基于单片机的步进电机控制系统.docx
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基于单片机的步进电机控制系统
编号:
综合智能电子
实训(论文)说明书
题目:
院(系):
使用科技学院
专业:
电子信息工程
学生姓名:
学号:
指导教师:
2010年1月6日
引言
2.1.1结构及基本原理
2.1.2电机的步进顺序
3.2.2 TGI2864E简介
3.2.5 MOC70T2
摘要:
本文使用单片机、步进电机驱动芯片、字符型LCD和键盘阵列,构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。
二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动。
文中讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电机变频调速的方法。
步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法,可以有效地减少系统开发的周期和成本。
最后给出了步进电机控制系统的使用实例。
关键词:
步进电机控制系统,插补算法,变频调速,软硬件协同仿真
Inthispaper,microcontroller,steppermotordriverchips,characterLCDandkeypadarray,buildasetofsteppermotorcontrolleranddriverasoneofthesteppingmotorcontrolsystem.Two-dimensionaltableasachargedobjectbysteppermotordriveballscrewinX/Yaxislinkage.Thispaperdiscussesaminimumofparameterstodeterminethetrajectoryofacircularinterpolationmethodandthemethodoffrequencycontrolsteppermotor.Steppermotorcontrolsystemhasbeendevelopedusingthesoftwareandhardwareco-simulationmethod,caneffectivelyreducethesystemdevelopmentcycleandcost.Finally,thesteppermotorcontrolsystemapplicationexamples.
引言
步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机,国外一般称为Steppingmotor、
Pulsemotor或Stepperservo,其使用发展已有约80年的历史。
步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机,其位移速度和脉冲频率成正比,位移量和脉冲数成正比。
根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,在供给连续脉冲时,就能一步一步地连续转动,从而使电机旋转。
步进电机每转一周的步数相同,在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差,精度高,步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等。
正是由于步进电机具有突出的优点,所以成了机电一体化的关键产品之一,广泛使用在各种自动化控制系统中。
被广泛使用在电子计算机的许多外围设备中,例如打印机,纸带输送机构,卡片阅读机,主动轮驱动机构和存储器存取机构等,步进电机也在军用仪器,通信和雷达设备,摄影系统,光电组合装置,阀门控制,数控机床,电子钟,医疗设备及自动绘图仪,数字控制系统,工具机控制和程序控制系统。
对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。
用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势,也符合数字化的时代发展要求。
还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求,出现的步进电机细分驱动技术,就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式。
1 简介
步进电机
步进电动机上个世纪就出现了,它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别,也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。
上世纪80年代以后,由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现,步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。
步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电,同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。
到目前为止,步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。
单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。
该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用,它的优点是结构简单、成本低;缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗,尤其是在高频工作时更加严重,因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。
单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻,用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。
它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振,也带来了损耗大、效率低的缺点。
这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。
