基于单片机控制步进电机的旋转.doc

山西大同大学本科生毕业设计中文题目：基于单片机控制步进电机的旋转 英文题目：based on single-chip microcomputer control stepping motor rotation 学 院： 煤炭工程学院 姓 名： 谢雅琴 学 号： 100806021229 专 业： 自动化 班 级： 二班 指导教师： 王官升 职 称： 副教授 完成日期： 2014 年 6 月 1 日山西大同大学2014届本科毕业设计选题审批表学院：煤炭工程学院 系别： 电气工程系 专业： 自动化 学生姓名谢雅琴学号100806021229指导教师王官升职称副教授所选题目名称： 基于单片机控制步进电机的旋转 选题性质： ( )a.理论研究 ( )b.应用研究 ( )c.应用理论研究 ( )d.产品设计 ()e.工程技术开发 ( )f.软件开发与应用 ( )g.其它选题的目的和意义：随着工业自动化的发展，步进电机的应用越来越广泛。步进电机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应额角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起听，正反转控制。并且用其组成的开环系统即简单，廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，研制步进电机的驱动及其控制系统意义重大。指导教师意见： 签字： 年 月 日学院意见： 签字： 年 月 日备注：山西大同大学2014届本科毕业设计开题报告学院：煤炭工程学院 系别： 电气工程系 专业： 自动化论文题目基于单片机控制步进电机的旋转论文类型a理论研究；b应用研究；c应用理论研究；d产品设计；（e）工程技术开发；f软件开发与应有；g其它指导教师王官升职称副教授学生姓名谢雅琴 学号100806021229一、研究现状、目标、意义综述我国步进电机的研究现状：步进电机的研究和制造主要是从本世纪50年代后期开始，50年代后期到60年代后期主要是科研机构和一些高等院校来研究一些装置或是开发一些产品。在文革期间，全国各地都大量生产和应用步进电机，而且都在各个行业里使用，其中半导体器件的驱动电路器件都是国产。70年代到80年代，各种混合式步进电机和驱动器作为产品已广泛应用。目前，能生产步进电机的厂家非常多，但大部分都属于仿制，具有专业技术人员，又能自行开发研制的生产厂家非常缺，虽然步进电机应用广泛，但并不能像交流电机，直流电机常规使用。它必须由脉冲信号、功率驱动电路组成控制系统才能使用。所以用好步进电机并不是件容易事，它涉及到机械、电子、电机、计算机等多个领域的专业知识。 现代社会里，科技的进步，使得电机的应用越来越广泛。我们接触到的无论是交通工具，还是家电，大多都会与电机的运转有关。步进电机是电机的一种，它可以通过开路控制，达到准确定位和调速的目的。一些重要的领域普通电机是无法代替的。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，用于工业自动化生产的机具设备和电脑的外设。比如，切割机和打印机都大量使用步进电机。 现在越来越多在控制精密要求的系统中开始采用步进电机，应用范围也越来越广。一般小功率步进电机采用单片机和专用步进电机驱动来联合工作，单片机产生脉冲来控制开启、正反转和变速等。专用步进电机驱动呈环形分配脉冲及功率驱动。这种控制方式成本低，体积小，简单易于实现。所以研制步进电机驱动器及控制系统具有十分重要的意义。二、研究方法和进度安排序号研究方法进度安排1准备资料，写开题报告第一周到第二周2学习步进电机知识和单片机知识第三周到第五周3控制方案确定第六周到第七周4程序的调试第八周5硬件电路的焊接，测试与修改第九周到第十周6撰写论文第十一周.7修改和定稿，完成论文和答辩提纲第十二周三、指导教师意见 指导教师签字： 年 月 日山西大同大学2014届本科毕业设计中期检查表学院：煤炭工程学院 系别： 电气工程系 专业： 自动化 论文(设计)题目： 基于单片机控制步进电机的旋转 学生姓名谢雅琴学号100806021229指导教师王官升职称副教授综述学生在设计完成过程中的研究态度、与指导教师联系情况以及存在的问题的解决情况。本人查找了充足丰富的资料文献并上网搜索一批有价值的咨讯，认真的拟定了论文题目，确定了论文基本思路，在初期阶段完成了论文设计书和开题报告，接着依照本论文的基本框架草拟出论文初稿，并在王老师的细心耐心的指导下完成了初稿。本人在完成论文阶段存在些问题，有些重点部分内容拓展的不够，布局方面需要调整，在合适板块应该适当采用三级标题。