基于单片机的步进电机控制系统设计

2017 届电子信息工程专业本科毕业论文第 1 页 共 34 页基于单片机的步进电机控制系统设计摘要：步进电动机由于利用其组成的开环系统简单、廉价、实用价值高的特点。因此在精度要求比较高的精密仪器以及各种控制装置中有着极其广泛的应用如:喷绘机、刻字机、线切割、机器人等领域。本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用 C 语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序代码，通过单片机、电机的驱动芯片 ULN2003 以及相应的按键实现以上操作功能，步进电机的工作状态用相应的 LCD1602 显示。本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、软件程序。并对软、硬件进行调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。该设计具有思路清晰、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。关键词：步进电机 脉宽调制 驱动机构 单片机Abstract: Stepper motor due to the use of the open loop system consisting of a simple, cheap, and the characteristics of high practical value. So in accuracy requirement high precision instrument and various kinds of control device has the extremely widespread application, such as: spraying machine, carving machine, thread cutting, robot, etc. Is introduced in this paper a system based on single-chip stepper motor design, using C language to write the motor forward, reverse, acceleration, deceleration and stop the program code, through single chip, motor drive chip ULN2003 as well as the corresponding button to achieve the above operation function, the working state of the stepper motor with the corresponding LCD1602 display. Content of this article introduces the principle of step motor and single chip microcomputer, hardware circuit and software program of the system. And the hardware and software debugging, and introduces the debugging process problems and the methods to solve the problem. This design has ideas clearly, high reliability, strong stability, etc, through debugging realized the function.Key Words: Stepper motor; Pulse-width modulated; driving mechanism; scm 2017 届电子信息工程专业本科毕业论文第 2 页 共 34 页1 绪论1.1 引言在众多的执行元件中,步进电机是机电设备不可缺少的元件。步进电机是一种微型电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流。用此电流供电,电机才能正常运转,而它的具体工作过程是将电脉冲信号转换成相应的角位移或者是线位移来达到转动的目的。在数控系统、自动生产线、自动化仪表中应用电机实现其调速、快速起停、正反转控制的功能已普遍存在,它最突出的优点是能在宽频率中改变脉冲频率对步进电机实施控制。并且组成的开环系统利于人们控制,操作简便。微电子和计算机技术的日益成熟,使步进电机在工业电子自动化、印刷设备、机器人和智能医疗设备中的需求量不断提高,对于研制出具有高精确度、实时监控、数字显示的步进电机及其驱动控制系统有着很大的实用意义。这次设计选用 28BYJ-48 型号四相步进电机,它有三种工作模式,利用其单双相工作模式进行工作,使其提高步进的精度。