步进电机细分驱动设计.doc

编号： 课程设计报告书课 题： 步进电机细分驱动设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2011 年12月18日目 录前言2一、课设任务要求及目的2二、步进电机细分驱动系统总体设计21、步进电机的原理32、步进电机驱动器原理33、步进电机的细分原理44、系统总体设计概况5三、步进电机细分驱动控制系统的电路设计61、单片机控制电路62、D/A转换电路的设计73、光电耦合驱动电路设计8四、软件设计及编程9五、步进电机细分驱动电路的仿真与调试11结论13总结13参考文献14前言本文讲述了细分驱动技术的原理，重点介绍了细分驱动控制系统的设计方法，设计了一个细分驱动器的设计方案，本文采用常用单片机AT89C51作为脉冲发生器，同时也作为细分控制信号的发生源，应用DAC0832实现D/A转换，采用光耦器件构成步进电机的驱动电路，最终组成电机细分数可选的驱动控制系统。本文最终通过proteus软件进行电路仿真，仿真结果证明了本次设计的细分驱动控制系统的可行性、可靠性，并且具有精度高、低频运行平滑、稳定性高的优点。一、课设任务要求及目的题目1 步进电机细分驱动设计要求：1、 实现2相步进电机的2,4,8细分控制2、 通过按键输入相应的细分参数，电机按照细分数进行运行3、 设计相应的驱动电路和程序，并通过仿真软件进行仿真4、 撰写4000字左右的设计说明书二、步进电机细分驱动系统总体设计1、步进电机的原理步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差的特点。使得步进电机在数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制、石英钟表等场合都有广泛的应用。步进电机一般分为永磁式、反应式和混合式3种类型。目前，二相混合式步进电机的应用最为广泛。市场上常见的BYG通用系列二相步进电机是圆形混合式步进电机，步距角一般为1.8度。图一为二相式步进电机的工作原理示意图。由图可知，它有两个绕组，当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子到相应的磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向顺序按照：，则电机将顺时针转动；若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向顺序按照：，则电机将逆时针转动。控制脉冲每作用一次，通电方向变化一次，使电机转动一步，即一个步距角。脉冲频率越高，电机转动也就越快。 图2.1：二相步进电机工作原理2、步进电机驱动器原理由于步进电机不能直接接到直流或工频交流电源上工作，步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电。如图所示，它一般由脉冲发生分配控制单元、功率驱动单元、反馈保护等单元组成，功率驱动单元与步进电机直接相连。以二相步进电机为例，当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时，驱动器经过环形分配器和功率放大后，给电机绕组通电顺序为：，其状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；若方向信号为负时，通电时序就变为，电机就逆时针转动。随着电子技术的发展，功率放大电路由单电压电路、高低电压电路发展到现在的斩波恒流驱动电路。光电耦合驱动电路的基本原理是：其应用于开关电源的控制信号传输与隔离，在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。利用了其共模抑制比很高，可做线性耦合器使用的特点。3、步进电机的细分原理细分的基本概念是：步进电机通过细分驱动器，其步距角变小了。假设驱动器工作为10细分状态，其步距角就是“电机固有步距角的十分之一”。也就是说，当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8度；而当细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动0.18度。细分功能是由驱动器靠精确控制电机的相电流实现的，与电机无关。即细分驱动技术是通过改进驱动电路中对绕组电流的控制方式来实现的，细分驱动技术是一种电流波形控制技术。在步进电机步距角不能满足使用要求时，采用细分驱动器来驱动步进电。细分驱动器的原理就是通过改变A、B相电流的大小，以改变合成磁场的夹角，从而可将一个步距角细分为多步。以二相步进电机为例，通电方向电机每转一步，距角为45度，比原来减小了一半，8个脉冲电机转一周。这就实现了2细分。同理可知4细分、8细分的原理。 图2.2细分后步进电机步距角按下列方法计算：步距角=电机固有步距角细分数。4、系统总体设计概况根据以上的原理分析，在本次课设中我采用了基于单片机控制的细分驱动电路。其系统框图如下图。驱动系统分成四个部分：单片机控制电路、D/A转换电路、功率放大驱动电路。单 片 机DAC08328位双路数模转换器二相步进电机DAC08328位双路数模转换器光电耦合驱动电路路 图2.3 系统框图此电路以单片机为脉冲发生器，单片机也是细分控制信号的来源，作为细分控制的主控器，单片机在本实验中只需要输出一组控制信号，利用移位寄存器作为脉冲分配器，省去了繁琐的编程。这样就可以实现对步进电机的控制，为了给步进电机增加细分驱动的功能，我们采用了DAC0832实现D/A转换，最终实现细分驱动调节步距角的目的。