【毕业学位论文】(Word原稿)基于L298N的步进电机控制器的设计和实现-电子信息科学与技术

1 本科毕业论文 (设计 ) 基于 步进电机控制器 的设计和实现 200831120122 指导教师 刘丹 讲师 学院名称 理学院 专业名称 电子信息科学与技术 论文提交日期 2012 年 5 月 6 日 论文答辩日期 2012 年 5 月 21 日 1 摘 要 步进电机是一种易于精确控制的电机，步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，广泛 应用于机电一体化产品中。虽然步进电机已被广泛地使用，但步进电机不能像直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号，功率驱动电路组成的控制系统才能使用。本设计是根据步进电机的工作原理，设计了一种新型的以 片机和 动器为核心的步进电机调速控制器。在设计中，单片机作为控制单元，用软件的方法产生控制脉冲，脉冲经过 动模块的处理，通过键盘输入设定步进电机的转速并控制电机的运行状态，实现了步进电机正转、反转、加速快转、减速慢转的功能，并且用数码管显示电机工作在快、中、慢档速度。 本文 主要阐述了步进电机模块， 片机控制模块、 动模块、显示模块的设计。本设计选用 司生产的 片机作为控制单元；驱动模块是基于 H 桥驱动芯片设计的驱动电路；电机模块选用四相减速步进电机，并且采用半步工作方式；显示模块主要是用 74动共阳数码管发光，显示步进电机的速度。最后通过 件进行仿真验证程序代码，并且通过了实际硬件电路的测试，证明系统设计的合理性和有效性，完成对控制器的设计。实验结果表明 ,设计的调速控制器具有良好的工作性能。 关键词 片机 步进电机 动器 1 298N 10642, is a of It is in to of a of is VR as it to 298N. to s a in a or VR 298N as is 298 4 to to of 1 目 录 1 引言 . 1 2 系统基本设计方案 . 1 3 步进电机模块 . 3 进电机工作原理 . 3 进电机的控制原理 . 5 4 片机控制模块 . 6 点 . 6 脚介绍 . 8 5 步进电机驱动模块 . 9 动原理 . 9 路参数 . 11 6 显示模块 . 12 7 软件系统设计 . 12 8 设计仿真及调试 . 14 9 总结 . 14 参考文献 . 错误 !未定义书签。 附录 . 16 致谢 . 21 毕业论文成绩评定表 . 22 1 1 引言 步进电机是一种易于精确控制的电机，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。步进电机是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机，将脉冲电信号转换成相应的角位移。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时 可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度从而达到调速的目的。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，广泛应用于机电一体化产品中。 步进电动机 的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于 步进电动机 能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。 这样可以简化控制电路，降低生产成本，提高系统的运行效率和灵活性。本设计中，选用 司生产的 片机作为控制单元，用软件的方法产生控制脉冲，通过软件编程可以任意设定步进电机的转速和步数并控制电机的运行状态。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转 一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 步进电动机 不能直接接到交流或直流电源上工作，而必须使用专用的 步进电机 驱动器。本设计使用恒压恒流桥式 2A 驱动芯片 为驱动模块，内含二个 H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器。 片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的I/O 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。在本设计中使用 现四相步进电机控制，将 对引脚分别接入单片机的某个端口，输出连续的脉冲信号。信号的快慢决定了电机的转速。改变绕组脉冲信号的顺序即可实现正反转。 论文分析了步进电机的工 作原理，完成了以 片机为控制中心，通过 而控制四相步进电机的起动 /停止 , 加速 /减速 , 正转 /反转。实践表明 , 该系统运行简单方便 , 可靠性高。 2 系统基本设计方案 随着工业技术的不断进步，在自动化控制、精密机械加工、航空航天技术及所有要 2 求高精度定位等高新技术领域，步进电机的得到了广泛的应用，基于 片机对步进电机实行高精度控制数字控制系统应运而生。 本设计工作原理为：通过按键输入控制信号，由单片机产生脉冲信号，驱动电路将输入信号功率放大后直接驱动电机工作。步进电机在一 个脉冲周期内将会按照设定的方向转动一个固定的角度，将电脉冲转换成角度位移。转速由脉冲信号频率来控制决定，可通过控制脉冲在一定时间内的个数来控制角位移量，从而达到调速的目的。此外，改变脉冲输出顺序，改变电机的换相方向，从而改变电机的转动方向。 系统总体结构包括单片机控制模块、电机驱动电路、步进电机模块、键盘模块以及显示模块等。键盘用于控制步进电机运动方向和速度参数设定，显示模块用于显示步进电机转动速度。其系统框图见图 1 所示： 本设计选用 司生产 的 片机作为控制单元；驱动模块是基于双H 桥驱动芯片 计的驱动电路；电机模块选用四相五线减速步进电机 28盘模块为四个按键，分别为正转、反转、加速、减速按键；显示模块主要是用 74示步进电机的速度。整个步进电机控制系统的原理图见图 2。 控制模块 显示模块 键盘模块 电机驱动模块 步进电机 电源模块 图 1 步进电机控制电路基本模块方框 3 图 2 步进电机控制系统原理图 3 步进电机模块 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等特点 ， 使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单 ， 非常适合于单片机控制。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步 ,两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。但要注意步进电机应用于低速场合 每分钟转速不超过 1000转 ，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低 。 