基于单片机的步进电机调速系统设计.doc

常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计常州信息职业技术学院学生毕业设计（论文）报告系 别： 机电工程学院 专 业： 机电一体化 班 号： 机电122 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 设计（论文）题目： 基于单片机的步进电机调速系统设计指 导 教 师： 设 计 地 点： 起 迄 日 期： 2014.6.232014.11.13 毕业设计（论文）任务书专业 机电一体化 班级 机电 121 姓名 许永康 一、课题名称： 基于单片机的步进电机调速系统设计 二、主要技术指标： 1.根据所选两相混合式步进电机的工作原理及性能指标,选择其伺服控制器的设计方案。 2.借助Keil 发平台,选用C语言完成对伺服系统各功能模块相应的程序的编写 3.在实验室条件下对伺服控制器进行调试、改进及验证。 三、工作内容和要求：1. 了解步进电机调速的工作原理及其单片机控制的工作过程； 2. 设计单片机步进电机调速控制系统，完成系统硬件电路的连接和调试； 3. 编制程序实现步进电动机系统调速。 四、主要参考文献：_1 王冬青.可编程序控制器原理及应用M.人民邮电出版社，2002.7 2 王兆义.可编程序控制器教程M.机械工业出版社,1999.10 3 袁任光. 可编程序控制器应用技术实例M.华南理工大学出版社,2000.4 4 陈立定. 电气控制与可编程序控制器M. 华南理工大学出版社,2001.2 学 生（签名） 年 月 日 指 导 教师（签名） 年 月 日 教研室主任（签名） 年 月 日 系 主 任（签名） 年 月 日毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目基于单片机的步进电机调速系统设计一、 选题的背景和意义：目前,我国的伺服控制系统已经实现产品化的发展规模,但也存在如下问题:1.传统的伺服控制器产品,多采用PLC、DSP等进行控制,系统 发成本高及控制复杂,制约着中小型企业的应用需求。而选用单片机作为控制器,极大的降低了系统成本,且可靠性高,控制灵活。2. 在步进电机驱动控制方面,以往的步进电机伺服控制产品,仅针对某一具体型号步进电机进行驱动,驱动方法相对死板,单一,而选用L297与L298N芯片配合驱动步进电动机,可实现两相或四相步进电机的驱动工作。此种驱动方法相对灵活许多,且驱动器成本低廉。在数控机床中,机械零件的加工过程,一直存在加工精度不高,仪器的稳定性差等缺点,使得加工零件存在一定残次品,给数控企业带了经济损失,通过釆用步进电动机伺服系统对零件的加工精度,加工位移的准确控制,可以有效提高机床零件的加工精度和加工零件表面质量,为企业挽回相应的损失。二、 课题研究的主要内容：本研究以42BYGH101型两相混合式步进电机为研究对象,拟设计一款以单片机作为控制核心,具有启/停、调速、换向等功能,并通过液晶显示器对控制器的运行状态进行实时显示的步进电动机伺服控制器,主要研究内容有:1)根据所选两相混合式步进电机的工作原理及性能指标,选择其伺服控制器的设计方案,采用模块化设计方法完成各功能模块的硬件电路设计。2),选用C语言完成对伺服系统各功能模块相应的程序的编写,具体有控制单元主程序、驱动信号的输出、键盘显示模块的输入输出及外部中断等。3),对各功能模块及整个系统进行仿真研究,根据仿真结果对硬件电路和软件程序反复调试,直至系统满足设计要求为止。三、 主要研究（设计）方法论述：42BYGH101是属于两相四线混合式步进电机,根据其工作原理和驱动要求,选择了开环控制方式的双电压极性驱动。而两相混合式步进电机,工作时要求定子磁极的极性交变,即绕组电流能正、反向流动,电流流过绕组的方向是双向的,因此选择双电压极性驱动电路驱动步进电机。步进电机伺服控制器采用双电压极性驱动,可以有效提高电机绕组的利用率,且能够增加电机的输出转矩,使得两相混合式步进电机的性能得到充分发挥。四、设计（论文）进度安排：时间（迄止日期）工 作 内 容6.23下达任务书6.236.28完成开题报告6.297.25调查收集论文所需资料7.268.1完成摘要和目录8.69.1改造设计方案的确定9.210.1完成C语言编程10.211.19完成硬件设计11.20初稿完成11.21提交论文11.13答辩五、指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日六、系部意见： 系主任签名： 年 月 日基于单片机的步进电机调速系统设计目录TOC o 1-3 h u 摘 要1Abstract2第一章 前言31.1步进电动机的简介31.2步进电机伺服控制的研究现状41.2.1国外步进电机伺服系统的发展现状41.2.2国内步进电机伺服系统的发展现状51.3步进电机伺服控制目前存在的主要问题6第二章 总体方案设计和步进电机的选择2. 