基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)55

PAGE桂林電子科技大學實訓專用紙PAGE2-編號：綜合智能電子實訓(論文)說明書題目：院（系）：應用科技學院專業(yè)：電子信息工程學生姓名：學號：指導教師：4-目錄引言TOC\o"1-3"\f\p""\h\z\u第1章簡介1.1步進電機第2章步進電機原理2.1步進電機的工作原理2.1.1結(jié)構(gòu)及基本原理2.1.2電機的步進順序第3章系統(tǒng)的硬件設計3.1系統(tǒng)設計方案3.2主從機硬件部件介紹3.2.1AT89S51簡介3.2.2TGI2864E簡介3.2.3MAX485串行通信3.2.4TIP1223.2.5MOC70T23.3LCD顯示電路設計3.4電機驅(qū)動模塊設計第4章系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)4.1系統(tǒng)軟件主流程圖4.2系統(tǒng)初始化流程圖4.3部分子程序第五章總結(jié)致謝參考文獻

摘要：本文應用單片機、步進電機驅(qū)動芯片、字符型LCD和鍵盤陣列，構(gòu)建了集步進電機控制器和驅(qū)動器為一體的步進電機控制系統(tǒng)。二維工作臺作為被控對象通過步進電機驅(qū)動滾珠絲桿在X/Y軸方向聯(lián)動。文中討論了一種以最少參數(shù)確定一條圓弧軌跡的插補方法和步進電機變頻調(diào)速的方法。步進電機控制系統(tǒng)的開發(fā)采用了軟硬件協(xié)同仿真的方法，可以有效地減少系統(tǒng)開發(fā)的周期和成本。最后給出了步進電機控制系統(tǒng)的應用實例。關(guān)鍵詞:步進電機控制系統(tǒng)，插補算法，變頻調(diào)速，軟硬件協(xié)同仿真Inthispaper,microcontroller,steppermotordriverchips,characterLCDandkeypadarray,buildasetofsteppermotorcontrolleranddriverasoneofthesteppingmotorcontrolsystem.Two-dimensionaltableasachargedobjectbysteppermotordriveballscrewinX/Yaxislinkage.Thispaperdiscussesaminimumofparameterstodeterminethetrajectoryofacircularinterpolationmethodandthemethodoffrequencycontrolsteppermotor.Steppermotorcontrolsystemhasbeendevelopedusingthesoftwareandhardwareco-simulationmethod,caneffectivelyreducethesystemdevelopmentcycleandcost.Finally,thesteppermotorcontrolsystemapplicationexamples.

引言步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為Steppingmotor、Pulsemotor或Stepperservo，其應用發(fā)展已有約80年的歷史。步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機旋轉(zhuǎn)。步進電機每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，同時步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等。正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點，所以成了機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。被廣泛應用在電子計算機的許多外圍設備中，例如打印機，紙帶輸送機構(gòu)，卡片閱讀機，主動輪驅(qū)動機構(gòu)和存儲器存取機構(gòu)等，步進電機也在軍用儀器，通信和雷達設備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控制和程序控制系統(tǒng)。對于步進電機控制的研究也就顯得尤為重要了。用微型單片機控制步進電機己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。還比如為了適應一些領域中高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進電機細分驅(qū)動技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細分驅(qū)動、基于單片機斬波恒流驅(qū)動、基于單片機的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式。1簡介步進電機步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了，它的組成、工作原理和今天的反應式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀80年代以后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。步進電機驅(qū)動技術(shù)指的是用步進電機驅(qū)動器的驅(qū)動級來實現(xiàn)對步進電機各相繞組的通電和斷電，同時也是對繞組承受的電壓和電流進行控制的技術(shù)。到目前為止，步進電機驅(qū)動技術(shù)通常分為單電壓驅(qū)動、單電壓串電阻驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、升頻升壓驅(qū)動和細分驅(qū)動等。單電壓驅(qū)動是通過改變電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。該驅(qū)動方式早在六十年代初期國外就已大量使用，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低；缺點是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時更加嚴重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜艘蟛桓叩牟竭M電機驅(qū)動。