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毕业设计步进电机控制系统设计
天津职业技术师范大学
TianjinUniversityofTechnologyandEducation
毕业设计
专业:
测控技术与仪器
班级学号:
测控0702-01
学生姓名:
指导教师:
二〇一一年六月
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
步进电机控制系统设计
StepperMotorControlSystem
专业班级:
测控
学生姓名:
指导教师:
学院:
自动化与电气工程学院
2011年6月
摘要
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机械。
目前在国内外,使用单片机控制步进电机系统是一项成熟的技术,步进电机是数字控制电机,它将电脉冲信号转变成角位移,实质是一种数字/角度转换器,将电脉冲转化为角位移的执行机械,它通过控制脉冲的个数来控制角位移量,通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度。
本文主要论述一种基于AT89C51单片机的步进电机控制系统的设计。
此系统主要由单片机与键盘电路和脉冲分配电路与驱动电路两部分组成。
其中包含键盘输入电路、AT89C51单片机、脉冲分配电路与驱动电路、LCD显示、步进电机控制等技术,通过单片机控制电机的正、反转、加速和减速以及停止,并在LCD上显示出来,实现电机的简便操作。
关键词:
AT89C51单片机;键盘输入电路;脉冲分配电路与驱动电路;步进电机;LCD显示
ABSTRACT
Steppermotorisakindofangulardisplacementofelectricalpulsesintotheimplementationmachinery.Currentlyathomeandabroad,theuseofSCMcontrolsteppermotorsystemisamaturetechnology,digitalcontrolofsteppermotorisamotor,itwillbeelectricpulsesignalintoangulardisplacement,inessence,adigital/angleconverter,theelectricalpulseConvertedtoangulardisplacementoftheimplementationofmachinery,itbycontrollingthenumberofpulsestocontroltheangulardisplacement,bycontrollingthepulsefrequencytocontrolthemotorrotationspeedandacceleration.
ThispaperdiscussestheAT89C51microcontrollerbasedsteppermotorcontrolsystemdesign.Thissystemconsistsofmicrocontrollerandthekeyboardcircuitandpulsedistributioncircuitanddrivecircuitcomposedoftwoparts.Includeskeyboardinputcircuit,AT89C51microcontroller,pulsedistributioncircuitsanddrivecircuits,LCDdisplays,steppermotorcontroltechnology,throughthemicrocontrolleristocontrolthemotor,reverse,accelerationanddecelerationandstop,anddisplayedontheLCD,toachieveSimplemotoroperation.
Keywords:
AT89C51microcontroller;keyboardinputcircuit;pulsedistributioncircuitanddrivercircuit;steppermotor;LCDdisplay
1绪论
1.1步进电机的发展、现状及趋势
步进电机的发展与计算机工业密切相关。
自从步进电机在计算机外围设备中取代小型直流电机以后,使其设备的性能提高,很快地促进了步进电机的发展。
另一方面,微型计算机和数字控制技术的发展,又将作为数控系统执行部件的步进电机推广应用到其他领域,如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。
1.1.1步进电机的基本参数
1)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,然后一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。
2)电机固有步距角:
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°),这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。
3)步进电机的相数:
是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。
在没有细分驱动器时,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。
4)保持转矩(HOLDING TORQUE):
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
为了衡量步进电机最重要的参数之一。
比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
1.1.2步进电机的动态指标及术语
1)步距角精度:
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分表示:
误差/步距角*100%。
不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在5%之内,八拍运行时应在15%以内。