高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少,在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率,而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流,即采用加大绕组电流的注入量以提高出力,而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。
但是使用这种驱动方式的电机,其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形,致使电机的输出力矩有所下降。
这种驱动方式目前在实际使用中还比较常见。
为了弥补高低压电路中电流波形的下凹,提高输出转矩,七十年代中期研制出斩波电路,该电路由于采用斩波技术,使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动,流过绕组的有效电流相应增加,故电机的输出转矩增大,而且不需外接电阻,整个系统的功耗下降,效率较高,因而恒流斩波电路得到了广泛使用,本文正是使用恒流斩波技术实现了驱动控制。
为改善恒流驱动方式的低频特性,设计一个低速时低电压驱动,高速时高电压驱动的电路,使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。
在低速运行时,电子控制器调节功率开关管的导通角,使线路输出的平均电压较低,电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象,从而避免产生明显的振荡。
当运行速度逐渐变快时,平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。
调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路,但实际运行中需要针对不同参数的电机,相应调整其输出电压和输入频率的特性。
在一般的步进电机工作中,其电源均采用单极性直流电,通过对步进电机的各相绕组按恰当的时序方式通电,就可使其执行步进转动。
当某一相绕组通电时相应的两个磁极就分别形成N-S极产生磁场,并和转子形成磁路。
在磁场的作用下,转子将转动一定的角度,使转子齿和定子齿对其,从而使步进电机向前“走”一步。
转子的角位移大小及转速分别和输入的电脉冲数及频率成正比,并在时间上和输入的脉冲同步。
只要能正确控制输入的电脉冲数、频率以及电机各相绕组通电的相序,即可得到所需要的转角、转速及转向,通过单片机很容易实现对步进电机的数字控制。
本设计采用AT89S51单片机实现对两相步进电机的转速控制。
由单片机产生的脉冲信号经过脉冲分配器后分解出对应的四相脉冲,分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。
第2章 步进电机原理
2.1 步进电机的工作原理
2.1.1结构及基本原理
步进电机在结构上也是由定子和转子组成,可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。
当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场,该矢量场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁极磁场方向和定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。
因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。
每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距角,称为一步。
根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,在供给连续脉冲时,就能一步一步地连续转动,从而使电机旋转。
电机将电能转换成机械能,步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。
每个脉冲所产生的运动是精确的,并可重复,这就是步进电机为什么在定位使用中如此有效的原因。
通过电磁感应定律我们很容易知道激励一个线圈绕组将产生一个电磁场,分为北极和南极,见图2.1所示。
定子产生的磁场使转子转动到和定子磁场对直。
通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。
图2.1 激励线圈产生电磁场
2.1.2 电机的步进顺序
1、两相电机的单相通电步进顺序
在图2.2中我们很清晰的展示了在单相通电时一个两相步进电机的典型的步进顺序。
在第1步中,两相定子的A相通电,因异性相吸,其磁场将转子固定在图示位置。
当A相关闭、B相通电时,转子顺时针旋转90°。
在第3步中,B相关闭、A相通电,但极性和第1步相反,这促使转子再次旋转90°。
在第4步中,A相关闭、B相通电,极性和第2步相反。
重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转[8][9]。
图2.2 两相电机的单相通电步进顺序
2、两相电机的双相通电步进顺序
图2.2中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。
更常用的步进方法是“双相激励”,其中电机的两相一直通电。
但是,一次只能转换一相的极性,见图2.3所示。
在第1步中,两相定子的A相和B相同时通电,因异性相吸,再加上力的相互作用关系,其磁场将转子固定在图示step1位置。
在第2步中,两相定子的A相关闭,而B和a相(此时的a相通电极性和第1步A相反)同时通电,因异性相吸,再加上力的相互作用关系,其磁场将转子固定在图示step2位置。
在第3步中,两相定子的a相和b相同时通电,因异性相吸,再加上力的相互作用关系,其磁场将转子固定在图示step3位置。
在第4步中,两相定子的b相和A相同时通电,因异性相吸,再加上力的相互作用关系,其磁场将转子固定在图示step4位置。
按照这样的通电方式电机就转过了一周[8][9]。
两相步进时,转子和定子两相之间的轴线处对直。
由于两相一直通电,本方法比“单相通电”步进多提供了41.1%的力矩,但输入功率却为2倍。
图2.3 两相电机的双相通电步进顺序
第3章 系统的硬件设计
3.1 系统设计方案
系统的组成及其对应功能简述
整个系统的组成包括单片机最小系统,电机驱动模块,串口下载模块,数码管显示模块,电机驱动电流检测模块,独立按键等模块组成。
具体框图如图3.1所示:
图3.1 系统总体框图
单片机最小系统作为整个系统的控制核心,它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲,通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号,步进电机转动的角度大小和单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度和输出的脉冲频率成正比,而步进电机转动的的方向和输出的脉冲顺序有关。