1两相混合式步进电动机的工作过程8 2.1.1步进电动机的主要技术指标82.1.2两相混合式步进电机的结构82.1.3两相混合式步进电机的工作原理92.1.4两相混合式步进电机的样机简介92.2控制原理及控制系统分类102.2.1控制原理及应用102.2.2控制系统的分类11第三章 步进电动机伺服控制器的设计123. 1步进电动机伺服控制器的硬件组成123.1.1主控制模块123.1.2驱动控制模块123.1.3键盘显不模块153.1.4硬件抗干扰模块163.1.5步进电动机伺服控制器硬件电路原理图163.2步进电动机伺服控制器的软件实现173.2.1主程序的设计183.2.2系统调速模块的设计213.2.3按键显示模块的设计213.2.4外部中断模块的设计22第四章 实验结果及分析244.1 圈数测试结果264.2 转速调整测试结果26第五章 结束语27参考文献28答谢辞29摘 要步进电机具有快速启停能力强, 精度高, 转速容易控制等特点, 在工业过程控制及仪表等领域中得到了越来越广泛的应用。但是在实际运行过程中, 由于启动和停止控制不当等原因, 步进电机会出现启动时抖动和停止时过冲的现象, 影响了控制精度, 尤其是在步进电机工作频繁启动和停止时, 这种现象就更为明显。因此电机转速控制是运动控制系统中的一个十分重要的控制环节，其性能的优劣性对运动控制系统的性能起着重要作用。文章设计了以单片机为控制核心的步进电机控制器，并给出了详细的设计过程，包括硬件设计和软件设计。为了验证所设计控制器的正确性和有效性，文章给出了实验结果，并且实验结果与预期效果相吻合。关键词：单片机; 步进电机; 转速控制AbstractStepper motor with strong ability of rapid start-up accuracy, high speed characteristic such as easy to control, in industrial process control and instrumentation, and other fields has been more and more widely used. But in actual operation process, because the reason such as improper control of start and stop, step electric opportunity starts shaking and stops the phenomenon of overshoot, influence the control accuracy, especially in the stepper motor work frequent start and stop, this kind of phenomenon is more obvious. Therefore motor speed control is a very important in the motion control system control link, its performance and performance of motion control system plays an important role. In this paper, the design with the single chip processor as the core of stepping motor controller, and gives the detailed design process, including hardware design and software design. In order to verify the correctness and effectiveness of the designed controller, this paper gives the experimental results, and experimental results are in conformity with the expected effect.Keywords: Single chip microcomputer; Stepping motor; Speed control2常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文第一章 前言步进电动机作为一种机电一体化执行元件,在诸多领域中得到广泛应用,如机器人、数控机床、激光加工、大规模集成电路制造、办公自动化设备等等。