学生签字： 指导教师签字： 年 月 日 年 月 日山西大同大学2014届本科毕业设计指导教师评分表学院：煤炭工程学院 系别：电气工程系 专业： 自动化论文(设计)题目：基于单片机控制步进电机的旋转学生姓名谢雅琴学 号100806021229指导教师王官升职 称副教授指导教师评语：指导教师签字： 年 月 日评 价 项 目abcde写作过程01写作过程中的认真程度02写作过程中，进度掌握情况选题质量03选题与专业培养目标相符情况04选题体现专业特点情况05选题体现三基的要求情况论文质量06知识综合运用能力07结构、方案设计、应用价值08写作规范情况指导教师评定成绩 优 良 中 及格 不及格毕业设计分工情况：(多人合作时填写，包括本人研究的内容及其在课题中所占比例)评定成绩参考：优-7项a，另一项为b；良-6项b或a，其它至少为b；中-5项b或a，其它至少为c；及格-4项b或a，其它至少为d；不及格-4项为e。山西大同大学2014届本科毕业设计评阅人评分表学院：煤炭工程学院 系别： 电气工程系 专业： 自动化论文(设计)题目：基于单片机控制步进电机的旋转学生姓名谢雅琴学 号100806021229指导教师王官升职 称副教授评 阅 人职 称评阅人评鉴评审项目指 标abcde选题质量01选题与专业培养目标相符情况02选题体现专业特点情况能力水平03综合运用知识能力04运用资料文献能力05研究方案的设计能力论文水平06论点论据、语言表达07整体结构、应用价值08写作规范情况评阅人评定成绩优 良 中 及格 不及格评定成绩参考：优-7项a，另一项为b；良-6项b或a，其它至少为b；中-5项b或a，其它至少为c；及格-四项b或a，其它至少为d；不及格-4项为e。山西大同大学2014届本科毕业设计答辩评分表学院：煤炭工程学院 系别：电气工程系 专业： 自动化论文题目：基于单片机控制步进电机的旋转学生姓名谢雅琴学 号100806021229指导教师评分指导教师王官升职 称副教授评阅人评分答辩委员会/答辩小组名单姓 名性 别职 称学 位答辩小组职务李荣生男副教授学士组长薛尚红男副教授学士秘书王官升男副教授硕士成员张楠男讲师硕士成员答辩委员会（答辩小组评鉴）评审项目指标abcde论文评价01选题与专业培养目标相符情况02选题体现专业特点情况03综合运用知识能力04运用资料文献能力05研究方案设计能力06论点论据、语言表达07整体结构、应用价值08写作规范情况答辩表现09自述情况10答辩过程答辩委员会综合评定成绩优 良 中 及格 不及格毕业设计(设计)最终得分：答辩委员会主任(或组长)签字： 年 月 日评定成绩参考：优-9项a，另一项为b；良-8项b或a，其它至少为b；中-7项b或a，其它至少为c；及格-6项b或a，其它至少为d；不及格-5项为e。山西大同大学2014届本科毕业生设计答辩记录表煤炭工程 学院 自动化专业 2010 级 姓名 谢雅琴 学号 100806021229 论文题目基于单片机控制步进电机的旋转答辩委员会主席(或组长)职称答辩委员会秘 书答辩委员会成 员答辩记录(包含答辩委员提出的问题，学生回答情况等)记录人签字： 答辩委员会主任（答辩小组组长）(签字)：年 月 日 年 月 日摘 要本文详细介绍了基于单片机控制步进电机旋转的设计，以51系列单片机at80c51为控制核心，对步进电机的旋转进行控制。在本文中，分别介绍了步进电机的原理，单片机原理，系统的硬件电路以及程序组成。通过单片机、电机的驱动芯片uln2003a以及相应的开关去实现控制电机的正转、反转、加速、减速、停止，并对该系统进行硬件调试。本设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强，模块化设计，结构简单，人机交互换界面，操作简单的特点。这个系统可应用于在大多数机电一体化步进电机的控制。实践证明，与传统步进电机控制器相比，单片机控制的步进电机控制更加简单、操作方便、可靠，它具有更好的性能关键词：步进电机；驱动芯片uln2003a；单片机；控制旋转abstractthis thesis bases on the design of the principle that microcontroller controls the stepper motor to rotate, regards 51 series mcu at80c51 as the cybernetics core and finally controls the rotation of stepper motor. it introduces the principle of stepper motor