單電壓串電阻驅(qū)動是在單電壓驅(qū)動技術(shù)的基礎上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。它提高了步進電機的高頻響應、減少了電動機的共振，也帶來了損耗大、效率低的缺點。這種驅(qū)動方式目前主要用于小功率或啟動、運行頻率要求不高的場合。高低壓驅(qū)動是指不論電動機的工作頻率是多少，在導通相的前沿用高電壓供電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過改善電路的時間常數(shù)來使矩頻性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動方式的電機，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動方式目前在實際應用中還比較常見。為了彌補高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由于采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應增加，故電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應用，本文正是應用恒流斬波技術(shù)實現(xiàn)了驅(qū)動控制。為改善恒流驅(qū)動方式的低頻特性，設計一個低速時低電壓驅(qū)動，高速時高電壓驅(qū)動的電路，使其成為一個由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動電源。在低速運行時，電子控制器調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的導通角，使線路輸出的平均電壓較低，電動機不會像在恒流斬波驅(qū)動下那樣在低速容易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象，從而避免產(chǎn)生明顯的振蕩。當運行速度逐漸變快時，平均電壓漸漸提高以提供給繞組足夠的電流。調(diào)頻調(diào)壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路，但實際運行中需要針對不同參數(shù)的電機，相應調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。在一般的步進電機工作中，其電源均采用單極性直流電，通過對步進電機的各相繞組按恰當?shù)臅r序方式通電，就可使其執(zhí)行步進轉(zhuǎn)動。當某一相繞組通電時相應的兩個磁極就分別形成N-S極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對其，從而使步進電機向前“走”一步。轉(zhuǎn)子的角位移大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入的脈沖同步。只要能正確控制輸入的電脈沖數(shù)、頻率以及電機各相繞組通電的相序，即可得到所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，通過單片機很容易實現(xiàn)對步進電機的數(shù)字控制。本設計采用AT89S51單片機實現(xiàn)對兩相步進電機的轉(zhuǎn)速控制。由單片機產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過脈沖分配器后分解出對應的四相脈沖，分解出的四相脈沖經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動。

第2章步進電機原理2.1步進電機的工作原理2.1.1結(jié)構(gòu)及基本原理步進電機在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此，控制電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機旋轉(zhuǎn)。電機將電能轉(zhuǎn)換成機械能，步進電機將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運動。每個脈沖所產(chǎn)生的運動是精確的，并可重復，這就是步進電機為什么在定位應用中如此有效的原因。通過電磁感應定律我們很容易知道激勵一個線圈繞組將產(chǎn)生一個電磁場，分為北極和南極，見圖2.1所示。定子產(chǎn)生的磁場使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到與定子磁場對直。通過改變定子線圈的通電順序可使電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動。圖2.1激勵線圈產(chǎn)生電磁場2.1.2電機的步進順序1、兩相電機的單相通電步進順序在圖2.2中我們很清晰的展示了在單相通電時一個兩相步進電機的典型的步進順序。在第1步中，兩相定子的A相通電，因異性相吸，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示位置。當A相關(guān)閉、B相通電時，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)90°。在第3步中，B相關(guān)閉、A相通電，但極性與第1步相反，這促使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)90°。在第4步中，A相關(guān)閉、B相通電，極性與第2步相反。重復該順序促使轉(zhuǎn)子按90°的步距角順時針旋轉(zhuǎn)[8][9]。圖2.2兩相電機的單相通電步進順序2、兩相電機的雙相通電步進順序圖2.2中顯示的步進順序稱為“單相激勵”步進。更常用的步進方法是“雙相激勵”，其中電機的兩相一直通電。但是，一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性，見圖2.3所示。在第1步中，兩相定子的A相和B相同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step1位置。在第2步中，兩相定子的A相關(guān)閉，而B和a相（此時的a相通電極性與第1步A相反）同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step2位置。在第3步中，兩相定子的a相和b相同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step3位置。