步进电动机的调速过程是通过调整驱动脉冲频率来实现的,而步进电动机的位移量的多少由输入脉冲数来决定,两者呈正比例关系。步进电动机的运行特性,不仅与步进电动机本身的特性和负载有关,而且与配套使用的驱动电源(即驱动电路)有着十分密切的关系。选择性能优良的驱动电源对于充分发挥步进电动机的性能是十分重要的。步进电机伺服系统,是指用来精确地跟随或复现某个过程的控制系统。而电机本体、驱动器和控制器是构成步进电机伺服系统不可分割的三大组成部分。当步进电机的本体确定后,系统的性能主要取决于驱动器及控制器的优劣。随着电子技术、自动控制技术的不断发展,以单片机为控制器的步进电机伺服控制系统因其性价比高、使用灵活、稳定性好等优点得到广泛应用。1.1步进电动机的简介步进电动机作为一种控制用的特种类型的电机,可以将电脉冲信号转换为相应的线位移量或角位移量来实现相应的运转。步进电机按照励磁方式来分,主要有永磁式步进电动机(PM)、反应式步进电动机(VR)、混合式步进电动机(HB)三类。1.永磁式步进电动机图 1.1 永磁式步进电动机结构图如图1.1所示,永磁式步进电动机由N极、S极相间的永磁体构成。其工作过程为定子绕组电流产生的磁场与转子永磁体产生的磁场进行相互作用,产生相应电磁转矩,实现电动机的有效转动。永磁式步进电动机的步距角范围相对较宽泛,在7. 5度18度之间。2.反应式步进电动机此电动机又叫做磁阻式步进电动机,这种步进电动机的工作过程:定子的多相励磁绕组与转子通过磁导的变化情况来产生转矩,实现反应式步进电动机的工作过程。反应式步进电动机一般具有很大的噪声。其步距角一般为1.5度。3.混合式步进电动机混合式步进电动机结构图如图1.2所示,混合式步进电动机既具有反应式步进电动机的优点,又具有永磁式步进电动机的优点,因而功能十分强大,应用相当广泛。混合式步进电动机又叫做感应子式步进电动机,主要由定子、转子、机壳、端盖构成。其中,两相式及五相式步进电动机应用较多,而两相混合式步进电动机具有零电流定位转矩的特性,更是倍受大家的青睐。两相混合式步进电动机步距角为1.8度,五相混合式步进电动机步距角为0.72度。图 1.2 混合式步进电动机的结构图1.2步进电机伺服控制的研究现状1.2.1国外步进电机伺服系统的发展现状世界上第一个伺服系统是由美国麻省理工学院辐射实验室于1944年研制成功的火炮自动跟踪目标伺服系统。这种早期的伺服系统是采用交磁电机扩大机一直流电动机的驱动方式,由于交磁电机的频率响应差,电动机转动部分的转动惯量及电气时间常数都比较大,因此响应速度比较慢。在20世纪60年代初期,步进电机主要采用液压伺服系统,运用在数控机床方面。该伺服系统与直流伺服电机相比,响应时间短,输出相同扭矩时伺服部件的夕丨形尺寸小。但由于液压伺服系统存在着发热量大、效率低、污染环境和不便于维修等缺点,因此逐渐被步进电动机和新型伺服电机所代替。20世纪60年代中期,由小功率型伺服步进电机和液压扭矩放大器组成的开环伺服系统一度广泛应用于工业控制中,其中日本FUNAC公司研制的电液脉冲马达伺服系统最具代表性。但由于该系统的结构较复杂且可靠性差,经过很短时间后就被其它伺服系统所取代。20世纪70年代,美国GEHYS公司首先研制成功了大惯量直流电动机,即通常所指的宽调速直流电动机。这种电动机的峰值扭矩可以达到额定扭矩的1015倍。20世纪80年代以来随着大规模集成电路、电力电子学的发展,特别是计算机对交流电动机的磁场进行矢量控制技术的重大突破,使长期以来人们一直试图在调速和伺服控制中应用交流电动机取代直流电动机的设想得以实现。20世纪90年代,在经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域,有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服控制系统的执行元件。因步进电机伺服系统的结构简单、便于制造,成本相对低廉,所以迄今为止,在运动速度较低、输出扭矩较小的经济型数控机床上仍然得到普遍应用。因此,如何改善电机的控制方法以提高定位系统的定位精度,成为提高伺服系统性能的关键所在。21世纪至今,主要以DSP为核心的步进电机伺服控制系统,实现了伺服控制系统的速度环、位置环和电流环的全数字化控制。