and microcontroller; the hardware circuit of the system and program composition. it achieves the motor of forward, inversion, acceleration, deceleration, stopping microcontroller through the chip of motor drive uln2003a and corresponding switch to and debugs the hardware. this design has the features of high reliability, stability, modular design, simple structure, human-computer interaction interface and simple operation. the system can be used in most of the control of mechatronics stepper motor.practice has proved that, microcontroller is more simple, convenient and reliable. it has better performance than conventional stepper controller.keywords: step motor; drive chip uln2003a; mcu; control the rotation目 录1 绪 论11.1 课题的背景11.2 步进电机的发展概况11.3 课题研究内容22 步进电机的基本介绍32.1 步进电机的原理32.2 步进电机的主要参数3 2.2.1步进电机的静态指标术语3 2.2.2 步进电机的动态指标术语42.3步进电机的特点52.4步进电机的分类52.5四相步进电机的工作原理62.6步进电机的选型8 2.6.1步距角的选择8 2.6.2静力矩的选择8 2.6.3电流的选择83 步进电机的驱动技术分析及uln2003a芯片说明103.1单电压功率驱动接口103.2双电压功率驱动接口113.3高低压功率驱动接口113.4斩波恒流功率驱动接口123.5升频升压功率驱动接口133.6集成功率驱动接口133.7 uln2003a芯片说明134 步进电机的单片机控制174.1单片机的基本原理174.2 80c51单片机的基本介绍174.2.1 80c51单片机主要结构组成174.2.2 80c51单片机引脚说明184.3驱动系统总体结构204.4驱动系统的驱动原理214.4.1步进电机的控制信号214.4.2 uln2003a驱动芯片应用224.4.3单片机控制信号的输出和编程224.5电路结构及工作原理264.5.1按键开关部分284.5.2驱动芯片部分285 驱动系统的调试296 结论30参考文献31致 谢32833山西大同大学煤炭工程学院2014届本科生毕业设计1 绪 论1.1课题的背景步进电机是一种将脉冲信号转换成相应的线性位移（角位移）的电磁装置，是一种纯粹的数字控制电机。由于步进电机的精确性和良好的性能，可以将数字脉冲控制的信号直接转换成一定数值的线性位移，并且自动的产生定位转矩，进而使转轴锁定。当前打印机，机器人，数控机床等设备都是以步进电机为核心。在各种控制系统及办公自动化设备等领域中，具有极其广泛的应用。 在现代社会，随着科技的进步，使得电机的应用越来越广泛。我们接触的不管交通工具，还是家电，大多都离不开电机的运转。步进电机是电机的一种，它可以通过开环控制，达到准确定位和调速的目的。在一些重要的领域普通电机是无法代替的。由于微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求与日俱增，大量用于工业自动化生产的机具设备以及电脑的外设。比如，切割机和打印机都大量用到步进电机。 现在步进电机开始应用在控制精密要求的系统中，其应用范围也越来越普遍。一般小功率步进电机都使用单片机来驱动工作，运用单片机产生的脉冲来控制开启、正反转和变速等。这种控制方式具有成本低，体积小，操作简单，易于实现的优点。所以对于研究步进电机的控制系统，具有十分远大的意义。为此，本文设计了单片机控制步进电机的驱动程序，完成对步进电机转速以及转动方向的控制。1.2步进电机的发展概况步进电机的研究和制造主要是从本世纪50年代后期开始，在50年代后期到60年代后期主要是科研机构和一些高等院校来研究一些装置或是开发一些产品。