【毕业学位论文】(Word原稿)基于AVR单片机的步进电机控制器设计-机电一体化技术

毕业实习 毕业设计 毕业论文 题 目 ： 基于 片机的 步进电机控制器 设计 年 级： 2005 级 专 业： 机电一体化技术 姓 名： 杨 明 学 号： 20056427 指导教师： 王世刚 日 期： 黑龙江大学职业技术学院制 I 摘 要 介绍了步进电 动机的发展史 ,及国内的现状和步进电动机未来的应用前景。并且阐述了步进电动机转速、角度、转矩的控制原理。 本文阐述了一种步进电机控制器的设计方案，并绘制了原理图和 写了程序源代码。实现了对步进电动机转速、角度的控制，并完成了实物的制作。这期间主要使用 件绘制原理图和制板，后通过硬件的调试验证程序代码的实际功能，完成对控制器的设计。 关键词 步进电动机；控制器 。 of of a to to u of a of of CB a a to of of 9 se .1 on an of of a an of of 目 录 摘要 第一章、引 言 1 1 1 1 第二章、步 进电机控制系统 2 2 2 2 3 3 第三章、 片机 4 4 4 第四章、 控制器电路图 6 第五章、 步进电动机原理与控制 8 8 8 297/ 8 297芯片简介 8 298芯片简介 9 297 298 步进电机控制 9 10 第 六 章、 实现 11 6.1 程序 流程 图 11 码 12 第 七 章、 结构 图 30 结论 31 参考文献 32 致谢 33 附录 34 基于 片机的 步进电机 控制 器 1 第一章、引 言 进电机发展史 步进电机又称电动机或阶跃电动机，国外一般称为 。步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于 1830年至 1860年间。 1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电动。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶 和飞机等独立系统中广泛使用。 20 世纪 60 年代后期，随着永磁性材料的发展，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。 在近 30年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机，以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。 国步进电机发展 我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪 50年代后期。从 50年代后期到 60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进 电动机为主。 70年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。 70 年代中期至 80 年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛利用。 1 3 步进电机的应用前景 目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。步进电机必然会成为机电一体化元件组件的必然趋 势 。 由于步进电机具有控制方 便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。市场上有很多现成的步进电机控制机构，但价格都偏高。应用 司推出的 芯片可方便的组成步进电机驱动器， 并结合 基于 片机的 步进电机 控制 器 2 第二章、步进电机控制系统 进电动机 控制 系统 步进电动机本体、步进电动机驱动电路 和控制 单元 构成步进电动机系统不可分割的三大部分。系统框图见下 图 2 图 22 2 控制单元 控制单元 、 驱动电路为控制系统的核心部分。 控制单元是整个系统最核心的部分 ,是系统的指挥中心。用于协调各部分的运行，主要负责接收通信端口或输入电路送来的信息，并对其进行识别，译码，并做出相应的动作，发出控制信号用以控制步进电动机。 控制单元实质上是具有处理能力的微 处理器芯片。 控制单元可以由：单片机、 充当。 本文 选用由 2 3 驱动电路 驱动电路是负责将控制单元送来的微电流信号进行放大用以驱动步进电动机运转， 驱动电路实质上是功率放大器 。 常 见的 驱动电路 ：单电压型功放电路、高低压切换型功放电路、斩波恒流功放电路等再就是采用专用的集成芯片。 