2)失步:
电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。
称之为失步。
3)失调角:
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的。
4)最大空载起动频率:
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的最大频率。
5)最大空载的运行频率:
电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率。
6)运行矩频特性:
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据。
7)电机的共振点:
步进电机均有固定的共振区域,二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角为0.9度),电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多。
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
电机一旦选定,电机的静力矩确定而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态流)平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬。
1.1.3步进电机的分类
步进电机分为三大类:
1)反应式步进电机(VAriABleReluCtAnCe,简称VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的,转子中没有绕组。
它的结构简单,成本距角可以做得很小,但动态性能较差。
反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。
2)永磁式步进电机(PermAnentMAgnet),简称PM永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的,转子本身就是一个磁源。
转子的极数和定子的极数相同,所以一般步进角比较大,它输出转矩大,动态性能好,消耗功率小(相比反应式),但启动运行频率较低,还需要正负脉冲供电。
3)混合式步进电机(HyBrid,简称HB)混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。
混合式与传统的反应式相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。
因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。
这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的,后来发现如果各相绕组通以脉冲电流,这种电动机也能做步进增量运动。
由于能够开环运行以及控制系统比较简单,因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。
步进电机有这三种基本结构形式,即永磁式步进电机,反应式步进电机和混合式步进电机。
经实践考验,在工业上获得广泛应用的主要有两类:
反应式步进电机和混合式步进电机。
而混合式步进电机综合了反应式和永磁式步进电机两者的优点。
与反应式步进电机相比,混合式步进电机具有如下一些特点:
①极对数等于转子齿数,可以根据需要在很大范围内变化。
对于多极对数的混合式步进电机,方波驱动就可以获得较高的分辨率,可作为低速同步电机运行;对于少极对数的混合式步进电机,可作为具有宽广调速范围的调速电机。
②转子磁钢提供激励。
在相同条件下,其激励安匝只有反应式步进电机的1/3~1/2,利于功率逆变器的设计和配置,降低成本,提高可靠性和系统效率。
③绕组电感随转子位置变化小,使系统控制简单化,易于实现最佳运行控制。
④在整个运行区域没有明显的振荡,易于减小力矩波动。
⑤混合式步进电机是轴向充磁磁路,永磁体夹在两段转子铁芯中间,用量少,易于采用高磁能积的新型永磁材料,有利于电机性能的提高。
因此混合式步进电机的应用最为广泛,是国外主流产品,国内也已经大面积取代反应式步进电机成为市场热点。
混合式步进电机最典型的产品时二相八级五十齿的电机,步踞角全步/半步;还有五相十级五十齿和一些转子一百齿的二相和五相步进电机,五相电机主要用于运行性能较高的场合。
步进电机最大的生产国是日本,如日本伺服公司、东方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等,特别是日本东方公司,无论是电机性能和外观质量,还是生产手段,都堪称是世界上最好的。
现在日本步进电机年产量(含国外独资企业)近两亿台。
混合式步进电机目前的研究方向正在向以下四个方向发展。
①继续沿着小型化的方向发展。
随着电机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化,要求与之配套的电动机也必须越来越小,在57、42机座号的电机应用了多年后,现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。
②改圆形电机为方形电机。
由于电机采用方形结构,使得转子有可能设计得比圆形大,因而其力矩体积比将大为提高。
同样机座号的电机,方形的力矩比圆形的将提高30%~40%。
③对电机进行综合设计。
即把转子位置传感器,减速齿轮等和电机本体综合设计在仪器,这样使其能方便地组成一个闭环系统,因而具有更加优越的控制性能。
④向五相和三相电机方向发展。
目前广泛应用的二相和四相电机,其振动和噪声较大,而五相和三相电机具有优越性。
而就这两种电机而言,五相电机的驱动电路比三相电机精密且复杂,因此三相电机系统的价格比要比五相电机更低一些。
1.2本设计研究的目的和意义
目前在国内外,使用单片机控制步进电机系统是一项成熟的技术,步进电机是数字控制电机,它将电脉冲信号转变成角位移,实质是一种数字/角度转换器,将电脉冲转化为角位移的执行机械,它通过控制脉冲的个数来控制角位移量,通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度。