主要优势是运算速度快,系统的加速性能好,从静止加速到额定转速仅需几毫秒,适用于快速起停场合。采用软件控制代替了硬件控制,简化了伺服系统硬件结构,降低硬件成本。1.2.2国内步进电机伺服系统的发展现状与国外的伺服控制系统相比较,中国对伺服控制系统的研发较晚些.,20世纪60年代之前,中国早期的伺服控制系统所使用的伺服控制系统产品均从国外进口而来,对于伺服控制技术方面,呈现一片空白的局面。20世纪70年代,迫于对国外伺服控制产品的压力,中国的华中数控、广泰数控、时光科技等伺服厂家,开始开发自主知识产权的伺服控制产品,其中时光科技有限公司主要针对中大功率异步电机伺服控制器市场,其驱动技术、成本、等均有很明显的优势。该公司自行研发生产的132KW的大功率伺服控制器,国产品牌中遥遥领先。在20世纪80年代,中国通过引进、消化、吸收国外伺服控制的先进技术,又在国家“七五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技项目攻关取得了很大成果。但由于产品可靠性差等方面的原因,制约着中国伺服控制系统的应用,从而影响伺服控制系统的大量推广。一些伺服厂家不得不选用国外的伺服系统。20世纪90年代至今,中国不断组织伺服控制技术的研讨会,一此民营高科技公司也为发展我国伺服控制技术注入了新的活力,其中以北京中宝伦自动化技术有限公司的PDC系统直流伺服控制系统为代表产品,其采用了最新一代的功率器件IPM. PWM控制,调制频率达到15kHz,伺服控制水平显著提高,有效地弥补了之前产品的一些缺陷与不足。21世纪,国产伺服控制系统与国外相比仍存在一定的差距,尤其在驱动装置、定位速度、定位精度等方面,这些要求的满足主要与伺服系统的静态、动态特性存在直接关系。伺服产品未来将向着更高定位精度、驱动装置更高效的方向发展,以适应现代控制策略的发展方向。1.3步进电机伺服控制目前存在的主要问题目前,我国的伺服控制系统已经实现产品化的发展规模,但也存在如下问题: 1.传统的伺服控制器产品,多采用PLC、DSP等进行控制,系统 发成本高及控制复杂,制约着中小型企业的应用需求。而选用单片机作为控制器,极大的降低了系统成本,且可靠性高,控制灵活。2.在步进电机驱动控制方面,以往的步进电机伺服控制产品,仅针对某一具体型号步进电机进行驱动,驱动方法相对死板,单一,而选用L297与L298N芯片配合驱动步进电动机,可实现两相或四相步进电机的驱动工作。此种驱动方法相对灵活许多,且驱动器成本低廉。第二章 总体方案设计及步进电机的选择步进电动机伺服控制器的技术路线包括以下六部分,技术路线图如图2.1所示:1.分析其课题要求,确定所选取的硬件器件,并设计符合要求的硬件电路;2.在Proteus软件环境下,绘制步进电机伺服控制器的硬件电路原理图;3.通过Keil软件平台,实现C语言程序的调试与编译工作;4.借助于Proteus及Keil软件进行联合仿真,并调试及验证程序的正确性;5.通过Protel软件生成系统PCB图,制作硬件电路板实物,加载软件程序。6.进行硬件的择接与调试工作,完成硬件实物的制作。图2.1 研究路线图2. 1两相混合式步进电动机的工作过程2.1.1步进电动机的主要技术指标步进电动机的主要技术指标包括步距角、精度、转矩、响应频率、运行频率等。1.步距角步距角即为步进电动机通入电信号后,电动机转子所转过的角度值。国产步进电动机步距角为0.36、0.72、0.9、1.8度等。2.精度用最大步距误差或最大累积误差来说明精度的准确程度最大步距误差即当电动机转动一圈完成后,每相邻两步之间产生的最大步距角度与理想步距的差值。最大累积误差即是电动机从某一不确定的位置运转,经过无数步工作之间,角位移量误差的最大数值。3.转矩作为步进电动机的主要技术指标,转矩分为定位转矩、静转矩等。定位转矩即是在绕组未通入电信号时,电磁转矩的最大数值。一般状态下,反应式步进电动机定位转矩为0,混合式步进电动机具有一定的定位转矩值。 4.响应频率在步进电动机正常的运行状态下,全速运行而未产生失步现象,则此过程的最大频率值为响应频率。响应频率也可以用启动频率来进行表示。5.运行频率在步进电动机的工作状态下,首先是从启动频率 始运转,随着电动机转动的频率越来越高,电动机在某一频率上有可能会产生失步现象,而电动机未产生失步前的那个极限频率值即为运行频率。2.1.2两相混合式步进电机的结构两相混合式步进电动机剖面图如图2.2所示。步进电动机由定子及转子组成。