同时单片机系统还负责处理来自电机驱动电流检测模块检测到的电流值。
和此同时,单片机将会把电机转速,电机的转动方向,以及电流检测模块检测到的电机驱动的电流通过数码管显示出来。
电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大,从而驱动电机工作。
串口主要是负责实行计算机和单片机之间的通信,将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。
LCD显示模块就主要是显示电机转速,电机转向,和通过电机的电流等系统的实时信息。
电机驱动电流检测模块主要是检测通过电机驱动芯片的电流,然后通过运放将检测到的信号放大,最后将放大后的信号通过模数转换芯片处理后送给单片机。
3.2 主从机硬件部件介绍
3.2.1 AT89S51简介
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,功能强大。
1、主要性能参数
·和MCS-51产品指令系统完全兼容
·4k字节在系统编程(ISP)Flash闪速存储器
·1000次擦写周期
·4.0-5.5V的工作电压范围
·全静态工作模式:
0Hz-33MHz
·三级程序加密锁
·128×8字节内部RAM
·32个可编程I/O口线
·2个16位定时/计数器
·6个中断源
·全双工串行UART通道
·低功耗空闲和掉电模式
·中断可从空闲模唤醒系统
2、功能特性概述
AT89S51提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,看门狗(WDT),两个数据指针,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3、晶体振荡器特性
AT89S51一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器和作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。
3.2.2 TGI2864E简介
TG12864E是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶
显示器组成。
可完成图形显示,也可以8×4个(16×16点阵)汉字。
主要技术参数和性能:
1.电源:
VDD:
+2.7~+5V;模块内自带-10V负压,用于LCD的驱动电压。
2.显示内容:
128(列)×64(行)点
3.全屏幕点阵
4.七种指令
5.和CPU接口采用8位数据总线并行输入输出和8条控制线
6.占空比1/64
7.工作温度:
-10℃~+60℃,储存温度:
-20℃~+70℃,可选择宽温:
-20℃~+70℃(工作温度);
3.2.3 MAX485串行通信简介
MAX485芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。
采用单一电源+5V工作,额定电流为300μA,采用半双工通讯方式。
它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。
MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。
RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端,和单片机连接时只需分别和单片机的RXD和TXD相连即可;/RE和DE端分别为接收和发送的使能端,当/RE为逻辑0时,器件处于接收状态;当DE为逻辑1时,器件处于发送状态,因为MAX485工作在半双工状态,所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可;A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时,代表发送的数据为1;当A的电平低于B端时,代表发送的数据为0。
在和单片机连接时接线非常简单。
只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。
同时将A和B端之间加匹配电阻,一般可选100Ω的电阻。
进行串行口取电,可以驱动max232和max485实现通信。
没加负载时电压有5.16V,加负载后降制3V左右。
3.2.4 TIP122简介
NPN的达林顿管.由两个三极管复合成.常用显示原件
3.2.5 MOC70T2简介
光电耦合器。
是属于光电接近开关的简称,它是利用被红外线光电开关(光电传感器)属于光电接近开关的简称,它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射,由同步回路选通而检测物体的有无,其物体不限于金属,对所有能反射光线的物体均可检测。
产品广泛用于电力仪表、电子仪器仪表、计数器、转速测量、位置测量、传真机、碎纸机等各种工业和民用场合。
3.3 LCD显示电路设计
本设计的显示部分可以用液晶显示的方案可供选择,液晶显示和数码管显示的区别主要体现在以下几个方面:
数码管显示内容单一,而液晶显示器显示内容丰富,因为液晶一般都是七段八字的只能显示单一的内容,而液晶显示的内容就很丰富;数码管还比液晶显示耗电,而且使用液晶也比使用数码管显得美观。
3.4 电机驱动模块设计
第4章 系统的软件实现
本系统的软件设计主要分为系统初始化、延时子程序、按键响应程序,数码管显示程序,读子程序及控制脉冲输出几部分,事实上每一部分都是紧密相关的,每个功能模块对于整体设计都是非常重要,单片机AT89S51通过软件编程才能使系统真正的运行起来,软件设计的好坏也直接决定了系统的运行质量。
程序流程图的设计遵循自顶向下的原则,即从主体遂逐步细分到每一个模块的流程。
在流程图中把设计者的控制过程梳理清楚。
具体程序的讲解将在本章各节做详细讲解。
4.1 系统软件主流程图
当给系统供电以后,通过单片机复位电路对系统进行上电复位系统经过初始化以后,便开始执行按键查询等待相应的操作,当有按键按下的时候程序便调用并执行相应的子程序,其具体的主流程图4.1如下所示:
4.1 主程序图
4.2 系统原理图
主机,如图4.2
图4.2主机部分
从机,如图4.3
图4.3从机部分
4.3 部分子程序
第五章调试
第六章总结
致谢
感谢我的室友们,有你们在行动和思想上的支持和鼓励,才使得我这次毕业设计能顺利完成。
感谢此次指导我完成这篇论文的老师,正因为有你们的指导和修改才有我这篇论文的完成。
感谢我的母校黄冈职业技术学院,尤其是机电系机电一体化专业所有的老师们,在这片净土读书三载,无形中塑造了我生命的气质、生活的方式,也练就了我乐观的心态和一颗感恩的心,没有你们悉心的指导和讲解,我不可能完成此次设计。
参考文献
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- 基于 单片机 步进 电机 控制系统