毕业设计-基于80c51单片机的步进电机控制系统的设计-文库吧

【正文】 器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 保持转矩： 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。 由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 的步进电机 ,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 的步进电机。 步进电机的特点 1． 一般步进电机的精度为步进角的 3%5%，且不累积。 2． 步进电机外表允许的最高温度。 3． 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点； 一般来讲，磁性材料的退磁点都在 130℃以上，有的甚至高达 200℃以上，所以步进电机外表温度 3 在 80℃ 90℃完全正常。 4． 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 5． 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动 势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 6． 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发 挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 综合各种步进电机的特点以及实际情况，本课题选用某混合式四相步进电机。 步进电机分类 目前常用的有三种 步进电动机 ： 1． 反应式 步进 电动机 (VR)。反应式 步进电动机 结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。 2． 永磁式 步进电动机 (PM)。永磁式 步进电动机 出力大，动态性能好；但步距角大。 3． 混合式 步进电动机 (HB)。混合式 步进电动机 综合了反应式、永磁式 步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的 步进电动机 。它有时也称作永磁感应子式 步进电动机 。 综合步进电机的以上参数特点以及各种步进电机的优缺点，本课题将选用四相混合式（感应子式）步进电机 四相混合式步进电机的工作原理及工作方式 如图 21。 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 4号齿就和 C、 D相绕组磁极产生错齿， 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 4号齿之间磁力线的作用，使转子转动， 4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐。而 4 0、 3号齿和 A、 B 相绕组产生错齿， 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。 图 21 四相步进电机步 工作 进示意图 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。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波 形分别如图 22a、 b、 c所示： a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍 图 22 步进电机工作时序波形图 步进电机具体型号的选择 考虑到实验室材料和驱动功率大小等实际条件，以及连线的方便与否。最终选择型号为 28YBJ48的四相五线减速步进电机。该步进电机的主要参数为： 1． 额定电压： 5VDC 2． 直流电阻： 60 欧 加减 7%（ 25摄氏度） 3． 减速比： 1/64 4． 步距叫： 度 /64 5． 驱动方式：四项八拍 5 6． 牵入转矩：大于 (工作频率： 100PPS) 7． 打滑扭力： 8001300 8． 温升：小于 55K（ 5VDC 工作频率： 100PPS) 9． 噪音：小于 35DB（空载， 100PPS,水平距马达 10CM) 10． 绝对耐压： 600V AC/1 秒 11． 引线拉力强度： 1Kgf/条 图 23 28YBJ48型步进电机 6 第 4 章 驱动系统硬件组成 及具体驱动 方案 分析 关于 STC80C52 单片机的介绍 单片机以其体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等优点，在各个领域都获得了广泛的应用，在我国，近几年单片机也得到了广泛的应用特别是在工业控制、智能仪表等方面。