1、 微控制器系统设计与应用微控制器系统设计与应用江苏建筑职业技术学院江苏建筑职业技术学院 刘燎原刘燎原 直流电机直流电机步进电机步进电机电机模块电机模块PROTEUS仿真仿真PROTEUS仿真仿真 情境六情境六 电机电机 项目一 步进电机（1）-学习步进电机u在工业控制系统中，通常要控制机械部件的平移和转动，在工业控制系统中，通常要控制机械部件的平移和转动，这些机械部件的驱动大部分都采用交流电机、直流电机、这些机械部件的驱动大部分都采用交流电机、直流电机、步进电机。在这三种电机中，步进电机最适合数字控制，步进电机。在这三种电机中，步进电机最适合数字控制，因此在数控机床、家用电器、精密仪器中得到广
2、泛应用。因此在数控机床、家用电器、精密仪器中得到广泛应用。一、概述一、概述u一般电机（直流电机）都是连续运转的，而步进电机却一般电机（直流电机）都是连续运转的，而步进电机却是一步一步地转动，故称之为步进电机。是一步一步地转动，故称之为步进电机。u每当步进电机的驱动器接收到一个驱动脉冲后，步进电每当步进电机的驱动器接收到一个驱动脉冲后，步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度。机将会按照设定的方向转动一个固定的角度。u所以说步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机所以说步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。构。u可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确可以通过控制脉冲个数来
3、控制角位移量，从而达到准确定位的目的；定位的目的；u可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达调速的目的。从而达调速的目的。u因此在需要准确定位或调速控制时均可考虑使用步进电因此在需要准确定位或调速控制时均可考虑使用步进电机。机。u步进电机的这些特性非常适合单片机控制，控制信号由步进电机的这些特性非常适合单片机控制，控制信号由单片机产生，步进电机则根据控制信号来动作。单片机产生，步进电机则根据控制信号来动作。u二、步进电机的工作原理二、步进电机的工作原理AABBCC步进电动机构造：由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（
4、绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。步进电机按相数（线圈个数）分为单相、双相、多相，以3相为例。称为励磁方式。1.1相励磁方式A相通电；B相通电；C相通电；当脉冲一个一个发来时，如果按A-B-C-A.的顺序通电，则电机转子便按逆时针转动，这种通电方式成为1相励磁方式。如果按A-C-BA.的顺序通电，则电机转子便按逆时针转动2.2相励磁方式3.1-2相励磁方式当脉冲一个一个发来时，如果按A-A、B-B-B、C-C-C、A-.的顺序通电，则电机转子便按顺时针转动，这种通电方式成为1-2相励磁方式。三三.步进电动机主要参数1.步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有两相、三相、五相步进电机
5、。2.拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数，用m表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。3.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。4.电压：5VDC,12VDC5.减速比：减速电机。内部转子/外部转轴 例如减速比为1/64，是指内部转子转64圈，外部转1圈。例如上图为28BYJ48型5线四相八拍步进电机u 5线四相八拍，相序表如下：线四相八拍，相序表如下：P1.3210拍数拍数 DCBA（脉冲）（脉冲）对应值对应值 1 0001 01 2 0011 03 3 0010 02 4 0110 06 5 0100 04 6 1100 C0 7 1000 80 8 1001 90 5线：线
6、：5根线，根线，1根（红色）为电源线，其他根（红色）为电源线，其他4根分别为根分别为A.B.C.D，和单片机的，和单片机的I/O口相连口相连每给一个脉冲，电机内部的转子转一个角度（每给一个脉冲，电机内部的转子转一个角度（步距角5.625），当给），当给8个脉冲，个脉冲，电机内部转子转一齿距（电机内部转子转一齿距（8*5.625=45）。）。如果内部转子要转一圈，需要转如果内部转子要转一圈，需要转360/45=8个齿距。个齿距。正转反转uunsigned char code zz=0 x01,0 x03,0 x02,0 x06,0 x04,0 xc0,0 x80,0 x90;uunsigned
7、char code fz=0 x90,0 x80,0 xc0,0 x04,0 x06,0 x02,0 x03,0 x01;u.for(i=0;i8;i+)for(j=0;j8;j+)P1=zzj;delay();内部转子转1圈u 四、步进电机的驱动四、步进电机的驱动u 步进驱动器：是一种能使步进电机运转的功率放大器，能把控制器发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移，电机的转速与脉冲频率成正比，所以控制脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数就可以精确定位。u ULN2003：反相驱动芯片，高压大电流达林顿晶体管阵列系列产：反相驱动芯片，高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品品,具有电流增益高（大于具有电流增