两相混合式步进电动机有A和B两相控制绕组,在电动机上,转子分为两段,即N极转子和S极转子,在磁场的作用下,通过轴向上的永久磁铁,转子与定子进行相互作用,实现电动机的JH常运转。该电动机具有动态性能好,输出力矩值较大,稳定性高的优点,其缺点是结构相对复杂。两相混合式步进电动机的步距角为1.8度。图2.2 两相混合式步进电机的剖面图2.1.3两相混合式步进电机的工作原理两相混合式步进电动机的工作原理:当给步进电动机通入电信号时,控制绕组就会产生相应的磁动势,通过与永久磁铁产生的磁动势相互影响下,促使电磁转矩的产生,从而步进电动机的转子会进行相应的步进动作。两相混合式步进电动机有A和B两相控制绕组,用A与B表示两相绕组通入正向电流,用A和B表示两相绕组通入反向电流。而两相混合式步进电动机常见的工作方式包括两相单四拍(A B A 一 B 一 A),两相双四拍(AB BA 一 A B 一 B A一 AB)和两相八拍工作方式等。当定子各相控制绕组按照A B A 一 B 一 A顺序通电,每改变一次通电状态,转子沿方向转过四分之一齿距,即360/(50X4)=1.8度。当定子绕组按四拍和八拍通电时,转子分别转过1.8度和0.9度。2.1.4两相混合式步进电机的样机简介本研究选用42BYGH101型号的两相永磁感应子式步进电动机作为系统的主要执行元件。永磁感应子式步进电动机又称为混合式步进电动机。此种步进电动机由定子及转子组成。定子由娃钢片堆叠制成,转子铁心由娃钢片制成,转子永磁体由铅镍钻制成,转子轴由不诱钢材料制成。两相永磁感应子式步进电动机的参数信息如表2.1所示。其外观图如图2.3所示。图2.3 42BYGH101型步进电机外观图表2.1 42BYGm01型步进电机参数步距角相数电压/V电流/A功率/V静转矩/N.m定位转矩0.9/1.822.51.74.250.420.0252.2控制原理及控制系统分类2.2.1控制原理及应用伺服控制系?统是以位置、速度等为控制参数的系统,是一种能够跟踪输入给定信号并产生动作,从而获得准确的位置、速度等输出的自动控制系统。伺服控制系统的发展历程按时间先后大致可分为液压伺服系统、电气伺服系统、气动伺服系统三个阶段。液压伺服系统是以液压伺服阀作为核心元件,实现以小功率的电信号输入,控制大功率的液压能输出的过程。随着伺服控制技术的不断发展,在二十世纪六十年代的时候,液压伺服系统己无法满足现有的伺服控制系统的发展要求,电气伺服系统的出现,弥补了液压伺服系统的不足之处。电气伺服系统是以伺服电机、反馈装置和控制器组成的控制系统。电气伺服系统具有精度高、易于控.制等优点。直到八十年代的时候,伺服控制系统掀 了薪新的一页,技术方面有了较大的突破,气动伺服系统已经替代了以往的伺服控制系统,成为时代发展的主流控制系统。气动伺服系统是采用压缩空气作为动力的伺服系统。随着大量用户需求的逐渐增多,伺服控制系统也在不断更新控制方法,这产生了许多各式的配置方式。目前,伺服系统正朝着数字化、智能化、模块化、网络化的方向发展随着伺服控制技术的突飞猛进,伺服控制系统已经涵盖许多控制领域。伺服控制系统主要应用于半导体、数控机床、电子及通信设备制造业、数字化装备制造业等方面。它具有许多学科相互交叉的性质,已形成了综合性的技术体系,是未来极具潜力的控制理论之一。2.2.2控制系统的分类伺服系统的类型较多,按其系统的控制方式可作如下分类:开环式伺服系统、闭环式伺服系统、半闭环式伺服系统。1.环伺服系统环伺服系统以步进电动机或电液脉冲马达为驱动执行元件,其被控对象的输出对控制器的输入没有影响。 环伺服系统如图2.4所示。系统每发出一个脉冲信号,经驱动电路放大后,送给执行元件,使其转动一个固定的角度,实现对负载的控制。开环系统控制简单,维护方便,但系统控制精度相对较低。图2.4 开环伺服系统原理图2.闭环伺服系统闭环伺服系统以伺服电机为驱动执行元件,此种伺服系统的输入与输出量之间是顺向与反向作用两者兼有的伺服系统。闭环伺服系统如图2.5所示。这种伺服系统的定位ft度由测量元件的精度所决定。位移测量元件实时检测机床移动部件的位移情况,通过反馈相关信息,实现闭环伺服系统的控制。闭环伺服系统具有定位准确,控制精度高,但系统结构复杂,成本较高。图2.5 闭环伺服系统原理图3.半闭环伺服系统半闭环伺服系统通过安装在齿轮轴上的角位移测量器件测量齿轮轴的转动来间接测量工作台的位移。测量器件测量出的位移量经反馈电路返回,与输入指令进行比较,之后校正齿轮轴的实际转动位移情况。半闭环伺服系统的性能介于开环伺服与闭环伺服系统之间。此种伺服系统的稳定性较好,成本低廉,但精度相对不高。第三章 步进电动机伺服控制器的设计3. 