在文革期间，全国各地都大量生产和应用步进电机，而且都在各个行业里使用，其中半导体器件的驱动电路器件都是国产。70年代到80年代，各种混合式步进电机和驱动器作为产品已广泛应用。目前，能生产步进电机的厂家非常多，但大部分都属于仿制，具有专业技术人员，又能自行开发研制的生产厂家非常缺，虽然步进电机应用广泛，但并不能像交流电机，直流电机常规使用。它必须由脉冲信号、功率驱动电路组成控制系统才能使用。用好步进电机不是一件易事，它涉及到机械、电子、电机、计算机等多个领域的专业知识。综合上述情况考虑，本文决定选用四相混合式步进电机，叙述其基本工作原理及设计简单的驱动程序。1.3课题研究内容本课题采用的研究方法是运用单片机用软件的方式配合有关芯片和电路元件，达到片机来控制步进电机，控制步进电机的速度，并实现它的正反转，使其能在一定的范围下运行，以达到对步进电机的最佳控制，使用步进电机简单的工作方式来实现个性化操作，以满足不同用户的要求。在期间对有可能发生的问题进行论述，并且提出有效的解决方法。2 步进电机的基础介绍步进电机是将脉冲信号转变成对应的线性位移（角位移）的电磁装置。步进电机由于精确性良好的性能，组成的开环系统不仅简单而且廉价，可行性高，目前打印机，机器人，数控机床等设备都是以其为核心。在各种控制系统和办公自动化设备等领域中有着极其广泛的应用。 2.1步进电机的原理一般情况下电机的转子是永磁体，随着电流流过定子绕组，一矢量磁场就会出现在定子绕组上。由于磁场的存在，会引起转子的旋转，而且转子的磁场方向与定子的一致。当定子的矢量磁场转动时，转子也随着该磁场同角度的转动。输入一个电脉冲，电机转动一个角度，前进一步。输出的角位移和输入的脉冲数、转速与脉冲频率成正比例关系。而且改变绕组通电的顺序，电机就会反向转动。综述可知，控制步进电机的转动可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序的方法来实现。2.2步进电机的主要参数2.2.1步进电机的静态指标术语1.相数：是指电机内部的线圈组数，常用m表示。当前经常使用的有二相、三相、四相、五相步进电机。 2.拍数：步进电机绕组的每一次通断电称作一拍，经历一次完整的磁场周期性变化需要的脉冲数或者导电状态，常用n表示，也就是电机转过一个齿距角需要的脉冲数，以三相电机为例，有三相三拍运行方式即ab-bc-ca，三相六拍运行方式即 a-ab-b-bc-c-ca。 3.步距角：输入一个脉冲信号，电机转子转过的相应角位移，常用表示。=360度/（转子齿数j*运行拍数），用常用的二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时的步距角为=360度/（50*4）=1.8度（也称整步），八拍运行时的步距角为=360度/（50*8）=0.9度（也称半步）。4.定位转矩：电机断电时，电机转子所固有的锁定力矩，一般是由磁场齿形的谐波和机械误差等原因造成的。5.保持转矩： 在步进电机通电时，但转子没有转动的情况下，转子的力矩被定子锁定。通常在低速时，步进电机的力矩接近保持转矩。随着速度的增大，而步进电机的输出力矩不断衰减，输出功率也在相应的变化，所以保持转矩是衡量步进电机重要的参数。比如，当我们谈到6n.m的步进电机,在没有具体特殊说明的情况，就是指保持转矩是6n.m的步进电机。 6.静转矩：当电机处于额定静态电作用的状态下，电机不旋转时，电机转轴的锁定力矩。是衡量电机体积（volume）的标准，不受驱动电压及驱动电源的控制。静转矩和电磁激磁安匝数成正比关系，受定齿转子间的气隙的影响，但提高静力矩不可以一味的采用减小气隙，增加激磁安匝的方法，这样会带来电机的发热及机械噪音的弊端。2.2.2步进电机的动态指标术语1.步距角精度步进电机转过每个步距角的所需实际值和理论值的偏差。用百分比表示：偏差/步距角*100%。与拍数有关，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.失调角转子齿轴线与定子齿轴线的偏移角度，电机只要运转，就一定有失调角的存在，失调角产生的误差一般无法消除。4.最大空载起动频率在某种驱动形式下，在负载为零的情况下，电机能够直接起动的最大频率。5.最大空载的运行频率在某种驱动形下，在负载为零的情况下，电机的最高转速频率。2.3步进电机的特点步进电机通过脉冲信号控制转动，而脉冲也就是数字信号，这是计算机专攻的领域。自上世纪80年代开始，研究开发出了专用的ic驱动电路，随着科学的发展，研究成果的成熟，在21世纪的今天，步进电机成为日常生活常见的oa装置中位置控制必不可少的组成部分，步进电机具有如下特性：优点1 不需要反馈，控制简单易行。