步进电机课程设计实验报告.docx
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步进电机课程设计实验报告
指导教师评定成绩：
审定成绩：
重庆邮电大学
自动化学院
计算机控制技术课程设计报告
设计题目：
步进电动机调速控制
单位（二级学院）：
自动化学院
学生姓名：
林参
专业：
自动化
班级：
0810903
学号：
2009212466
指导教师：
陈勇
设计时间：
2012年6月
摘要
步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移的开环控制元件。
通过单片机AT89C52控制的脉冲信号的频率和脉冲数控制电机的转速、停止的位置，而不受负载的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
采用对射式光电传感器H92B4为步进电机的测速原件，它利用码盘对光速的遮挡，由同步回路选通电路，从而检测码盘有无遮挡。
光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件，旋转编码器与电机相连，当电机转动时，带动增量式码盘旋转，便发出转速或转角信号。
L297步进电机专用控制器，芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流，用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用于控制此步进电机，并与L298双全桥步进电机专用芯片等共同组成驱动电路。
控制算法上，利用增量式PID算法，从测试传感器采样的信号经PID控制和所测试相结合消除减少误差，编出满足要求的程序。
由以上几个主要部分共同构成步进电机闭环控制系统，驱动电路驱动电机，测速提供为反馈，AT89C52控制步进电机的正反转、和转速增减，实现对步进电机的控制，并由显示器显示出正反转方向和转速。
关键词：
步进电动机PIDAT89C52L297L298H92B4
设计题目
步进电动机调速控制
一、平台
1、二相四线制步进电动机；
2、以单片机作为控制器。
二、设计目的:
1、设计步进电机控制电路；
2、设计步进电机调速控制电路，要求采用变频调速；
3、采用PID两种基本算法：
位置算法和增量算法，并要求知道这两种算法的特点；
（1）位置算法：
（2）增量算法：
4、步进电动机旋转误差小于1%；
5、实现正反转；
6、速度检测与显示及控制。
三、设计要求：
1、整个课程设计的各个环节都要求学生自己动手。
2、提供相应的算法分析与计算。
3、自己选择计算机控制设备，构建一个简单的计算机控制系统。
4、对课程设计进行总结，撰写课程设计报告。
5、课程设计时间1.5周。
设计内容
四、计算机控制系统的总体规划与设计思路：
此步进电机调速计算机控制系统主要由以下4部分组成
1、单片机AT89C52的控制电路
2、L297和L298组成驱动电路
3、对射式光传感器为测速元件测速（用的是T法测速）组成的反馈回路
4、二相四线制步进电机
由以上4部分组成步进电机调速计算机控制闭环控制系统。
在AT89C52中载入增量式PID控制算法的程序，通过对按键的操作，控制步进电机的转速（加速、减速、正反转），并在显示器上显示出转速。
最终实现完整的二相四线步进电机调速的计算机控制系统。
设计基本框图如下：
五、硬件综合设计
1.总体原理电路图:
2.实物图：
1、控制电路AT89C52
实体图：
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS的8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM）
采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
主要工作特性是：
片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；
片内数据存储器内含256字节的RAM；
具有32根可编程I/O口线；
具有3个可编程定时器；
中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；
串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；
具有一个数据指针DPTR；
低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；
具有可编程的3级程序锁定位；
AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；
AT89C52最高工作频率为24MHz
2、驱动电路L297和L298
实体图：
L297是步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。
芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。
该集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼容的I2L技术，使用5V的电源电压，全部信号的连接都与TFL/CMOS或集电极开路的晶体管兼容。
L297的芯片引脚特别紧凑，采用双列直插20脚塑封封装，其引脚见图1，内部方框见图2。
内部电路图
[2]
在图2所示的L297的内部方框图中。
变换器是一个重要组成部分。
变换器由一个三倍计算器加某些组合逻辑组成，产生一个基本的八格雷码（顺序如图3所示）。
由变换器产生4个输出信号送给后面的输出逻辑部分，输出逻辑提供禁止和斩波器功能所需的相序。
为了获得电动机良好的速度和转矩特性，相序信号是通过2个PWM斩波器控制电动波器包含有一个比较器、一个触发器和一个外部检测电阻，如图4所示，晶片内部的通用振荡器提供斩波频率脉冲。
每个斩波器的触发器由振荡器的脉冲调节，当负载电流提高时检测电阻上的电压相对提高，当电压达到Uref时（Uref是根据峰值负载电流而定的），将触发器重置，切断输出，直至第二个振荡脉冲到来、此线路的输出（即触发器Q输出）是一恒定速率的PWM信号，L297的CONTROL端的输入决定斩波器对相位线A，B，C，D或抑制线INH1和INH2起作用。
CONTROL为高电平时，对A，B，C，D有抑制作用；为低电平时，则对抑制线INH1和INH2有抑制作用，从而可对电动机和转矩进行控制。
L298内部包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
L298可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。
表1是L298功能逻辑图。
In3，In4的逻辑图与表1相同。
由表1可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。
同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。
3、步进电机及对射式光电传感器H92B4
步进电动是一步一步转动的，故叫步进电动机。
步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。