三、步进电机细分驱动控制系统的电路设计1、单片机控制电路图3.1在这个单片机控制电路中使用到以下端口，做如下介绍：P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。EA：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。其中在单片机控制电路中必不可少的有复位电路和时钟电路。RST引脚是复位信号输入端，复位信号高点平有效，有效持续时间在24个振荡周期以上才能完成操作。一般，在6MHZ时钟时，通常取22uF，R1取200，R2取1k，这样就能可靠地实现复位。单片机的时钟连接方式分为内部时钟和外部时钟方式。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内，即接XTAL2引脚，而XTAL1接地。2、D/A转换电路的设计在设计中使DAC0832工作在直通方式，直通方式是不经两级锁存器锁存，即 CS*，XFER* ，WR1* ，WR2* 均接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制线路和不带微机的控制系统，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A转换。在该方式下工作，具有能随时转换单片机的数字信号的功能，实时性很强。步进电机细分控制的关键在于：按照什么样的细分电流波形来控制步进电机各相绕组中的电流。采用线性加正弦的规律最接近电机的非线性，因而可以实现步距角的等步距细分，它的数学模型如下面两式：上升沿：下降沿：其中，C为细分电流数据，M为细分数，n为细分步序数，Z和K为常数。软件上为了节省CPU的时间，单片机输出的数字信号不是采用即使计算方法确定，而是预先经过C程序计算，利用预存细分编码的方法存放在单片机ROM中开辟的单元，建立数据表，通过查表形成各输出值。针对要输出具体数值的电压信号的需求，引入了数模转换电路，由单片机输出经过计算得到的数字量，经由DAC0832转换为模拟电压，单片机和DAC0832就构成了阶梯电压产生电路，DAC0832是八位并行数模转换芯片，参考电压为15V，所以它的精度为15/255V。在电路设计中，每一相电流由原来的方波转化为上升沿阶梯上升、下降沿阶梯下降的电流信号，为了得到细分台阶电流，我们需要设计一个能够输出具体数值电压的模块，以及一个能将电压信号转化为足够驱动步进电机的电流信号。其中DAC0832通过一组I/O端口接受来自于单片机输出来的信号，将这个八位的数字信号转换为模拟电压输出，D/A转换电路如下图所示。图3.2需要注意的是在U2输出端口输出的是负电压，这是由DAC0832芯片Iout管脚的电流是流进芯片的，所以为了将U3输出端的负电压转化为正电压，我们在U2的下一级又引入了一个反相电压放大电路U3，U2输出的电压值U2=data/255，其中data是单片传输来的八位二进制数字量，是经过计算转换过来的数字量，U2的负电压经过U3电压反相放大电路，得到了正向的阶梯电压信号。3、光电耦合驱动电路设计图3.3光电耦合电路其共模抑制比很高，所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小。光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当IF0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系。其线性特性好，在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。利用其工作在开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。四、软件设计及编程在设计中，只是用了一个按键，其中按一次表示启动并进入无细分驱动模式，按两次则进入二细分模式，按三次进入四细分模式，按四次进入八细分模式。其程序流程图如下：开 始键盘检测电机按当前细分数运行Y按下按键？电机细分数发生改变N程序如下：#include#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharucharcodetable1=0x00,0x32,0x62,0x8e,0xb5,0xd5,0xed,0xfb,0xff;ucharn=1;uintj=1;voiddelay()uintm=8/j*3000;while(m-); while(m-);/延时c毫秒子程序voiddelays(ucharc)uchara,b;for(;c0;c-)for(b=142;b0;b-)for(a=2;a0;a-); main() uchari;uintt=8/j*1000;IT0=1;EX0=1;EA=1;while(1)/一、A相电流正向增大，B相电流负向减小；for(i=8/j;i=8;i=i+8/j)P3=0xdd;P1=table1i;P2=table18-i;delay(); /二：A相电流正向减小，B相电流正向增大；for(i=8/j;i=8;i=i+8/j)P3=0xed;P1=table18-i;P2=table1i;delay(); /三：A相电流负向增大，B相电流正向减小；for(i=8/j;i=8;i=i+8/j)P3=0xee;P1=table1i;P2=table18-i;delay(); /四：A相电流负向减小，B相电流负向增大；for(i=8/j;i8)n=1;五、步进电机细