2 步进电机的精度为步进角的3%-5%，并且不会累积。3 通过单片机进行速度控制（启动、停止和反转）和驱动电路的设计，操作简单方便。4在停止时也能够保持转距。5成本低廉，不需要昂贵的保养费用。6通过脉冲进行精确定位。7不同的脉冲周期就有不同的运转速度，速度的可任意调节。缺点8不能高速度运转而且容易发生堵转的问题，这就是和电机本身特性有关，因为步进电机通性是最高转速为600-1200rpm并且速度越快力气越小，所以当负载较重、本身力矩又不大时电机就不能高速度运转，还有一种情况就是即使能转但经常堵转，因此选电机时应该选择比理论计算出的电机的力矩大1-2倍的电机9. 容易有失步的现象，它的主要原因是电机的力气太小，还有一种可能就是驱动器没有把信号完全发射给电机，一般情况是后者，都是驱动器的问题，这个通过给电机配驱动器时，恰当地选择一个质量好的驱动器就可以解决了。10. 电机产热太大，这是因为电流过大或者就是驱动给电机的电流不稳定等原因造成的，避免这个问题的方法是减小输出的电流但电流减小但电机的力气就会变小或更换驱动器。11能源利用率低。2.4步进电机分类 通常情况下步进电机可分为：反应式步进电机（简称vr）、永磁式步进电机（简称pm）和混合式步进电机（简称hb）三种。下面详细介绍各种步进电机的特点。反应式步进电机的转子和定子是由高导磁材料制成的，在定子上分布着多相励磁绕组，通过磁导的变化产生转矩，能够产生大转矩的输出，其结构简单，生产成本低，步距角较小，一般为1.5度，但噪声和振动都很大，动态性能差。永磁式步进电机的转矩和体积都较小，用多磁极的圆筒形永磁铁制成转子，齿状定子分布在其外侧。转动的产生是通过转子和定子之间的相互吸引和排斥力，它的出力大，动态性能好；但步距角比较大，一般是7.5度。混合式步进电机（永磁感应子式步进电动机）是永磁式和反应式的综合版和升级版。集俩种步进电机的优点于一身，运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小，电机效率高，电流小，发热低，步距角小，出力大，动态性能好，是步进电机中的姣姣者，是计算机相关的设备常用的电机。综上所述，本论文选用的是四相混合式（感应子式）步进电机。2.5四相步进电机的工作原理图2-1 步进电机内部结构图：它的定子是四个依次排列的电磁铁，转子是一个能够围绕轴心转动的永磁体（也可能是可以被磁铁吸引的其他磁性物体，例如铁块）。它一共伸出5根线头，分别是a，b，c，d，vccvcc和a，vcc和b，vcc和c以及vcc和d分别是一个电磁铁线圈的两个抽头。如图2-2，开始时，开关sb接通电源，开关sa、sc、sd均处于断开状态，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相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和d、a相绕组磁极产生错齿。当开关sc接通 ，开关sb、sa、sd均处于断开状态时，由于c相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和c相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和a、b相绕组产生错齿，2、5号齿就和a、d相绕组磁极产生错齿。依次类推，a、b、c、d四相绕组轮流供电，则转子会沿着a、b、c、d方向转动。图2-2 四相步进电机工作原理示意图四相步进电机的工作方式按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种。单四拍与双四拍相比，步距角相等，但单四拍的转动力矩小。而八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，所以，八拍工作方式具有较高的转动力矩，较高的控制精度的优势。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2-3a、b、c所示：a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍图2-3 步进电机工作时序波形图 对步进电机四个绕组依次进行如下方式的循环通电控制： 单四拍运行：正转a-b-c-d；反转d-c-b-a双四拍运行：正转ab-bc-cd-da；反转dc-cb-ba-ad 八拍运行：正转a-ab-b-bc-c-cd-d-da2.6步进电机的选型步进电机的三大要素有步距角、静转矩、电流。通过确定三大要素，便选择出适合的步进电机。