1、 武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书第 页1课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化 0902 班 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（正反转） ；K5 速度控制（快慢两档）；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：正转时红灯亮，反转时黄灯亮，不转时绿灯亮。要求完成的主要任务: 1 硬件设计：系统总原理图及各部分详细原理图2 软
2、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4 完成符合要求的设计说明书。时间安排：2012 年 6 月 25 日2010 年 7 月 4 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第 页2目录摘要 .31 设计任务和要求 .41.1 设计任务 .41.2 任务要求 .42 设计方案的比较及选择 .52.1 电机驱动选择方案 .52.2 LED 显示选择方案 .52.3 按键状态的读取 .53 控制系统的工作原理 .53.1 步进电机控制工作原理 .53.2
3、系统设计思路 .73.3 系统的整体框图 .74 系统的硬件设计 .84.1 总体设计 .84.2 步进电机控制电路 .94.3 显示电路 .105 系统软件设计 .115.1 总体设计 .115.2 关键模块设计 .146 系统仿真结果 .176.1 相步进电机三种工作方式 .176.2 相步进电机启动和停止 .196.3 三相步进电机的正转和反转 .206.4 三相步进电机速度控制 .21心得体会 .22参考文献 .23附录 1：总电路图 .24附录 1：源程序 .25武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书第 页3摘要本次计算机控制技术课程设计的题目是：三相步进电机控制系统的设计。本次课
4、程设计使用 80c51 单片机作为主控芯片，利用 ULN2003A 集成电路作为三相步进电机的驱动电路，采用单极性驱动方式，使三相步进电机能在（1）三相单三拍， （2）三相双三拍，（3）三相六拍三种工作方式下正常工作；能实现的功能有:启动/停止控制、方向控制；速度控制（快慢两档） ；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：正转时红灯亮，反转时黄灯亮，不转时绿灯亮。本次课程设计采用 80C51 单片机作为主控芯片，程序采用 C 语言来编写，驱动电路采用 ULN2003A 集成电路，显示器采用 7SEG-MPX4-CC,即四个共阴二极管显示器，P0 接段码，并用 8
5、只 500 欧左右电阻上拉。P2 的 4 位 IO 口接位选码。用三个发光二极管显示电路的转动状况，红灯指示正传，黄灯指示反转，绿灯指示不转。采用 Proteus 软件进行仿真。在 Keil uVsuon3 编程环境下编程和编译生成 HEX 文件，导入到 80C51 单片机，实现对各个模块的控制，实现我们所需要的功能。本次设计的方案电路结构比较简单，设计思路很清晰清晰，用 Proteus 软件进行联调仿真，结果比较直观。在这次课程设计学习中我学到了很多知识，知道了三相步进电机控制系统的组成以及怎样用 80C51 单片机去控制它，三相步进电机的工作方式压，这对我在课堂所学的计算机控制技术知识是个
6、巩固和加强，让我把课堂所学的理论知识真实的用到实践中，亲自动手，增强了我的动手设计能力，对自己将来的学习和工作发展起到了很好的作用。关键字：三相步进电机、单片机、Proteus武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书第 页4三相步进电机控制系统的设计1 设计任务和要求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 速度控制（快慢两档） ；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：正转时红灯亮，反转时黄灯亮，不
7、转时绿灯亮。要求完成的主要任务: 1硬件设计：系统总原理图及各部分详细原理图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4完成符合要求的设计说明书。1.2 任务要求题目要求设计一个三相步进电机控制系统，它需要具有以下几个基本功能：1.三相步进电机控制系统能实现三种运行方式,能够以三相单三拍工作方式运行，通电顺序为：A-B-C-A;三相双三拍工作方式运行，通电顺序为：AB-BC-CA-AB;三相六拍工作方式运行，通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A,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转
8、和反转和调速（快和慢）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，可以采用共阴极的 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第 页52 设计方案的比较及选择2.1 电机驱动选择方案方案 1：使用功率三极管等电子器件搭建成功率驱动电路来驱动电机的运行。这种方案的驱动电路的优点是使用电子器件联接，电路比较简单，但容易受干扰，信号不够稳定，缺点是器件较大而不便电路的集成，使用时很不方便，联接时容易出错误。方案 2：使用专门的电机驱动芯片 ULN2003A 来驱动电机运行。驱动芯片的优点是便于电路的集成，且驱动电路简单，驱动信号很稳定，不易受外
9、界环境的干扰，因而设计的三相步进电机控制系统性能更好。通过对两种方案的比较，我选择方案 2 使用 ULN2003A 电机驱动芯片来作为驱动。2.2 LED 显示选择方案方案 1：把所需要显示的数据通过专用的七段显示译码器（例如 7448）的转换输出给 LED 显示屏。优点是输出比较简单，可以简化程序，但增加了芯片的费用，电路也比较复杂。方案 2：通过程序把所要的数据转化为七段显示的数据，直接通过单片机接口来显示，其优点是简化了电路，但增加了软件编写的负担。通过对两种方案进行比较，我选择通过软件编写来输出显示信号，即单片机直接和显示器相连。2.3 按键状态的读取方案 1：把按键接到单片机的中断口
10、，若有按键按下，单片机接收到中断信号，再通过软件编写的中断程序来执行中断，优点是接线简单，简化了电路，但软件编写较为复杂，不易掌握。方案 2：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。通过对方案的比较，我选择通过查询方式来读取端口信号。3 控制系统的工作原理武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书第 页63.1 步进电机控制工作原理3.1.1 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
11、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。3.1.2 步进电机的工作方式三相步进电机可以在三相单拍，三相双拍和三相六拍三种工作过方式下工作。在三相单三拍工作方式运行时，通电顺序为：A-B-C-A;三相双三拍工作方式运行时，通电顺序为：AB-BC-CA-AB;三相六拍工作方式运行时，通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A,因此要输出相应的控制字进行控制。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。其他方式情况类似。3.1.4 步进电机的
12、启停控制武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书第 页7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。3.1.5 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。脉冲的频率越高，电动机运转的速度越快，否则，速度就越慢。因而通过延时程序控制输出脉冲的频率，就可以
13、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三相步进电机控制系统，主要由单片机 80C51，3 相步进电机，7 段数码管，及一些其他相关元件设计而成。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。3.3 系统的整体框图下图为系统总体设计方框图，单片机 80C51，ULN2003A 驱动芯片，三相步进电机，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第 页880C51 单片机整
14、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图 2 系统的整体框图4 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) 正转时红色指示灯亮，反转时黄色指示灯亮，不转时绿色指示灯亮；(4) 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图 3：武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书第 页9图 3 总体硬件连线4.2 步进电机控制电路4.2
15、.1 启/停控制、正/反转控制、工作模式控制电路分析原理图如图 4 所示：图 4 按键控制图（1）K0-K2 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，武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书第 页10（2）K3 为启动/停止控制开关，控制整个系统的开启和关闭。（3）K4 为正转/反转控制开关，控制步进电机的转向。（4）K5 速度控制（快慢两档） 。4.2.2 步进电机驱动电路将 80C51 的 P1.0-P1.3 作为步进电机的输出控制口。电路图如下所示：图 5 步进电机的输出控制口4.3 显示电路4.3.1 发光二极管显示电路用 3 个不同颜色的发光二极管来作为指示灯显示，将 P3.6 接红灯，P3.7 接黄灯，P3.3 接绿灯，正转时红色指示灯亮，反转时黄色指示灯亮，不转时绿色指示灯亮。电路图如下：图 6 指示灯接线图4.3.2 八段数码管显示电路