1步进电动机伺服控制器的硬件组成步进电动机伺服控制器由主控制模块、驱动控制模块、键盘显示模块、硬件抗干扰模块、步进电动机、电源等组成。系统组成框图如图3.1所示。图3.1 系统组成框图3.1.1主控制模块主控制模块采用Atmel公司生产的八了AT89S51型号的单片机。AT89S51作为步进电机伺服控制器的核心控制器,主要进行脉冲信号及方向电平的发送工作。主控制模块的作用是控制驱动电路内部的脉冲分配器(也称环形分配器)将单路脉冲转换成多相循环变化的脉冲,即有一路输入,多路输出。脉冲分配器输出驱动电压经功率放大器进行放大,向步进电机的两相绕组提供所需的驱动相序。当键盘按下时,低电平有效,通过与门触发单片机的外部中断1与外部中断2,实现步进电机伺服控制器的运转工作,同时通过单片机的P1 口及P0.0-P0.2引脚向液晶显示器的D口及RS、RW、E引脚发送指令,选择数据寄存器或指令寄存器来进行相应的读或写操作,完成步进电机伺服控制器的运行状态的显示工作。在本课题中,约定“1”为高电平,“0”为低电平。主控制模块图如图3.2所示。图3.2 主控制模块图3.1.2驱动控制模块步进电动机作为一种特殊的执行元件。它直接接入交直流电源工作时,是不能工作的。基于步进电动机工作的独特性,需要为其设计专门的驱动装置,以满足步进电动机正常的工作状态的要求。因此,驱动控制模块选用L298N与L297配合使用作为步进屯动机驱动控制模块。驱动模块框图如图3.3所示。本课题中的L297芯片及 L298N芯片可实现两相双极性步进电机或四相单极性步进电机的驱动控制。而单片机作为系统的核心控制器,主要实现方向、时钟信号的分配,驱动控制模块接收到控制指令后,由L297的脉冲分配器自动产生励磁相序,经L298N的双H桥式驱动器进行功率放大,最终输出符合步进电动机的驱动要求的驱动信号,使得步进电机运转。L297与L298N芯片配合的优点是需要的元件较少,从而使得装配成本低,可靠性高和占空间少,并且,通过软件程序进行驱动控制,可大大简化课题设计的负担,增加步进电机伺服控制器的灵活性。为排除干扰,在单片机与驱动控制模块之间,加入了 TLP521光电隔离元件,使得系统稳定性更高。图3.3 驱动模块框图L297芯片共有20个引脚,采用DIP20封装形式,它需接入+5V供电。L297主要由脉冲分配器(译码器),两个固定斩波频率的PWM恒流斩波器以及输出控制逻辑组成。它有三种模式:即半步模式;基本步距一相激励模式;基本步距两相激励模式。L297的优势是仅需输入方向、时钟信号及模式信号,就可对其进行控制工作。而L297芯片的模式信号由19 (HALF/FULL)引脚设定,接入低电平时,进入全步方式,变换器在奇数状态,得到单相工作方式(单四拍),在偶数状态,得到双相工作方式(单四拍)。19引脚接入高电平时,进入半步方式,得到单双交互工作方式(八拍)。本驱动中,设置为两相八拍工作方式。L297的引脚功能说明如表3.1所示。表3.1 L297的引脚功能说明符号名称引脚描述1SYNC斩波器输山端2GND接地端3HOME集电极 路输出端4AA相驱动信号5INH1控制A相和B相的驱动级6BB相驱动信号7CC相驱动信号8INH2控制C相和D相的驱动级9DD相驱动信号10ENABLE使能输入端12CONTROL斩波器功能控制端13VCC电源输入端14SENS 2C相、D相绕组电流检测电压反馈输入端15SENS 1A相、B相绕组电流检测电压反馈输入端16VREF斩波器基准电压输入端17OSC斩波器频率输入端18CW/CCW方向控制端19CLOCK步进时钟输入端20HALF/FULL半步、全步模式选择端21RESET复位输入端L298N芯片共有15个引脚,采用Multiwatt封装形式。它专用于双极性步进电机驱动,L298N芯片可接受标准逻辑电平信号,内含两个H桥的高电压全桥式驱动器,H桥最大可承受46V电源电压,相电流可达2. 5A,可用来驱动直流电动机及步进电动机、继电器线圈等感性负载,且具有过温保护功能。L298N的逻辑电路使用5V电源,功放级使用546V电压。L298N的引脚功能说明如表3.2所示。表3.2 L298N的引脚功能说明符号名称引脚描述1SENSA接地端20UT1信号输出端30UT2信号输出端4VS为电动机提供的电源5IN1信号输入端6ENABLE A使能端7IN2信号输入端8GND接地端9VCC为驱动芯片提供电源10IN3信号输入端11ENABLE B使能端12IN4信号输入端130UT3信号输出端140UT4信号输出端15SENSB电流检测端3.1.3键盘显不模块 键盘选用机械触点的独立式键盘作为该模块的键盘器件,系统的键盘共设置了六个按键,分别为启动、停止、加速、减速、正转、反转。