本文 采用 298 芯片，由这两种芯片构成的驱动电路 具有控制方便、精度高、并且不需要外围扩展。 基于 片机的 步进电机 控制 器 3 2 4 通信端口 通信端口是步进电机控制器与上位 机（主要是指计算机）进行通信的接口， 串口采 用 的通信标准 准。 使用单片机的 口 与计算机的串口（ 9 芯） 相连进行通信。 2 5 其它 显示屏：人机交互的窗口，使用 晶屏。 输入电路：用于输入控制信息，告诉控制器如何运转。 基于 片机的 步进电机 控制 器 4 第三章 、 片机 功耗的 8 位 微处理器芯片，具有16统内可编程 述如下 ： 1、 165121 2、 四通道的 3、 两个可编程串行 4、 可工作于主机 /从机模式的 5、 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 ； 6、片内 /片外中断源 ； 7、 32个双向 I/单独控制 ； 8、 9、 3个定时计数器等。 脚 如图 3 图 3 基于 片机的 步进电机 控制 器 5 引脚功能简述如下： A/ 模拟 /数字 电源 ; A/ ：晶振； 复位； A/ D： 双向 I/ 注： 是一个高度灵活的串行通讯设备 ,通用同步和异步串行接收器和转发器 的英文缩写。 基于 片机的 步进电机 控制 器 6 第四章、 控制器电路图 基于 片机的 步进电机 控制 器 7 原理图说明 : 本原理图 ,用 总路线和网络标号连接，即相同的的网络标号具有电气连接。 称火牛头）； 98 放大图见附录。 基于 片机的 步进电机 控制 器 8 第五章、 步进电动机原理与控制 从广义上讲，步进电动机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。 进电动机的结构 (图 5图 5进电动机的 控制 原理 步进电机是一种将电脉冲信号变为相应的直流位移的数字 /模拟变换器。每当电机绕组接收一个脉冲时，转子就转过一个相应的角度（步距）。 步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格 成正比。在时间上与输入脉冲同步，因而只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可获得所需要的转速和转动方向。 297/ 片简介 可产生四相驱动信号，用于两相双极或四相单极步进电动机的控制。它的心脏部分是一组译码器它能产生各种所需的相序，这一部分是由两种输入模式控制，方向控制 （ 和 进式时钟 码器有四个输出点连接到输出逻辑部分，提供抑制和斩波功能所需 的相序。 生三种相序信号 ，对应于三种不同的工作方式：即半步方式（ 基本步距（ 相激励方式；基本步距两相激励方式。 现恒流斩波控制以获得良好的矩频特性。 基于 片机的 步进电机 控制 器 9 298 芯片简介 电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准 如继电器、圆筒形线圈、直流电机和步进电机，具有两抑制输入来使器件不受输入信号影响。每桥的三级管的射极是连接在一起的 ，相应外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源，使逻辑能在低压下工作。 5个引出脚的多瓦数直插封闭的集成芯片。 297/298 步进电机的控制 98的连接如下 图 5 图 5297/298连接图 这里我 只 使用：半步工作方式和两相激励的基本步距工作方式 。 两种工作方式见下表 5基于 片机的 步进电机 控制 器 10 工作方式 半步工作方式 两相激励基本步距 引脚状态 ， ， 输出 波形 表 5297半步 /两相激励基本步距工作方式 注：采用基本步距一相激励，存在一个缺点，在电流切换过程即通电状态改变过程中，有一瞬间可能所有的定子控制绕组都不通电，电磁转矩瞬间为零，这就使得电磁转距在电机运行中波动很大。所以我不采用这种工作模式。 制机制 98组成的完整系统， 通过不同的连接可以 驱动两相步进电动和驱动四相步进电机 （ 可承受的最高电压为 45V，每相电流 可 达 2A）。单片机（简称 出时钟信号、正反转信号、工作模式信号、复位信号、使能信号及控制信号。 1和取 0时转向相反。 每一个脉冲的下降沿，电机产生一步步进。 1时 是半步模式，为 0时是基本步距。（具体组合方式见表 5为 0时，控制 为 1时控制 为 0时， A， B， 都为 0。 为 0时，脉冲分配器回到初状态（ 298双 驱动步进电机。电路中，5引脚上的两个电阻用来调节 斩 波器电路的参考电压。该电压通过管脚 13、 14所反馈的电位的大小比较，来确定是否进行斩波控制，以达到控制电机绕组电流峰值、保护步进电机的目的。 