在第4步中，兩相定子的b相和A相同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step4位置。按照這樣的通電方式電機就轉(zhuǎn)過了一周[8][9]。兩相步進時，轉(zhuǎn)子與定子兩相之間的軸線處對直。由于兩相一直通電，本方法比“單相通電”步進多提供了41.1%的力矩，但輸入功率卻為2倍。圖2.3兩相電機的雙相通電步進順序第3章系統(tǒng)的硬件設計3.1系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)的組成及其對應功能簡述整個系統(tǒng)的組成包括單片機最小系統(tǒng)，電機驅(qū)動模塊，串口下載模塊，數(shù)碼管顯示模塊，電機驅(qū)動電流檢測模塊，獨立按鍵等模塊組成。具體框圖如圖3.1所示：圖3.1系統(tǒng)總體框圖單片機最小系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的控制核心，它主要負責產(chǎn)生控制步進電機轉(zhuǎn)動的脈沖，通過單片機的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進電機的脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)動的角度大小與單片機輸出的脈沖數(shù)成正比步進電機轉(zhuǎn)動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進電機轉(zhuǎn)動的的方向與輸出的脈沖順序有關(guān)。同時單片機系統(tǒng)還負責處理來自電機驅(qū)動電流檢測模塊檢測到的電流值。與此同時，單片機將會把電機轉(zhuǎn)速，電機的轉(zhuǎn)動方向，以及電流檢測模塊檢測到的電機驅(qū)動的電流通過數(shù)碼管顯示出來。電機驅(qū)動模塊負責將單片機發(fā)給步進電機的信號功率放大，從而驅(qū)動電機工作。串口主要是負責實行計算機和單片機之間的通信，將在計算機里面編寫好的程序下載到單片機芯片當中。LCD顯示模塊就主要是顯示電機轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)向，和通過電機的電流等系統(tǒng)的實時信息。電機驅(qū)動電流檢測模塊主要是檢測通過電機驅(qū)動芯片的電流，然后通過運放將檢測到的信號放大，最后將放大后的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片處理后送給單片機。3.2主從機硬件部件介紹3.2.1AT89S51簡介AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kbytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，功能強大。1、主要性能參數(shù)·與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容·4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲器·1000次擦寫周期·4.0－5.5V的工作電壓范圍·全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz·三級程序加密鎖·128×8字節(jié)內(nèi)部RAM·32個可編程I／O口線·2個16位定時／計數(shù)器·6個中斷源·全雙工串行UART通道·低功耗空閑和掉電模式·中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)2、功能特性概述AT89S51提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I／O口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時／計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時／計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。3、晶體振蕩器特性AT89S51一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。3.2.2TG12864E是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及128×64全點陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示,也可以8×4個（16×16點陣）漢字。主要技術(shù)參數(shù)和性能：1.電源：VDD：+2.7~+5V;模塊內(nèi)自帶-10V負壓，用于LCD的驅(qū)動電壓。2.顯示內(nèi)容：128（列）×64（行）點3.全屏幕點陣4.七種指令5.與CPU接口采用8位數(shù)據(jù)總線并行輸入輸出和8條控制線6.占空比1/647.工作溫度：-10℃~+60℃，儲存溫度：-20℃~+70℃,可選擇寬溫：-20℃~+3.2.3MAX485串行通信簡介MAX485芯片是Maxim公司的一種RS－485芯片。采用單一電源+5V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－485電平的功能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單,內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當/RE為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100Ω的電阻。進行串行口取電，可以驅(qū)動max232與max485實現(xiàn)通信。沒加負載時電壓有5.16V，加負載后降制3V左右。3.2.4NPN的達林頓管.由兩個三極管復合成.常用顯示原件3.2.5光電耦合器。是屬于光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被紅外線光電開關(guān)（光電傳感器）屬于光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均可檢測。產(chǎn)品廣泛用于電力儀表、電子儀器儀表、計數(shù)器、轉(zhuǎn)速測量、位置測量、傳真機、碎紙機等各種工業(yè)和民用場合。3.3LCD顯示電路設計