因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行。
随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用将逐渐扩大。
H92B4是有高发射功率的砷化镓红外发射管和高灵敏度的光敏管组成。
她是利用被检测物对光束的遮挡，由同步回路选通电路，从而检测物体有无。
特点：
易安装、高可靠性：
响应速度快，光缝0.8mm；槽宽4mm，脚距8.8mmm。
T法测速：
记录编码器两个相邻输出脉冲的间的高频脉冲个数M2，f0为高频脉冲频率，
电机转速
T法测速的分辨率：
或
Ｔ法测速误差率：
T法测速适用于低速段。
六、软件综合设计
3.设计流程图：
总体流程图
测速流程图
4.PID两种基本算法：
位置算法和增量算法，采用变频调速
（1）位置算法：
（2）增量算法：
5.实现以上要求的控制算法（已调试正确）：
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineF6//表示光电码盘一圈的齿数
#defineT40//采样周期10ms，250us为单位
#definePID_K2
#definePID_I0.1
#definePID_D0.1
#defineST_cishu50//更新显示频率设为0.5s，10ms为单位
sbitclk=P1^0;//脉冲
sbitcw=P1^1;//转向
sbitfull=P1^2;//半步、全步
sbitreset=P1^3;
sbitduanen=P2^6;//段选锁存
sbitweien=P2^7;//位选锁存
sbitfuhao=P2^2;//正负符号位
sbitdirKey=P3^4;//设置位移
sbitplusKey=P3^5;
sbitsubKey=P3^6;
sbitrevKey=P3^7;//反转
intUk_1=0;
intUk=0;
ucharposKey=0;//屏幕显示位置标志
intspeed[3]={0,0,0};//存速度差值
intSi,n=0,m=0;//n为转速，m为T法高速脉冲个数，Si为m记数允许标志位
uchartime_n1=500;
uchartime_n2;
intspeedSet,speed_set;//定时器1首先就输出一个电平变化，再根据PID输出设置z=speed_set
intspeed_n=0;//用于显示的测试的速度
intoutallow=1;//输出允许,第一次设置完生效，开始输出
intST_allow;//速度测试允许位
intST_counter=0;//计数变量，用于计显示更新频率
intfankui=0;
voiddisplay（int）;
voiddelay（int）;
voidLED（int,int）;
voidxiaoying（void）;
voidreadKey（）;
voidinitial（）;
voidpid（）;
voidpid_f_to_time_n1（）;
voidST_get（）;
/****************************初始化***************************/
voidinitial（）
{
IE=0x80;//开总中断
TCON=0x01;//IT0=1时外部中断0为下跳沿触发
TMOD=0x21;//定时器0工作方式1，定时器1工作方式2，自动重载
TH0=0xec;//定时5ms，初值为60536，产生高速脉冲
TL0=0x78;
TH1=0x06;//定时250us，输出脉冲精度
TL1=0x06;
Si=0;
time_n2=1;
clk=1;
}
/**************************显示函数****************************/
voiddelay（inti）
{
intx,y;
for（x=i;x>0;x--）
{for（y=1;y<333;y++）;}
}
voidxiaoying（）
{
weien=1;
P0=0xff;
weien=0;
}
voidLED（intshu,intwei）
{
ucharcodeDSY_CODE[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40};//最后为负号
ucharcodeDSY_WEI[]={0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};
duanen=1;
P0=DSY_CODE[shu];
duanen=0;
weien=1;
P0=DSY_WEI[wei];
weien=0;
delay
（2）;
}
voiddisplay（inta）//a为测得转速
{
intqian;
intbai;
intshi;
intge;
if（a<0）
{
LED（10,4）;
xiaoying（）;
（int）qian=-a/1000;
（int）bai=-a%1000/100;
（int）shi=-a%100/10;
（int）ge=-a%10;
}
else
{
（int）qian=a/1000;
（int）bai=a%1000/100;
（int）shi=a%100/10;
（int）ge=a%10;
}
LED（qian,3）;
xiaoying（）;
LED（bai,2）;
xiaoying（）;
LED（shi,1）;
xiaoying（）;
LED（ge,0）;
xiaoying（）;
}
/******************************PID****************************/
voidpid（）
{
Uk=PID_K*（speed[2]-speed[1]）+PID_I*speed[2]+PID_D*（speed[2]2*speed[1]+speed[0]）+Uk_1;//增量式算法
Uk_1=Uk;
if（Uk>150）//越界处理
{
Uk=Uk_1;
}
}
voidpid_f_to_time_n1（）
{
if（time_n1>4）//频率最高不能超过1500Hz，设定最高为1000Hz250us*4=1ms
{
time_n1=600/Uk;//步距角为1.8估T=1/f=0.3*n.T=250us*2*time_n1（us）Uk~f
}
else{time_n1=6;}
}
/***********************速度差值计算***************************/
voiddelta_n（）
{
speed[0]=speed[1];
speed[1]=speed[2];
speed[2]=speed_set-n;
}
/***************************速度检测**************************/
voidST_time（）interrupt0//外部中断0
{
if（Si==0）//Si为测试速度而设，Si=0，则记第一次，Si=1，则应关闭TR0
{
TR0=1;
Si=1;//关闭标志，表明测量一个周期内波形完成
}
else
{
TR0=0;
IE=IE&0xfc;//关定时中断0和外部中断0
Si=0;
（int）n=60000/（m*F*5）;//计算转速F为放大系数，表示转一圈输出多少脉冲
if（!