在步进电机伺服控制器中,键盘与单片机之间是由与门来进行连接的,而通过采用与门,可以实现多个按键共用两个中断(INT1、INT1)的功能,节省了硬件资源。独立式键盘具有易于控制,使用可靠等诸多优点,因此广泛应用。而独立式键盘唯一的缺点就是每当按下按键或释放按键过程中,将产生大约5l0ms的抖动。为了降低系统成本,故采用软件编程的方法来去除抖动,提高系统的响应能力。独立式键盘连接图如图3.4所示。图3.4 独立式键盘连接图显示器选用LCD1602型的字符型液晶显示器作为该模块的显示器件,此液晶显示器可同时显示2行字符,共32个字符。在步进电机伺服控制器中,LCD1602显示状态为:第一行,显示速度信息,以n/min为单位,其初始值定为120转;第二行,显示运行状态信息,以CW或CCW为标识,正转为CW,反转为CCW。其初始定义为CW状态。此器件主要是通过指令改变器件的相应高、低电平,即可实现相应的功能设定。键盘显示模块图如图3.5所示。图3.5 键盘显示模块图3.1.4硬件抗干扰模块硬件抗干扰模块选用TLP521型作为硬件抗干扰模块的器件。在步进电机伺服控制器中,将光电隔离部件连接在单片机与步进电动机驱动器中间,起到一定的隔离干扰的作用,目的在于提高系统的安全性。这种光电隔离器件主要采用光锅合器进行信号的隔离工作。由于无直接的电气连接,这样既顆合传输了信号,又有隔离干扰的作用。TLP521光藉内部结构图如图3.6所示。图3.6 TLP521光耦内部结构图3.1.5步进电动机伺服控制器硬件电路原理图步进电动机伺服控制器硬件电路原理图见图3.7图3.7步进电动机伺服控制器硬件电路原理图3.2步进电动机伺服控制器的软件实现步进电动机伺服控制器的软件部分釆用模块化进行设计,由各个功能子模块结合起来组成系统的整体部分。软件部分主要包括主程序的设计、系统调速模块的设计、按键显示模块的设计、外部中断模块的设计等。软件的模块结构图如图3.8所示。图3.8 软件的模块结构图3.2.1主程序的设计步进电机伺服控制器上电之后, 始进行系统的初始化,一旦用户按下控制台的相应按键,发出中断请求,响应中断请求,调用相应的显示子程序,同时在液晶显示器实时显示步进电机的运行状态(RUN STATE),及运行的速度值(SPEED),电机初始速度设定为120n/niin.系统主流程图如图3.9所示。步进电机伺服控制器部分C语言程序如下图3.9 系统主流流程图步进电机伺服控制器部分C语言程序：#include int delay ();void delay.nms (unsigned int n);/延时函数void int i-led ();void show.led (int);void cmd-wr ();void ShowState ();void clock (unsigned int Delay);void DoSpeed 0 ;/计算速度/正转值,#define RIGHT-RUN 1/反转值#define LEFT-RUN 0#define LCD.DATA PIsbit RS=P0A0;sbit RW=P0A1;sbit E=P0A2;sbit P2.1=P2A1;sbit P2.0-P2A0;sbit P1_7=P1A7;sbit aO=P2A2;sbit al=P2A3;sbit a2=P2A4;sbit a3=P2A5;sbit a4=P2A6;sbit a5=P2A7;char SpeedChar = SPEED (n/min):char StateChar = RUN STATE:;char STATECW = CW;char STATE-CCW?(CCW;char SPEED 3 = 050;unsigned int RunSpeed=50;/速度unsigned char RunState-RIGHT_RUN; /运行状态“oid main () EA=1;/开中断IT0=1;/脉冲方式EXOl;/开外部中断0:加速IT1=1;/脉冲方式EX1 = 1;/开外部中断1:减速inti-lcd ();DoSpeed ();ShowState ();whi le (1)P2_l=P2_lA0x01;clock (RunSpeed);/中断0:加速程序void INT_0 () interrupt 0void INT_1 () interrupt 2int delay ()/判断LCD是否忙int a;start:RS=0;RW-1;E=0;for (a=0; a0; Delay一)for (i=0; i 124; i+);void DoSpeed ()SPEED0=(1000*6/RunSpeed/100)+48;SPEEDl=1000*6/RunSpeed%l 00/10+48;SPEED2=1000*6/RunSpeed%l0+48;3.2.2系统调速模块的设计系统调速模块主要是通过改变输入到步进电机驱动器的脉冲频率的快慢来实现。