整个控制系设计组成有:电机驱动电路的设计、液晶显示和按键部分设计三大模块。1.2 课题研究的目的和意义本文选用 28BYJ48 型五线四相步进电机,采用单双相工作模式。采用单片机控制脉冲数使其步进电机完成驱动,实现一系列指定工作要求。因为步进电机旋转是以固定的角度一步一步转动的,所以研究其工作原理和工作模式有着很大的实用意义。通过单片机的控制,让步进驱动器接收脉冲信号,驱动步进电机按预设定的方向,转动一个固定的角度,实现其指定功能。在扫描仪、打印机、DVD-ROM 驱动器的应用中尤为频繁。研究步进电机可以从研究单片机脉冲的控制开始入手,通过控制脉冲个数来控制步进电机的角位移量达到控制的目的。在实际工作过程中可以用作准确定位。通过设计硬件电路和程序编写,利用其上述步进电机的优点来作为设计目的,研究完成电机的工作模式和功能调试。2017 届电子信息工程专业本科毕业论文第 3 页 共 34 页2 系统硬件电路的设计2.1 步进电机介绍2.1.1 步进电机概述步进电机作为本系统的主要组成部件。它在不超载的状况下,其运行的转速、停止方位只由脉冲信号的频率和脉冲个数所决定,且不受负载变化而变化。它的积累误差几乎没有,要驱动步进电机转动时,只需按照一个脉冲信号驱动电机转过一个步距角的方法即可实现运转。这种特有的线性关系,让步进电机在速度和定位相关的行业中,变得非常易于控制。不同的步进电机又因为厂家设置的电机参数不同,性能也迥异,因此选择一个合适步进电机,了解其性能指标参数尤为重要,这决定了步进电机的应用场合。输入信号的时候,通过步进电动机对数字量能直接接收的特点,使其免去了大量繁琐的模拟量转换成数字量的工作,利用单片机简单的程序代码即可让其实现转动,因此非常适合用于微机控制。这次设计采用带减速比步距角为 5.625/64 度的四相永磁式步进电机。 步进电机的主要参数有如下: 1、相数:在不同磁力作用下 N、S 磁场的激磁线圈对数。一般用符号 m 表示。2、拍数:是指电机转过一个齿距角完成磁场周期变化所需要的脉冲数,常用 n 表示。以四相四拍运行方式为例:即 BC-CD-DA-AB-BC;四相八拍运行方式即 B-BC-C-CD-D-DA-A-AB-B.3、步距角:输入一个脉冲信号,步进电机所转过的机械位移(角位移)。转子转过的机械位移用 表示。=360 度/(转子齿数*运行拍数),以现在应用普遍的二、四相,转子齿轮数为 50 齿的步进电机作计算说明。四拍运行时步距角等于 1.8 度,八拍运行时步距角等于 0.9 度。通过计算:八拍运行时,不带减速齿轮情况下,步进电机转动一圈需要走 400 步。4、步距角精度:即电机实际转过的步距角和理论上计算的步距角之间的误差范围。四拍和八拍运行时,误差范围分别应该在为 5%和 15%以下。5、电机正反转控制：2017 届电子信息工程专业本科毕业论文第 4 页 共 34 页电机的正反转与电机内部绕组密切相关,通过相与相之间的通电顺序不同,转子产生的旋转方向便发生变化如:通电相序为 B-BC-C-CD-D-DA-A-AB 时则正转,通电相序为AB-A-DA-D-CD-C-BC-B 时则反转。2.1.2 步进电机的工作原理步进电机转动的工作原理是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移,当电流流过定子绕组时,定子绕组生成一个磁场。此磁场会使转子转过一个角度。给输入一个电脉冲信号进入电机,电机就转动一个角度。而输入信号的脉冲数与步进电机的角位移量成正比,输入信号脉冲频率高低又与电机转速成正比,因此只要改变绕组相通电的顺序,电机就会正反转动。所以可用控制脉冲的数量、频率高低、相绕组通电顺序的这些方法,来控制电机的转动。如下图所示 28BYJ48 五线四相步进电机工作原理图,采用单极性直流电源供电方式。通过对相绕组通电顺序的改变,使产生的磁场发生变化,磁力之间相互要达到平衡状态。使步进电机完成在不同拍数之间工作模式的转动。图 21 是该步进电机工作原理示意图。图 2-1 四相步进电机步进示意图单四拍工作时,开关 SB 合上时,其余三个开关断开。B 相磁极和转子 0、3 号齿对齐,同时转子的 1、4 号齿就和 C、D 相绕组磁极错开,直至相互之间的磁拉力达到平衡;2、52017 届电子信息工程专业本科毕业论文第 5 页 共 34 页号齿就和 D、A 相绕组磁极在磁拉力作用下错开,最后转子受力平衡不再转动。当开关 SC 合上时,其余三个开关断开。因为 C 相绕组产生的磁力线和 1、4 号齿之间磁力线的相互作用,所以转子因此而转动。磁力达到平衡后 1、4 号齿和 C 相绕组的磁极就随之对齐了。在磁拉力作用下 0、3 号齿和 A、B 相绕组开始错开;而在此时,2、5 号齿就与 A、D 相绕组磁极错开,相应的磁拉力达到平衡。按照上述方法依次类推出 A、B、C、D 相的通电顺序,则电机按照四个相数通电顺序依次转动。1 相励磁方式(单相)、2 相励磁方式(双相)与 1-2 相励磁方式(单双相)工作时的电源通电时序波形图分别如图 2-2 所示:图 2-2 步进电机工作时序波形图2.1.3 步进电机的分类与选择步进电机的种类划分可分为三种:反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机;作为特种电机来说,它们的应用各有如下优缺点:反应式步进电机,一般为三相。