2.6.1步距角的选择电机的步距角由负载精度的要求所决定，在加减速过程中，实现负载的最小分辨率，每个电机应转动的最大角度。电机的步距角应不超过此角度。在今市场上，不同相数的步进电机对应着不同的步距角。2.6.2静力矩的选择说到力矩，有动态力矩和静态力矩之分，步进电机的动态力矩没办法用科学研究的方法直接去确定，所以可以通过研究确定电机的静态力矩。那么，静态力矩又和电机工作的负载直接相关，而负载又分为二种，惯性负载和摩擦负载。惯性负载和摩擦负载不能单独存在。当直接（低速）起动时，要考虑二种负载的相互作用结果，当加速起动时，主要考虑惯性负载的作用，当恒速运行事，仅考虑摩擦负载的作用。通常情况下，静力矩的大小应为摩擦负载的2-3倍，选定了所需的静力矩，电机的机座及几何尺寸也就基本确定下来了。2.6.3电流的选择 当静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，综上所述，选择恰当合适的电机一般情况下应遵循以下的步骤：负载步距角净转矩电流电机型号。考虑到实验室材料和驱动功率大小等实际条件，以及连线的方便与否。最终选择型号为28ybj-48的四相五线减速步进电机。表2-1 该步进电机的主要参数序号主要参数1额定电压：5vdc2直流电阻：60欧 加减7%（25摄氏度）3减速比：1/644步距角：5.625度/645驱动方式：四项八拍6牵入转矩：大于350gf.cm(工作频率：100pps)7打滑扭力：800-1300 gf.cm8温升：小于55k（5vdc 工作频率：100pps)9噪音：小于35db（空载，100pps,水平距马达10cm)10绝对耐压：600v ac/1秒11引线拉力强度：1kgf/条图2-4 28ybj-48型步进电机3 步进电机的驱动技术分析及uln2003a芯片说明 谈到步进电机的驱动，就必须借助专用的步进电机驱动器，而不是直接连接到直流电源或交流电源上，如图3-1所示，由脉冲发生控制单元、保护单元、功率驱动单元组成了步进电机驱动器。运用单片机控制可以实现对图中点划线所包围的二个单元。驱动单元与步进电机的直接耦合，即步进电机单片机控制的功率接口，介绍如下。图3-1 步进电机驱动控制器3.1单电压功率驱动接口 单电压驱动是指唯一一个方向的电机绕组的电压供电，使其工作，这是最简单的电路。步进电机的驱动指电机的驱动装置，在脉冲电源工作时，脉冲功率可以通过如下的电路图来提供，根据所述开关控制脉冲t的规律是“开”和“关”，从而使直流电源用脉冲的方法，为绕组l提供电压的这一运作过程。电路如图3-2所示。在串有电阻rs的电机绕组回路中，随着减小电机回路的时间常数，当在高频时，电机将会产生较大的电磁转矩，同时可以减弱低频共振现象，但是会有不必要的损耗产生。在通常情况下，简单的单电压驱动线路中，rs是不可缺少的。rs对步进电动机单步响应的改善如图3-2(b)。图3-2 单电压功率驱动接口及单步响应曲线3.2双电压功率驱动接口图3-3 双电压功率驱动接口 双电压驱动就是借助于增大电压的方法，从而使绕组中的电流也随着增大，波形变陡，它有两种工作方式：双电压法和高低压法。双电压驱动的功率接口如图3-3所示。双电压驱动的原理是在低频段工作时，用较低的电压ul驱动，而在高频段工作时，用较高的电压uh驱动。所以功率接口方式需要两个控制信号，uh是高压的有效控制信号电源转换电路，u是脉冲调宽驱动的控制信号。图中，电源转换电路由二极管dl和功率管th构成的。当uh为高电平，th导通，dl反偏，高电压uh对绕组供电。反之uh为低电平，th关断，dl正偏置，低电压ul对绕组供电。这种驱动方式的优点是电机在低频段仍然可以通过单电压驱动，在高频段时具有很好的高频特性，但是在静止锁定时，电机功耗减小。仍然没有从根本上解决单电压驱动的弱点，由于限流电阻r的存在，还是会有不必要损耗和发热的产生。3.3高低压功率驱动接口图3-4 高低压功率驱动接口 高低压功率驱动接口如图3-4所示。高低压驱动的原理是，不考虑电机工作频率的因素，持续运用高电压uh供电，达到增大至导通相绕组的电流前沿之后，再使用低电压ul来维持该绕组的电流。通过这样的做法，在一定程度上改善了驱动器的高频特性，不再串联电阻rs，达到消除不必要的损耗的目的。在高低压驱动功率接口中。有两个保持同步输入的控制信号uh和ul，并且在前沿的同一时刻跳变，如图3-4所示。图中，在设定高压管vth的导通时间tl时，既不能太大也不能太小，一定要恰当，当导通时间设定的太大时，电机的电流过载；当导通时间设定的太小时，动态性能没有达到明显的改善。一般可取13ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。