单片机控制步进电机加减速运转的方法有硬件法和软件法两种,软件法是指用延时程序来改变输出脉冲频率。硬件法是用一个定时器来实现,在每次进入定时中断后,改变定时器的定时常数。从而实现变速控制。在步进电机伺服系统中,采用软件法进行加减速的控制。根据步进电机的启动频率为3000PPS,系统编程时设定的频率值为2000PPS,通过改变软件程序中延时程序的值,来控制步进电机的脉冲.频率值,实现步进电机的加速、减速的控制。3.2.3按键显示模块的设计按键处理程序实时扫描P2. 2-P2. 7端口的电平值的变化,当用户按下相应按键,按键值变为低电平,程序扫描到低电平信号,就会发出相应的外部中断请求,则执行相应的模块子程序,同时在L上实时显示系统的速度与状态信息,直到按下停下按键后,系统将处于停止状态。按键显示模块流程图如图3.10所示。LCD显示程序部分代码如下:void ShowState() /显示状态与速度 int i=0;while(SpeedChari!=0)delay ();show_lcd(SpeedChar Li):i+;delay ();Pl=0x80 丨 OxOd;cmd_wr () : 图3.10 按键显示模块流程图3.2.4外部中断模块的设计该模块主要采用INTO及INT1,用户按下停止、正转、反转按钮时,外部中断0有效,而用户按下加速、减速、启动时,外部中断1有效,且将IEO或IE1置位,响应本次中断并转向执行中断服务程序,再由硬件对其清零,完成本次中断处理。外部中断0的C语言程序部分代码如下:void INT0() interrupt 0 if(a0=0)RunSpeed=0:delayruns (10);else if(al=0) RunState=RIGHT_RUN:P2_0=l;Pl=0x01 :cmd_wr ();ShowState ():delay_nms(10); 第四章 实验结果及分析为了验证所设计的基于AT89S51 的电机控制器的正确性与有效性、控制回路和控制程序是否满足系统要求，在实验室完成了控制系统的闭环调速实验。第一步: 电机驱动脉冲测试为了实现后续电路的设计要求，首先对驱动电路输出的脉冲信号进行测试，用示波器观察驱动脉冲波形，看是否满足驱动要求。系统调试的第一步，就是看原始信号是否正常。驱动电路输出端接到示波器上，调节数字示波器，使信号尽量清楚，其波形图如4.1所示，其中分别为转速在20 r /min、50 r /min 和100 r /min时的两相波形输出图形。第二步: 转速闭环测试主要是测试电机转速在数字PID 闭环控制下的控制精度和响应速度。启动控制系统，设置控制器的速度为20 r /min时，检测L298N 的输出波形如图6( a) 所示。随后，分别设置控制器的速度为50 r /min、100 r /min 时，此时的电机驱动脉冲波形如图6( b) 、( c) 所示。由图4.2可以看出: 输出的信号比较理想，而且干扰也比较小。a. 转速为20 r /min 时两相波形输出图形b. 转速为50 r /min 时两相波形输出图形c. 转速为100 r /min 时两相波形输出图形图4.1 不同情况运行时的驱动脉冲波形图4.2 转速50 r /min 时测速光电门输出波形从试验结果可以看出，设计的控制系统能满足指标要求，系统的响应速度和控制精度均在允许范围内。4.1 圈数测试结果测试设定允许转过圈数与实际测量圈数比较。测试圈数的转速选择为50 r /min，测试结果见表4.1。表4.1 位置测试结果理论圈数1050100500实际圈数1050100500误差值00004.2 转速调整测试结果设定不同的转速，检测所到达位置和转动的速度是否精确，测试结果见表4.2。表4.2 转度测试结果理论速度/（）2050100理论速度/（）20.550.399误差值-0.5-0.31 第五章 结束语步进电机是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件，随着数字电子技术的发展应用会更加广泛。本文通过对步进电机的工作原理、控制系统设计和转速控制等方面的研究，提高了步进电机的控制水平，但对步进电机控制技术的研究是一个无止境的工程，需要在产品开发实践中，不断积累经验，并与理论相结合，才能使步进电机的控制达到