void t0()interrupt 1 计时脉冲控制的时间继电器子程序；{

TH0=(65536-30000)/256;

TL0=(65536-30000)%256;

time++;

if(time==4)

{

time=0;

flag=1; time达到四次才使标志位为1；

}

}

六、调试过程与结果

本次调试过程及注意事项可分为三个步骤：

1.在焊接完电路后，检查所有元件已被连接，电源线和接地线是否都连接完成，否则电路不能正常工作。

2.再将程序录入到单片机89C51中，并且保证5V电源提供给所有元件，使各模块可以正常工作；在调试过程中必须保证单片机可以正常工作，一旦不能正常工作，电路就不能运行；

3.将步进电机与电路连接时，保证四相线连接时正确的，确保步进电机正常运转；

六、总结与体会

通过本次设计把步进电机的结构、工作原理及控制其正、反转等一一弄明白了，接触通过用单片机控制步进电机的正、反转，也对单片机的知识也进行了复习和巩固。通过在课后大家一起翻阅书籍和上网查找资料，搜集到了不少有关步进电机的知识，通过钻研这些知识，我们对步进电机的掌握还相差甚远，为了缩短差距，我们不断向同学请教，大家一起学习，实践是检验真理的唯一标准，习再多的理论也只能纸上谈兵，只有把理论应用到实践中，才能检验出理论的真伪。

我们确定课题后把元件清单整理好，在实验室焊接过程中也遇到了不少问题，不过通过团队合作之后，终于完成了设计，实现了功能。

通过这次的微特设计，不仅把单片机的有关知识系统的复习了一遍，而且学会了各种设计电路的软件，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，这次设计实在是获益匪浅。

七、参考资料

[1] 程明.微特电机及系统[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2] 张家生.电机原理与拖动技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[3] 韩常. PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社,2005.

[4] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[5] 周灵斌.单片机系统的protues设计与仿真[M].北京：子工业出版社，2007.

八附录

附录一：总电路图