而其中 MCS51 系列单片机更是以抗干扰能力强、对环境要求不高、灵活性强等别的系统所不具备的优点被广泛使用。即使非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。故在本次设计中采用了其中的低功耗型 80C51 单片机。 80C51是 MCS51 系列单片机中 CHMOS 工艺的一个典型品种。其它厂商以 8051 为基核开发出的 CMOS 工艺单片机产品统称为 80C51 系列。当前常用的 80C51 系列单片机主要产品有：  Intel 的： 80C3 80C5 87C51， 80C3 80C5 87C52 等；  ATMEL 的： 89C5 89C5 89C2051 等；  Philips、华邦、 Dallas、 Siemens(Infineon)等公司的许多产品 。 该系列单片机是采用高性能的静态 80C51 设计，由先进 CMOS 工艺制造，并带有非易失性 Flash 程序存储器 ，全部支持 12 时钟和 6 时钟操作， P89C51X2 和P89C52X2/54X2/58X2 分别包含 128 字节和 256 字节 RAM、 32 条 I/O 口线、 3 个 16 位定时 /计数器、 6 输入 4 优先级嵌套中断结构、 1 个串行 I/O 口、可用于多机通信 I/O 扩展或全双工 UART 以及片内振荡器和时钟电路。此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围，频率可降至 0 。可实现两个由软件选择的节电模式，空闲模式和掉电模式，空闲模式冻结 CPU 但 RAM 定时器，串口和中断系统仍然工作掉电模式保存 RAM 的内容 但是冻结振荡器 导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的时钟可停止而不 会丢失用户数据，运行可从时钟停止处恢复。 其主要结构组成如下： 1． 中央处理器（ CPU） 2． 内部数据存储器（内部 RAM） 3． 内部程序存储器（内部 ROM） 4． 定时器 /计数器 5． 并行 I/O 口 7 6． 串行口 7． 时钟电路 8． 中断系统 9． 外接晶体引脚 图 41 80C51单片机管脚图 图 42 80C51单片机工作系统图 外中断 控制 并行口 外时事件计数 外时钟源 振荡器和时序 程序存储器 8KB ROM 数据存储器 256B RAM/SFR 2 16位定时器/计数器 TMP87P809N 64KB总线 扩展控制线 可编程 I/O 可编程全 双工串行口 串行通信 8 单片机管脚如 图 41所示，下面对其各个管脚进行必要的说明。 P0、 P P P3 口的电平与 CMOS 和 TTL 电平兼容。 P0 口的每一位口线可以驱动 8 个 LSTTL 负载。在作为通用 I/O 口时，由于输出驱动电路是开漏方式，由集电极开路（ OC 门）电路或漏极开路电路驱动时需外接上拉电阻；当作为地址 /数据总线使用时，口线输出不是开漏的，无须外接上拉电阻。 P P P3 口的每一位能驱动 4 个 LSTTL 负载。它们的输出驱动电路设有内部上拉电阻，所以可以方便地由集电极开路（ OC 门）电路或漏极开路电路所驱动，而无须外接上拉电阻。 当 CPU 不对 P3 口进行字节或位寻址时，内部硬件自动将口锁存器的 Q 端置 1。这时， P3 口作为第二功能使用。 ： RXD（串行口输入）； ： TXD（串行口输出）； ：外部中断 0输入； ：外部中断 1输入； ： T0（定时器 0 的外部输入）； ： T1（定时器 1 的外部输出）； ：（片外数据存储器 “ 写 ” 选通控制输出）； ：（片外数据存储器 “ 读 ” 选通控制输出）。 EA/VPP : 访问程序存储器控制信号，当其为低电平时，对 ROM 的读操作限定在外部的程序存储器，当其为高电平时，对 ROM 的读操作是从内部存储器开始的，并可延至外部程序存储器。 ALE/PROG : 编程脉冲 PSEN : 外部程序存储器读选通信号，在读外部 ROM 时 PSEN 是低电平有效，以实现对 ROM 的读操作。 RST/VPD : 复位信号，当输入信号延续 2 个周期以上的高电平有效，用以完成单片机复位初始化操作。 XTAL : 时钟晶振输入端。 9 驱动 系统总体结构 图 43 驱动系统硬件结构 由图 43可知，本系统通过计算机设定步进电机的运行方向和速度，以及变速变向的控制，并且将这些参数和控制程序通过数据串口 烧录到单片机中。按钮和单片机的控制信号通过驱动电路，输入至步进电机，控制步进电机的速度和方向。电源和变压整流电路为单片机和驱动芯片 的正常工作 提供安全稳定的直流高电平。 驱动系统的驱动原理 为了方便阐述，本节按照 步进电机输入信号 要求 ，控制信号功率的放大， 单片机 控制信号 的输出和编程 的顺序分析其工作过程。 步进电机的 控制信号 图 44 28YBJ48型步进电机 接线指示图 橙 4 黄 3 粉 2 蓝 1 红 5 M 实时控制 录入程序 方向设定 电源 驱动电路 及有关芯片 M 供电 供电