8、益高（大于1000）、工作电压高（大于）、工作电压高（大于50V）、温度范围宽、带负载能力强（输出电流大于温度范围宽、带负载能力强（输出电流大于500mA）等特点）等特点,适应适应于各类要求高速大功率驱动的系统。主要用于如下领域：伺服电机于各类要求高速大功率驱动的系统。主要用于如下领域：伺服电机;步进电机步进电机;电磁阀电磁阀;可控照明灯。可控照明灯。二极管起断电后放电保护作用u例：通过按键，控制电机的正转、反转、停止例：通过按键，控制电机的正转、反转、停止ABDCABCDXTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD2
9、37P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51+88.81B11C162B22C153B33C144B44C135B55C126B6
10、6C117B77C10COM9U2ULN2003A+5VR110kR210kR310kR410k正转正转反转反转停止停止 微控制器系统设计与应用微控制器系统设计与应用徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 刘燎原刘燎原 复习复习u 1.电脉冲转化为角位移电脉冲转化为角位移u 2.几个名词几个名词u 相数相数u 拍数拍数u 励磁方式励磁方式u 步距角步距角u 3.驱动：驱动：ULN2003u 4.正反转：送脉冲的顺序正反转：送脉冲的顺序u 角度：送脉冲个数角度：送脉冲个数u 速度：送脉冲的频率速度：送脉冲的频率 8.2 直流电机直流电机u一、简介一、简介u 在直流电机的两电刷端加上直流电压，将
11、电能输入电枢，机械能就在直流电机的两电刷端加上直流电压，将电能输入电枢，机械能就从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机。机。u 直流电机主要由定子（主磁极、换向极、机座、电刷装置）、转子直流电机主要由定子（主磁极、换向极、机座、电刷装置）、转子（电枢铁心、电枢绕组、换向器、）两部分组成。定子的作用是产（电枢铁心、电枢绕组、换向器、）两部分组成。定子的作用是产生磁场，转子在定子磁场作用下得到转矩而旋转起来。生磁场，转子在定子磁场作用下得到转矩而旋转起来。u 直流电机的转速由电枢（即转子线圈）电压决定。电枢电压越高，直
12、流电机的转速由电枢（即转子线圈）电压决定。电枢电压越高，电动机转速就越快；电枢电压为电动机转速就越快；电枢电压为0V时，直流电机就停转。时，直流电机就停转。u 改变电枢电压的极性，电机就反转。改变电枢电压的极性，电机就反转。u 因此改变电枢电压的大小和极性可以改变直流电机的转速和转向。因此改变电枢电压的大小和极性可以改变直流电机的转速和转向。二、直流电机调速二、直流电机调速u 直流电机的转速由电枢（即转子线圈）电压决定直流电机的转速由电枢（即转子线圈）电压决定，通过调整电枢电，通过调整电枢电压来实现调速的。压来实现调速的。u 直流电压，直流电压，5V，如何改变？，如何改变？u 改变平均电压值。
13、改变平均电压值。u 让电压一段时间让电压一段时间5V，一段时间，一段时间0V，得到不同的平均电压。，得到不同的平均电压。u 1.PWM波波u PWM，Pulse Width Modulation的缩写，是指脉冲宽度调制的缩写，是指脉冲宽度调制。如何产生脉冲宽度可调的波形呢？如何产生脉冲宽度可调的波形呢？u 按一个固定的频率来接通和断开电源，把直流电压变成电压脉冲序按一个固定的频率来接通和断开电源，把直流电压变成电压脉冲序列，根据需要改变一个周期内列，根据需要改变一个周期内“接通接通”和和“断开断开”时间的长短时间的长短，实，实现现控制电压脉冲宽度控制电压脉冲宽度。u 2.直流电机的直流电机的P
14、WM调速调速u 把把PWM信号加到直流电机上信号加到直流电机上u 通过改变一个周期内通过改变一个周期内“接通接通”和和“断开断开”时间来改变时间来改变PWM脉宽，脉宽，改变改变直流电机电枢上电压的直流电机电枢上电压的“占空比占空比”，从而达到改变平均电压大，从而达到改变平均电压大小的目的，最终控制了电动机的转速。小的目的，最终控制了电动机的转速。u 只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。u 设占空比为设占空比为D，设电机始终接通电源时，电机转速最大为设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax,，则电机的平均速度
15、为则电机的平均速度为u Va=Vmax*Du 式中式中D=t1T占空比，占空比，t1为接通时间，为接通时间，T为一个周期为一个周期。u 当我们改变占空比当我们改变占空比D=t1T时，就可以得到不同的电机平均速度，时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。从而达到调速的目的。三、直流电机驱动三、直流电机驱动u 直流电机的驱动主要完成直流电机的方向控制以及直流电机的驱动主要完成直流电机的方向控制以及I/O端口的驱动，端口的驱动，直流电机的转子转动方向可由直流电机上所加电压的极性来控制。直流电机的转子转动方向可由直流电机上所加电压的极性来控制。u 1.H桥控制电路桥控制电路u 可应用于步