步进电机工作原理 在本设计中使用四相五线减速步进电机 28步进电机直径为 28压为 5V，减速比为 1/64，该电机效率高，电流小，发热低 。 因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。步进电机的五条线颜色各不 相同，分别代表 +5V、 A 相、 B 相、 C 相、 D 相，见表1。 4 表 1 步进电机 28数 序号 颜色 描述 1 红 +5V 2 橙 A 3 黄 B 4 粉 C 5 蓝 D 该步进电机采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动 ， 工作原理图如图 3。 图 3 四相五线减速步进电机 28进电机原理图 中间部分是转子，由一个永磁体组成，边上的是定子绕组。当定子的一个绕组通电时，将产生一个 方向的电磁场，如果这个磁场的方向和转子磁场方向不在同一条直线上，那么定子和转子的磁场将产生一个扭力将定子扭转。 开始时，开关 通电源， 开， 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。 5 当开关 通电源， 开时，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。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。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 b、 c 所示： 图 4 步进电机工作时序波形图 旋转角度的算法：给予一个脉冲，该步进电机内部转子旋转 ，由于自带减速齿轮组，故外部 主轴旋转角度为 速比，根据要转动的角度即可推算出脉冲数。 步进电机的控制原理 步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。因此在本设计中步进电机采用的是四相八拍的工作方式，俗称半步进工作方式。半步进的方式由于运转平滑，故广泛地采用。四相八拍的控制方式为 以控制步进电机正转，起励磁顺序见表 1。 表 2 励磁顺序 B C D B C D 1 1 0 0 0 5 0 0 1 0 2 1 1 0 0 6 0 0 1 1 3 0 1 0 0 7 0 0 0 1 4 0 1 1 0 8 1 0 0 1 6 若要改变电机的转动方向，只需要将励磁信号反向传送，即励磁顺序为 电机每拍转过的角度，称步距角。由于本设计使用的是减速步进电机，其减速比为 1/64，步距角是 4，也就是内部的轴转一圈，外部的轴只转 。要八个脉冲才能转 ，转一圈要 64（减速比） 8 拍 =512 个脉冲，即要 512 个脉冲才能转一圈 。 4 片机控制模块 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。在本次设计中选用 片机作为控制模块，片机在设计时充分考虑了 C 语言的特点，而且在开发过程中与一著名的生产 C 编译器的软件公司合作，所以 片机与 C 语言的配合十分完美。由于本设计选用 此 片机作为控制模块十分有优势。相对于出现较早也较为成熟的 51 系列单片机 ， 列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代 51 系列单片机。本设计选用的是由 司生产的 片机。 点 高性能、低功耗的 8 位 处理器。 先进的 构。 131 条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期。 32 个 8 位通用工作寄存器。 全静态工作。 工作于 16 性能高达 16 只需两个时钟周期的硬件乘法器。 非易失性程序和数据存储器。 16节的系统内可编程 写寿命为 10000 次。 具有独立锁定位的可选 码区，通过片上 序实现系统内编程，真 正的同时读写操作。 512B 的 写寿命为 100000 次 7 1节的片内 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 口 ( 与 准兼容 )。 符合 准的边界扫描功能。 支持扩展的片内调试功能。 通过 口实现对 丝位和锁定位的编程。 外设特点 两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 / 计数器。 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 / 计数器。 具有独立振荡器的实时计数器 四通道 8 路 10 位 8 个单端通道， 装的 7 个差分通道， 2 个具有可编程增益 （ 1x 10x 或 200x）的差分通道。 面向字节的两线接口 两个可编程的串行 可工作于主机 / 从机模式的 行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理 器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的 荡器 片内 / 片外中断源 6 种睡眠模式 : 空闲模式、 声抑制模式、省电模式、掉电模式、 式以及扩展的 式 I/O 和封装 32 个可编程的 I/O 口 40 引脚 装 44 引脚 装 与 44 引脚 装 工作电压 : 8 速度等级 0 8 1 V 25 C 时的功耗 正常模式 : 1.1 空闲模式 : 掉电模式 : #) (1(X) #1 ( /2 ( /3 ( /4 ( /=0 /正转 =0 /反转 ; /端口初始化程序 18 /四位输入 /四位输出 ， 数码管初始显示 0 /出 ,低四位控制 四位控制使能端 /正转程序 i,j; i=0;i8;i+) i; j=0 ;jj+) ) ; /反转程序 i,j; i=0;i8;i+) i; j=0 ;jj+) ); 19 /检查是否按键 ; 0) ; 2=0) ; /数码管显示速度 0、 1、 2、 3 档 i; i=0; i) : : : : ; /主程序 ; ) ; 20 ; 0) ); ); 0) ); ); 0) /快速档 50; 0) /慢速档 50; 00; ); ; 21 致 谢 在本文完稿之际，我要衷心感谢我的指导老师，在论文成稿期间，无论在选题上，还是资料的应用上，都给予我耐心细致的教导，在论文研究及撰写过程中，老师提出了许多宝贵意见，我学到了许多课外的知识，使我的综合能力得到了提升。老师严谨的治学态度，一丝不苟的敬业精神，为我树立了做人、做事的楷模，对我今后的人生之旅将产生深远的影响。 在此，向大学四年在各方面给予我帮助的教师、同学表示衷心的感谢。论文中的很多材料取于相关书籍和互联 网，也向相关资料的作者表示衷心的感谢。由于我的能力有限，所以疏漏和错误在所难免，请各位老师批评指正，感谢各位老师。 22 华南农业大学 本科生毕业论文成绩评定表 学号 200831120122 姓名 谭晓欣 专业 电子信息科学与技术 毕业论文题目 基于 步进电机控制器的设计和实现 指导教师评语 成绩： 指导教师签名： 年 月 日 评 阅 人 评 语 及 成 绩 评 定 成绩 评定 标准 评 分 项 目 分值 得分 选题 质量 20% 1 专业培养目标 5 2 课题难易度 5 3 课题工作量 5 4 理论意义或实际价值 5 能力 水平 50% 5 查阅文献资料能力 10