针对上述问题,本设计的研究与实践可以加强学生对步进脉冲信产生电路、转向控制信号产生电路、功率放大电路和单片机控制的C51编程的理解和应用。
1.3本文研究的主要内容
本文主要从单片机控制步进电机的调速控制出发,论述了单片机与键盘电路和脉冲分配电路与驱动电路部分的设计思路、基本原理、各个功能模块的选择和应用以及二者之间的联系方式。
同时给出了设计过程中使用到的硬件电路图和程序清单等。
主要完成的工作有:
对目前市场上各类电动机的发展状况进行了解,制定出合理的设计方案。
根据所制定的方案,明确设计思路,给出单片机与键盘电路和脉冲分配电路与驱动电路的主要结构框架图并对每个模块进行仔细的研究,完成两部分的硬件电路设计与软件程序的编写。
2步进电机控制系统的工作原理及总体设计方案
2.1步进电机控制系统的工作原理
步进电机控制系统的工作步骤:
硬件部分实现电机转动和速度显示功能,包括控制开关模块;电机转动模块和速度显示模块。
软件部分实现对步进电机的控制功能,主要设计思想通过控制台控制程序的开关来控制电机的转动,由电机反馈回来的数据经单片机控制显示器显示数据。
步进电机系统的基本框图如图2-1所示。
图2-1步进电机系统基本框图
2.2步进电机控制系统的总体设计方案
步进电机控制系统包括单片机与键盘电路和脉冲分配与驱动电路两部分,步进电机正常工作需要提供具有一定驱动能力的脉冲信号,脉冲信号由单片机输出的激励信号经过脉冲分配产生。
设计方案如图2-2所示。
图2-2步进电机控制系统设计图
3步进电机控制系统的硬件电路设计
3.1单片机的设计
本设计采用的是AT89C51型单片机,以下将对这部分进行详细介绍。
3.1.1单片机介绍
近年来,单片机系统以其体积小、功耗低、功能强、扩展灵活、使用方便等特点逐渐渗透到各行各业的工程实际应用中。
单片机的全称为微型计算机(Sing-ChipMicrocomputer)或微型控制器(Micro-controller)。
由于它具有许多适用于控制的指令和硬件支持而广泛应用于工业控制、仪器仪表、外设控制、顺序控制器中,所以又称为微控制单元(MCU)。
它在一块芯片上集成了中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时器/计数器和多种输入/输出(如并行I/O、串行I/O)和A/D转换器等。
就其组成而言一块单片机就是一台计算机。
典型的结构如图3-1所示。
图3-1单片机结构图
89C51系列单片机是一种低功耗、高性能的8位单片机。
它采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器(NURAM)技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容;片内的FlashROM允许在系统内改变程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。
因此89C51单片机是一种功能强、灵活性高,且价格合理的单片机,可方便的应用在各种控制领域。
89C51单片机芯片内包括:
一个8位的80C51微处理器(CPU)片内256字节数据存储器RAM/SFR,用以存放可以读/写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。
片内4KB程序存储器FlashROM,用以存放程序、一些原始数据和表格。
4个8位并行I/O端口P0~P3,每个端口既可以用作输入,也可以用作输出。
两个16位的定时器/计数器,每个定时器/计数器都可以设置成计数方式,用以对外部事件进行计数,也可以设置成定时方式,并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。
具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统。
一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口,用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信。
片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需要外接,最高允许振荡频率为24MHz。
89C51单片机与8051相比,具有节电工作方式,即休闲方式和掉电方式。
以上各个部分通过片内8位数据总线(DBUS)相连接。
另外89C51是用静态逻辑来设计的,其工作频率可下降到0Hz,并提供两种可用软件来选择的省电方式—空闲方式(IdleMode)和掉电方式(PowerDownMode)。
在空闲方式中,CPU停止工作,而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。
此时的电流可降到大约为正常工作方式的15%。
在掉电方式中,片内振荡器停止工作,由于时钟被“冻结”,使一切功能都暂停,只保存片内RAM中的内容,直到下一次硬件复位为止。
这种方式下的电流可降到15μA以下,最小可降到0.6μA。
3.1.2单片机引脚功能
按照功能,89C51的引脚可分为电源、外接晶体振荡、I/O口和控制信号等。
其引脚图如图3-2所示。
下面将对89C51的引脚进行介绍。
电源引脚Vcc(40脚)为电源端,是+5V;Vss(20脚)是接地端。
外接晶体引脚:
XTAL2(18脚)是接外部晶体和微调电容的一端。
在89C51片内它是振荡电路反向放大器的输出端,振荡电路的频率就是晶体的固有频率。
若须采用外部时钟电路,则该引脚悬空。
要检查89C51的振荡电路是否正常工作,可以用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。
XTAL1(19引脚)是接外部晶体和微调电容的另一端。
在片内,它是振荡电路反向放大器的输入端。
在采用外部时钟时,该引脚输入外部时钟脉冲。
控制信号引脚RST、ALE、
和
:
图3-251系列单片机引脚图
RST(9脚):
RST是复位信号输入端,高电平有效。
当此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时,就可以完成复位操作。
ALE/
(30脚):
