基于单片机的步进电机运动控制系统设计.docx

摘要：步进电机由于其精确性及其良好的性能得到广泛的应用。本文介绍了以C8051系列单片机为核心饿步进电机的控制系统，主要阐述了系统的硬件电路以及软件的设计方法。经过实际应用证明，该控制系统的抗干扰能力以及稳定性能都非常好！关键词：步进电机；C8051单片机；控制系统引 言：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，改变脉冲频率可以方便的改变转速。由于可以精确的控制步进电机的转动角度和实现开环控制，步进电机广泛应用与打印机等办公自动化设备以及各种控制装置中。本文具体介绍了一个步进电机运动控制系统的结构组成，既包括硬件设计，也有具体的软件实现，步进电机驱动的框图如图1所示：控制信号（控制装置）正转脉冲发生器反转CW驱动电路电机图步进电机驱动系统框图1 系统硬件设计 该系统的硬件部分由单片机AT89S52、L297、L298构成。该硬件系统适用于双极性两相步进电机单极性四相步进电机的控制。L297主要是用来接收AT89S52发出的信号脉冲，从而产生对功率级电路的控制信号，L298用来驱动步进电机。1、1 控制电路部分 该部分的功能是产生电机正转和反转的方向信号，使能信号、时钟信号。实现这部分功能，可以选取单片机DSP、CPLD/PFGA等，考虑到系统的成本和功能要求，本设计中选取AT89S52作为控制器。1、2驱动电路部分 驱动电路部分由专用芯片L297、L298组成，驱动步进电机时，需要由单相脉冲电压得到多相步进电压，为此，采用由芯片L297构成的脉冲分配电路。 L297步进电机控制集成芯片适用于双极性二相步进电机或单极性四相步进电机的控制，可与H桥式驱动芯片L298组合成完整的步进电机固定斩波的pwm恒流斩波驱动器，斩波频率由电路图2中的R和C来决定，根据集成电路的性质，选用R的阻值要大于10千欧，图2中的R1和R2为电流检测电阻，D1、D2等构成二极管阵列，用于吸收L1和L2产生的浪涌。 脉冲分配器输出电流很小，要驱动步进电机，满足驱动要求，须外接功率驱动电路，L298芯片是一种高电压，大电流，双H桥功率集成电路，可用来驱动步进电机，由L297、L298组成的步进电机驱动电路取土2所示。1、3电机选型 在本系统的设计中，采用国内某厂家的两相步进电机，型号为16H38-0504A，具体参数为：相电压12V；相电流0.5A；相电感45MH；转动惯量24g-cm平方；保持转矩2900g-cm。电机的矩频特性曲线如图3所示。2 系统软件构成21 数学模型的建立步进电机控制系统的数学建模非常重要，在常用的步进电机升将速的控制算法中有按斜线控制、指数曲线控制、抛物线控制等。在本系统的设计中，充分考虑了电机的动力学方程和矩频特性曲线，采用指数曲线控制。在步进电机控制系统中，给一个电脉冲信号，步进电机就转动一个角度或前进一步。设输入为脉冲数N，输出为转角，则=sN（s为不矩角）。步进电机的动力学方程为T=Jd2dt2+Bddt+Tl(1)式中：T为电机输出力矩或产生力矩，J为转子转动惯量，B为摩擦系数，Tl为负载转矩，为转子位置。设W为电机的转子速度，令ddt=w，则式（1）变为： T=Jdwdt+Bw+Tl （2）若驱动脉冲的频率dNdt用f表示，则w=sf，式（2）变为： T=Jsdfdt+Bsf+Tl (3) （3）如果要求电机尽可能快的加速，则所有频率都必须产生最大转矩，由式（3）步进电机的运动一定满足下式： T=Jsdfdt+Bsf+TlTm（4）式中：Tm为步进电机的输出力矩，通过电机的矩频特性曲线，假设该曲线是线性下降的，电机的输出力矩可以由下式（5）表示：Tm=TM0-kf (5)式中：Tm0为最大转矩，k为假定输出转矩按直线变化时的斜率，联合式（4）与（5），得到式（6）为： JSdfdt+Bsf+Tl=Tm0-kf (6)在条件t=0, f=0时解得：f=fc1-e-t (7)式中：fc=TM0-TlBt+k, =JsBs+k.该公式对应步进电机升速过程的算法。 将升速过程均匀地离散为段，整个上升时间为t，则相邻速度的时间间隔为：t=trn（8）式中：n为阶梯升