16、进电机、交流电机及直流电机等的驱动。可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动。u 它的形状酷似字母它的形状酷似字母Hu 要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向制电机的转向.u 当当Q1管和管和Q4管导通时，电流就从电源正极经管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电从左至右穿过电机，然后再经机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的回到电源负极。按图中电流箭头所示，
17、该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和和Q4导通时，电流将从导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。指示为顺时针方向）。u 另一对三极管另一对三极管Q2和和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管三极管Q2和和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向
18、）。u2.L298驱动芯片驱动芯片u L298是双是双H桥高电压大电流功率集成电路，可用来驱动继电器、桥高电压大电流功率集成电路，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机步进电动机等电感性负载。它的驱动电压可达线圈、直流电动机步进电动机等电感性负载。它的驱动电压可达46V，直流电流总和可达，直流电流总和可达4A，其内部具有，其内部具有2个完全相同的个完全相同的PWM功功率放大回路。率放大回路。u 管脚：管脚：u OUT1、OUT2、OUT3、OUT4引脚是引脚是L298的输出端，这的输出端，这4个个引脚之间可以接引脚之间可以接2个直流电机个直流电机.u IN1、IN2、IN3、IN4引脚通过置高电平
19、和低电平组合实现两个引脚通过置高电平和低电平组合实现两个电机的正反转电机的正反转.u ENA、ENB为使能端，高电平有效，分别为为使能端，高电平有效，分别为 IN1和和IN2、IN3和和IN4的使能端，该端口一般和单片机软件产生的的使能端，该端口一般和单片机软件产生的PWM波输出端相波输出端相连，实现电机的调速。连，实现电机的调速。u VSS为芯片电源，为芯片电源，VS为电机电源为电机电源u SENA、SENB是电流取样电阻是电流取样电阻u项目要求：设计一个小车的控制器，可以实现小车的加项目要求：设计一个小车的控制器，可以实现小车的加速、减速、正转、反转功能。速、减速、正转、反转功能。k0k1
20、k2k3ENAIN1IN2K1K2K3K4IN1IN2ENAK0K4XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1
21、023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51X1CRYSTALC130pFC230pFC310uFR1+12VVCCIN15IN27ENA6OUT12OUT23ENB11OUT313OUT414IN310IN412SENSA1SENSB15GND8VS4VCC9U6L298加速加速减速减速前进前进后退后退开始开始几个说明问题：几个说明问题：u 1.独立按键程序独立按键程序u 并列结构并列结构u 2.PWM波如何产生？方波？波如何产生？方波？u(1)利用定时器来产生？利用定时器来产生？u 根据根据PWM波的周期及占空比变化快慢来确定定时
22、器定一次的时间波的周期及占空比变化快慢来确定定时器定一次的时间。u 假定假定PWM信号的周期信号的周期T=1ms,f=1khz。要求。要求每按一次按键，每按一次按键，占空比以占空比以10%比例递增减。那么把整个周期比例递增减。那么把整个周期10等份，等份，1等分为等分为100us。所以利用定时器的定时时间设定为。所以利用定时器的定时时间设定为100us，对此定时时，对此定时时间进行统计个数，计满间进行统计个数，计满10个，即个，即1个周期。个周期。u TH0=(65536-100)/256;u TL0=(65536-100)%256;u 利用利用i存放存放100us个数，个数，i+u(2).通
23、过修改高电平的值修改占空比通过修改高电平的值修改占空比u 以以100us为基本单位，假设设定高电平的初始值位为为基本单位，假设设定高电平的初始值位为2个单位个单位（持续时间（持续时间200us），则占空比为），则占空比为20%。在周期固定的情况下，。在周期固定的情况下，通过按键通过按键K1或或K2修改高电平的值，即可修改占空比。修改高电平的值，即可修改占空比。u void time0(void)interrupt 1 /中断函数中断函数u u TH0=(65536-100)/256;u TL0=(65536-100)%256;u if(i=9)u u i=0;u u if(izkb)/zkb高电平的个数初值，输出高电平的个数初值，输出PWMu u ENA=1;u u else ENA=0;u i+;u