fuhao）
{
n=-n;
}
m=0;
}
}
voidST_count（）interrupt1//定时中断0,产生高速脉冲，10ms一次
{
m++;
if（m>10000）//若转速低至10s一个信号，则认为转速为0，防止m越界
{n=0;}
TH0=0xec;
TL0=0x78;
}
voidST_get（）//获取速度函数，供外部调用
{
IE=IE|0x03;//开定时器0和外部中断0定时器IE设置位，EA,,,ES,ET1,EX1,ET0,EX0
}
/**************************速度输出****************************/
voidSO_time（）interrupt3//定时中断1,用于定时输出脉冲
{
time_n2--;//250us一次
if（!
time_n2）
{
time_n2=time_n1;//上个脉冲完后再取新设置的值
clk=~clk;
}
fankui++;
if（fankui==33）
{
clkf=~clkf;
fankui=0;
}
ST_allow++;//定时采样允许，采样周期40*250us=10ms
if（ST_allow==T）
{
ST_allow=0;
ST_get（）;//开中断，不会影响时间
}
}
/**********************键盘设置函数****************************/
voidreadKey（）
{
inttemp=0;
if（dirKey==0）
{
delay（30）;
while（!
dirKey）;//放开生效，不影响中断
posKey=posKey+1;
if（posKey>=4）
{
posKey=0;
speed_set=speedSet;//设置完四个数，使设置生效
if（outallow）//初始为1
{
ET1=1;//定时1中断允许，开始输出脉冲
TR1=1;//输出允许
outallow=0;
}
}
}
//显示
if（posKey）//在设置时才能按加减
{
{
if（posKey==1）{
（int）temp=speedSet/100;
xiaoying（）;
LED（temp,2）;
}elseif（posKey==2）{
（int）temp=speedSet%100/10;
xiaoying（）;
LED（temp,1）;
}elseif（posKey==3）{
（int）temp=speedSet%10;
xiaoying（）;
LED（temp,0）;
}
}
if（plusKey==0）
{
delay（30）;
while（!
plusKey）;
if（speedSet<999）
{
if（posKey==1）{
if（speedSet/100<9）{
speedSet+=100;}
}elseif（posKey==2）{
speedSet+=10;
}elseif（posKey==3）{
speedSet+=1;
}
}
}
if（subKey==0）
{
delay（30）;
while（!
subKey）;
if（speedSet>0）
{
if（posKey==1）
{
if（speedSet/100>0）
{
speedSet-=100;
}
}
elseif（posKey==2）
{
speedSet-=10;
}elseif（posKey==3）{
speedSet-=1;
}
}
}
}
if（revKey==0）
{
delay（30）;
while（!
revKey）;
cw=~cw;
fuhao=~fuhao;
}
}
/*****************************主函数***************************/
voidmain（）
{
initial（）;//初始化
while
（1）
{
readKey（）;
if（!
posKey）//没有设置转速时显示实时速度
{
display（n）;
}
if（!
outallow）//第一次设置完成可以输出
{
if（!
ST_allow）//定时采样允许，采样周期
{
delta_n（）;//采集速度后再计算速度差
pid（）;
pid_f_to_time_n1（）;
}
}
}
}
设计总结
通过这次课程设计实验，我对步进电机调速控制系统有了实际的了解和认识，提高了动手能力。
本次实验把书本上、课堂上学到的知识灵活地运用到实际的实物上，感觉是对学以致用的一种锻炼和考验，提高了用所学知识解决实际问题的能力，加深和巩固的对知识的理解和掌握。
控制电路、驱动电路、测速反馈电路、步进电机几个模块的整合，也实际中提高了自己对系统的认识，有了些整体的概念和思维观。
实验是团队合作完成的，从设计电路到设计软件，然后仿真，到做硬件做出符合要求的
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