综上所述：步进电机的转速取决于 位移取决于 矩大 小 则取决于参考电压 小。 基于 片机的 步进电机 控制 器 11 第六章 、实现 6.1 程图 初 始 化读 串 口 程 序 K 4 按 下 否 ?N“ 欢 迎 信 息 ! ” K 4 按 下 否 ?A D C 子 程 序 频 率 设 定 子 程 序“ 1 . S e t f r e q u e n c y ? ”“ 2 . S e t m o d e ? ” K 4 按 下 否 ? 选 择 子 程 序k e y 1 _ t e m p | | k e y 2 _ t e m 方 式 子 程 序执 行 子 程 序 K 4 按 下 否 ?片机的 步进电机 控制 器 12 序 代码 /* #_#297_297_0F 0C 0_297_297_297_297_W 297_297_297_ /# #于 片机的 步进电机 控制 器 13 # /半步工作 # /基本步距 # /工作方式字符串宏 # # # #+ #- #EI #LI #_#_#00 # 50 #0 /#1 2 3 4 # 基于 片机的 步进电机 控制 器 14 #*束 )* /* n,vn,n1,n2,000,+,1,0=,0=,0=; 0=0=000000000,ky,; /*束 )* /* # 0if( /是否有键按下 ,无返回 0,有进入 0; 1 ; 基于 片机的 步进电机 控制 器 15 0; 2 ; 0; 3 ; 0; 4 ; ); /*束 )* /* # /方向寄存器 # /数据寄存器 #0 /0 #_H 0 /_L 0 /产生一个下降沿 _); /必须 =2_L; 0 /清高四位 ( /发送高四位 0x):(0x) ; 基于 片机的 步进电机 控制 器 17 _6); /延时 =15ms _ /=; _00); /=100us ; ; x,y, y0?(0x):(0x) ; x,y, y0?(0x):(0x) ; ),* ; 基于 片机的 步进电机 控制 器 18 /清屏子函数 ,0, ); /*束 )* /* #WM( /脉冲控制函数 ; ; 000000/(10000)*(2*N) ; if(,0,.! ) ; ,0,.!) ; ; 基于 片机的 步进电机 控制 器 19 /*束 )* /* # /半步工作方式 /两相激磁基本步距 /297_1( ; n=0 / : ; : ; ,0,); /正反方向选择 基于 片机的 步进电机 控制 器 20 +: -: ,0,); ,0, ); / 式执行子函数 297_2( ; / : ; : ; ,0,); /正反方向选择 +: -: ,0,); n=n*2; /调用 /*束 )* 基于 片机的 步进电机 控制 器 21 /* #*输出比较匹配 */ /中断服务程序 ，脉冲数、频率控制 ） ; /脉冲计数器 ; /加速间隔 n)& ; /是否达到 /脉冲数 ,是关闭 断 if() (& /减速阶段 if(*N) (=10000)? 10000 : ; /恒速阶段 /*束 )* 基于 片机的 步进电机 控制 器 22 /* # /频率设定子函数 ; /清屏 ,0,1000; ) ; if(4) ; if(2) =58)?1:() ; 000=10000)?1000:(000); if(3) 7:() ; if(1) (19)?0:(1) ; 基于 片机的 步进电机 控制 器 28 ,0, ); /刷新光标位置 if(4) ; ,0,.? ); ; /计算脉冲数 !=4) ; / /测试 /; /; /) ,0,); /欢迎信息 ,1,; /作者信息 )!=4) ; /下否 ? ) ; /初始化关键变量 ; ,0,); /菜单信息 )!=4) ; /下否 , 基于 片机的 步进电机 控制 器 29 ,1,); ; /脉冲速度 (频率 )设定子函数调用 ; /清屏 ,0,); /设定模式 ? )!=4) ; /下否 ? ; /模式选择子函数调用 ; /模式设定子函数调用 /设置完波型模式退出循环 ; /工作方式子函数调用 ; /工作方式设定子函数调用 !=4) ; /*束 )* 基于 片机的 步进电机 控制 器 30 结 论 本文设计的步进电机驱动器 ,应用 和 98集成电路构成。减少了少围器件，可靠性高、占空间少、装配成本低等优点。通过 设计周期和成本，独到之处在于使用了液晶屏做为人机交互的界面，可以通过液晶屏显示的信息知道当前电机的状态 ； 并且使用单片机的相位相频修正 冲源，可以方便的控制电动的转速及转过的角度并且精度较高。 脉冲频率的 精度与单片机的 000000/f， 实际应用时可将，精确度高的峰值固化在 由于本人当前的知识水平有限，