地址锁存允许信号端。
当89C51上电正常工作后,ALE引脚不断向外输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
CPU访问片外存储器时,ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。
平时不访问片外存储器时,ALE端也以振荡频率的1/6固定输出正脉冲,因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。
如果想确认89C51芯片的好坏,可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。
若有脉冲信号输出,则89C51基本上是好的。
ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL(低功耗甚高速TTL)负载。
此引脚的第2功能
在对片内带有4KBFlashROM的89C51编程写入(固化程序)时,作为编程脉冲输入端。
(29脚):
程序存储允许输出信号端。
当89C51由片外程序存储器取指令(或常数)时,每个机器周期两次
有效(即输出2个脉冲)。
但在此期间内,每当访问外部数据存储器时,这两次有效的
信号将不出现。
端同样可以驱动8个LS型TTL负载。
要检查一个89C51小系统上电后CPU能否正常工作,也可用示波器看
端有无脉冲输出。
如有,则说明基本上工作正常。
/Vpp(31脚):
外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。
当
引脚接高电平时,CPU只访问片内PlashROM并执行内部程序存储器中的指令;但当PC(程序计数器)的值超过0FFFH(对89C51为4KB)时,将自动转去执行片外程序存储器内的程序。
当输入信号
引脚接低电平(接地)时,CPU只访问片外ROM并执行片外存储器中的指令,而不管是否有片内程序存储器。
然而需要注意的是,如果保密位LB1被编程,则复位时在内部会锁存
端的状态。
当
端保持高电平(接Vcc端)时,CPU则执行内部程序存储器中的程序。
在FlashROM编程期间,该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp(如果选用12V编程)。
I/O端口P0、P1、P2和P3:
P0端口(P0.0~P0.7,39~32脚):
P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。
作为漏极开路的输出端口,每位能驱动8个LS型TTL负载。
当P0口作为输入口使用时,应先向口锁存器(地址80H)写入全1,此时P0口的全部引脚浮空,可以作为高阻抗输入。
作输入口使用时要先写1,这就是准双向的含义。
在CPU访问片外存储器(89C51片外EPROM或RAM)时,P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。
在此期间,P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编程时,P0端口接收指令字节;而在校验程序时,则输出指令字节。
验证时,要求外接上拉电阻。
P1端口(P1.0~P1.7):
P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P1的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这是可以用作输入口。
P1作输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在对FlashROM编程和程序校验时,P1接收低8位地址。
P2端口(P2.0~P2.7):
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可以用作输入口。
P2作输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器(如执行“MOVX@DPTR”指令)时,P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行“MOVX@R1”指令)时,P2口引脚上的内容(就是专用寄存器(SFR)区中P2寄存器的内容),在整个访问期间不会改变。
在对FlashROM编程和程序校验期间,P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3端口(P3.0~P3.7):
P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可以用作输入口。
P3作输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在对FlashROM编程或程序校验时,P3还接收到一些控制信号。
在89C51中,P3端口还用于一些复用功能。
其复用功能如表3-1所示。
表3-1P3各引脚与复位功能端口
端口引脚
复用功能
P3.0
RDX(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
(外部中断0)
P3.3
(外部中断1)
P3.4
T0(定时器0的外部输入)
P3.5
T1(定时器1的外部输入)
P3.6
(外部数据存储器写选通)
P3.7
(外部数据存储器读选通)
3.1.3单片机最小系统
在单片机电路中,时钟电路和复位电路是非常重要的。
复位电路的基本功能是:
系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤销复位信号。
为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。
许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。
本设计采用的复位电路如图3-3所示,以电平方式通过按键进行手动复位,当按键B5被按下后复位端通过电阻与VCC相连。
时钟电路是为单片机提供精确定时的内置电路,主要用于计
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