因此高低压驱动法是当前常用的一种驱动方法，但在使用时还应当要注意低频共振现象存在，也就是由于这种驱动在低频时，电流会有太大的跳变，电机在低频时的噪声太大。3.4斩波恒流功率驱动接口 恒流驱动的设计思路是，电机在低频、高频、锁定各个工作状态时，通过控制导通相绕组的电流保持恒定不变。从而达到使电机具有恒转矩的输出特性。该驱动是在当前比较常用、效果很好的一种功率接口。图3-5是斩波恒流功率接口原理图。图中r做电流采样用的小阻值电阻，即称为采样电阻。当在电流较小时，vt1和vt2同时受控于走步脉冲，当电流大于电路恒流给定的数值，vt2被封锁，电源u被去除。由于电机绕组具有的电感很大，在此时由二极管vd持续提供电流，绕组的电流得以维持，在电感中的磁场作用下，电机产生出力。在这时电流就将会按照指数曲线负增长，而且电流采样值也会随着变小。当电流小于恒流给定的数值时，vt2导通，电源将再次接通。如此反复继续下去，电机绕组电流就将在通过设定电压所决定的数值上小幅度波动，产生小小的锯齿波，如图3-5所示。图3-5 斩波恒流功率驱动接口 斩波恒流功率驱动接口也有两个输入的控制信号，u1是数字脉冲，u2是模拟信号。这种功率接口的优点是：高频响应达到了明显的提高，几乎可以实现恒转矩的输出，并且消除了共振现象，但是它的电路设计太过复杂。3.5升频升压功率驱动接口 采用升频升压功率驱动接口，可以进一步提高驱动系统的高频响应。绕组提供的电压与电机的运行频率成正比例关系。通过频率-电压变换器，使驱动脉冲的频率转变成直流电平，然后用该电平去调控它的主回路（一个开关稳压电源）的输入，于是就形成了具有频率反馈特性的功率驱动接口。3.6集成功率驱动接口在当今市场上，已经开发研究出诸多种用于驱动小功率步进电机的集成功率驱动接口，功能也很大众化，我们可以根据研究的需要进行选择。3.7芯片uln2003a说明 uln2003a其实就是由七个硅npn 复合晶体管组成的大电流驱动阵列，具有耐高压，电流大的特性。在uln2003a芯片中，每一对达林顿均和一个2.7k的基极电阻串联,当给它5v的电压时，根本不需要标准逻辑缓冲器，它就可以直接与ttl和cmos电路相连接,，直接工作，处理数据。由于具有电流增益高、工作的电压高、温度范围宽、带负载的能力强等优点。多适用于自动化控制的场合如单片机、智能仪表、plc、电磁阀等控制电路中。可用于直接驱动继电器和步进电机等负载。 图3-6 uln2003a外观图图3-7 uln2003a的基本参数 uln2003a的原理：uln2003a是一个7路反向器电路，也就是说当输入端为低电平时，uln2003a输出端即为高电平，当输入端为高电平时，uln2003a输出端即为低电平。 模块配置:7 npn 电压, vceo:50v 集电极直流电流:500ma 直流电流增益hfe:1000 工作温度范围:-20c to +85c 封装类型:pdip 引脚数:16 封装类型:dip 晶体管数:7 表面安装器件:通孔安装器件标号:2003 最大连续电流, ic:500ma 芯片标号:2003 输入电压最大:30v 输入类型:5v ttl cmos 输出电压最大:50v 输出电流最大:0.6a 通道数:7 逻辑功能号:2003图3-8 uln2003a引脚介绍 引脚1：cpu脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。 引脚2：cpu脉冲输入端。 引脚3：cpu脉冲输入端。 引脚4：cpu脉冲输入端。 引脚5：cpu脉冲输入端。 引脚6：cpu脉冲输入端。 引脚7：cpu脉冲输入端。 引脚8：接地。 引脚9：该引脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。当连接感性负载时，该引脚接负载电源正极，实现续流的作用。如果该引脚接地,也就是达林顿管的集电极对地接通。 引脚10：脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。 引脚11：脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。 引脚12：脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。 引脚13：脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。 引脚14：脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。 引脚15：脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。 