步距角可以设计得很小,一般为 1.5 度。此类电机可实现大转矩输出,但其缺点是动态性能相对较差,噪声和振动很大；80 年代在欧美发达国家中已被淘汰。永磁式步进电机,一般为两相。其优点是转矩出力大,动态性能好,转矩和体积较小。通常步进角为 7.5 度 或者为 15 度。2017 届电子信息工程专业本科毕业论文第 6 页 共 34 页混合式步进电机则融合了永磁式和反应式两者的优点。可分为两相和五相两种,且它们的步进角分别为 1.8 度和 0.72 度。这种在工业制造中的混合式步进电机应用甚广,不仅步距角小,输出力矩大,而且动态性能也很好。在智能设备以及精确度要求高的工艺加工中多用此类型步进电机。本设计中步进电机采用市场最常见的小型号 28BJY48 步进电机,此电机为四相八拍步进电机,工作电压为 5V。此步进电机具有体积小、价格便宜等优点。对于初步入门学习步进电机者来说,最为合适。28BJY48 步进电机具参数如图表 1-1 所示。表 1-1 28BJY48 步进电机参数28BJY48 步进电机以单双八拍为工作模式，其绕组通电时序为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，其步距角是最小步距角的 16 倍。通过单片机的 P1 口把电机的 A 相、B 相、C 相及 D 相的真值表转换成单片机能识别的十六进制，并通过脉冲控制 P1 口不同相序通电后步进电机的转动。步进电机真值表如表 1-2 所示。表 1-2 步进电机单双八拍旋转相序真值表橙（A） 黄（B）粉（C）蓝（D）十六制（P1 口）1 0 0 0 0x081 1 0 0 0x0c0 1 0 0 0x04电机型号电压V相数相电阻 10%步距角度 减速比起动转矩100P.P.Sg.cm起动频率P.P.S定位转矩g.cm28BYJ-48 5 4 300 5.625/64 1:64 300 550 3002017 届电子信息工程专业本科毕业论文第 7 页 共 34 页0 1 1 0 0x060 0 1 0 0x020 0 1 1 0x030 0 0 1 0x011 0 0 1 0x092.2 步进电机驱动系统介绍2.2.1 步进电机驱动系统简介步进电机工作时,不像直流电机那样直接通入交流电便可开始工作,需要专用设备进行驱动工作。其中步进电机驱动系统由选择也至关重要,性能不同的驱动系统的共同点是其组成部分大致都一样,都由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机三部分所组成。步进电机驱动系统的性能与很多因素有关如:驱动器自身性能优劣,以及驱动的电机和设计得驱动电路好坏等。而其工作过程是由步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号来完成的。每发出一个电脉冲,驱动器则驱动步进电机转子转过一个步距角,并依次按照发送电脉冲的顺序和个数让步进电机做出相应的转动。步进电机驱动器只要接收到来自单片机控制器的方向信号和步进脉冲后,控制电路就按已经设定好的相序通电方式,让相绕组通电或断电。通常,+5V 供电的单片机控制输出信号功率一般都不高,不能提供步进电机所需的输出功率,在运用设计电路知识时,应添加功率放大电路,此设计所用功率放大芯片为 UNL2003。2.2.2 步进电机绕组的电气特性步进电机各相绕组由铜线圈缠绕而成,涉及线圈那么可由电阻和电感特性分析电机相绕组,通过其分析电阻电感组成的电路,来分析电机工作时受影响的参数。当绕组通电时,由于电感会削弱电流,限制绕组电流上升的速率,因此能导致电机绕组电流大小发生变化。而绕组线圈电阻的存在又会使电机温度升高、电能白白损耗,最终影响其电机工作的工作状态。因此分析这些影响电机工作的因素尤为重要。2017 届电子信息工程专业本科毕业论文第 8 页 共 34 页图 2-3 电感-电阻串联电路及其电流波形图 2-3 为电感一电阻串联电路,由电机相绕组等效而来。当 t=0 时刻时,直流电压源 V 施加到该电路上,电路电流变化规律可由以下公式推导: I(t)=V(1-e-Rt/L)/R通电瞬间绕组电流上升速率为:di(0)/dt=V/t如图可知,当电流达到最大值时为:Imax=V/R由上图可知,当电路中的电流达到最大电流 Imax 的 63%时,所需要用的时间是由L/R 定义的时间常数决定的。在 t=t1 时刻,曲线到达最高点转而开始下降,电流开始以初始速率一 V/L 下降,直至逐渐下降为零。而此时刻反映在电路中的现象为:电路断开与直流电压源 V 接通,并使之短路。其电流变的化规律如下公式推导:I(t)=Ve-R(t-t1)/L/R如图 2-4 所示,在施加不同频率的电压矩形波之后,电流波形图中电流的大小变化。(a)片段所显示的是低频时运行时,步进电机电流能达到最大值;当矩形波频率上升达到某一临界频率。(b)片段所显示的是步进电机电流上升到最大值后立马变化随之下降;(c)