引脚16：脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。4 步进电机的单片机控制4.1单片机的基本原理 单片机具有控制能力强、功能齐全、价格便宜、系统简单、可靠性高等优点，普遍应用在各个领域，在我国单片机也得到了普遍的应用，特别是在工业控制、智能仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。 单片机是有运算器、控制器、存储器、输入输出设备组成。 单片机执行程序的过程就是单片机自动完成，它被赋予的任务此过程，也就是每条输入指令的执行过程。4.2 80c51单片机的基本介绍 mcs-51系列单片机由于具有抗干扰能力强、对环境的普遍适用、灵活性强等独有优势，因此被广泛使用。即使没有电子计算机专业知识，但它的实用性强，认真学习一些专业基础知识就能用自己的技术，来开发研究想要的单片机应用系统。因此在本次设计中选用了低功耗型80c51单片机。 以8051为基础，在此基础核心开发出的具有cmos工艺单片机产品都称为80c51系列。而80c51是mcs-51系列单片机中chmos工艺的代表。 本系列单片机是采用具有高性能的静态80c51技术，和先进的cmos工艺制造，并且具有不容易丢失的flash 程序存储器 ，能够用于12 时钟和6 时钟的操作。另外，由于采用了静态设计，可用来调节的操作频率范围也被增大了，可以使频率降低至零 。而且在设计运用了静态的时钟可暂停，并且不会丢失数据，在运行的时侯，数据可从时钟暂停处恢复。 4.2.1 80c51单片机主要结构组成外中断控制并行口外时事件计数外时钟源振荡器和时序程序存储器8kb rom数据存储器256b ram/sfr216位定时器/计数器tmp87p809n64kb总线扩展控制线可编程i/o可编程全双工串行口串行通信图4-1 80c51单片机工作系统图1 中央处理器（cpu）2 内部程序存储器（内部rom）3内部数据存储器（内部ram）4定时器/计数器5并行i/o口6串行口7时钟电路8中断系统9外接晶体引脚4.2.2 80c51单片机引脚说明图4-2 80c51单片机管脚图单片机管脚如图4-2所示，对各个管脚功能的说明如下。单片机的40个引脚可分为4类：电源、时钟、控制和i/o引脚。电源: 1）vcc - 芯片电源，接+5v； 2） vss - 接地端；时钟:xtal1、xtal2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。控制线:控制线共有4根，1）ale/prog:地址锁存允许/片内eprom编程脉冲ale功能：用来锁存p0口送出的低8位地址prog功能：片内有eprom的芯片，在eprom编程期间，此引脚输入编程脉冲。2）psen:外rom读选通信号。3）rst/vpd:复位/备用电源。rst（reset）功能：复位信号输入端。vpd功能：在vcc掉电情况下，接备用电源。4）ea/vpp:内外rom选择/片内eprom编程电源。ea功能：内外rom选择端。vpp功能：片内有eprom的芯片，在eprom编程期间，施加编程电源vpp。i/o线80c51共有4个8位并行i/o端口：p0、p1、p2、p3口，共32个引脚。此外，p3口还具有第二功能，用于特殊信号的输入输出以及控制信号，属于控制总线。表4-1 p3口引脚的第二功能引脚功能p3.0rxd（串行口输入）p3.1txd（串行口输出）p3.2外部中断0输入p3.3外部中断1输入p3.4t0（定时器0的外部输入）p3.5t1（定时器1的外部输出）p3.6（片外数据存储器“写”选通控制输出）p3.7（片外数据存储器“读”选通控制输出）4.3驱动系统总体结构实时控制录入程序方向设定电源驱动电路及有关芯片m供电供电供电计算机单片机按钮驱动速度设定图4-3 驱动系统硬件结构本系统用计算机给定步进电机的运转方向，速度和变速变向的控制，通过数据串口将这些参数和控制程序烧录（program）到单片机中，经过驱动电路，将按钮和单片机的控制信号，输入到步进电机中，以实现控制步进电机的速度以及方向的目的。电源和变压整流电路使得单片机和驱动芯片在安全稳定的直流高电平下，持续稳定的正常工作。4.4驱动系统的驱动原理本节按照步进电机输入信号要求，控制信号功率的放大，单片机控制信号的输出和编程的顺序分析介绍其工作过程。4.4.1步进电机的控制信号橙4黄3粉2蓝1红5m 图4-4 28ybj-48型步进电机接线指示图表4-2 步进电机输入信号分布表连线序号导线颜色分配顺序12345红+4橙+-3黄+-+2粉-+1蓝