毕业设计（论文）-基于单片机的步进电机控制系统设计

1步进电机驱动控制器设计题目基于单片机的步进电机驱动控制器设计姓名学院工学院专业自动化班级学号指导教师职称2012年6月18日南京农业大学教务处制2摘要本文应用单片机、步进电机驱动芯片、字符型LCD，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。进行了硬件和软件设计，系统实现了步进电机的正反转控制及加、减速控制，以及采集温度并根据温度控制系统的转速，并进行了仿真。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和成本，仿真结果满足设计要求，最后给出了步进电机控制系统的应用实例。关键词步进电机，单片机，变频调速，软硬件协同仿真，驱动系统INTHISPAPER,MICROCONTROLLER,STEPPERMOTORDRIVERCHIPS,CHARACTERLCD,BUILDASETOFSTEPPERMOTORCONTROLLERANDDRIVERASONEOFTHESTEPPINGMOTORCONTROLSYSTEMWEUSESOFTWAREALSOWITHHARDWARETOFINISHTHEDESIGNSYSTEMREALIZESTHESTEPPINGMOTOROFPOSITIVESCMDECELERATIONCONTROLDISPLAYSIMULATIONBYSOFTWAREANDHARDWAREDRIVINGSYSTEM3目录1绪论11引言12基于单片机的步进电机驱动技术简介2步进电机概述21步进电机的分类22步进电机的工作原理221结构及基本原理222步进电机的几个常用术语223步进电机的控制3系统的硬件设计31系统设计方案311系统的方案简述与设计要求312系统的组成及其对应功能简述32步进电机的驱动321驱动电路的选择322关于ULN2003芯片4步进电机驱动器的设计41设计任务与器件选取42软件实现图（PROTEUS仿真）43程序设计5结论6致谢47参考文献1绪论11引言步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为STEPPINGMOTOR，PULSEMOTOR或STEPPERSERVO，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。12基于单片机的步进电机驱动技术简介目前常见的步进电机控制方案有基于电子电路的控制，基于PLC的控制，基于单片机的控制。本文将主要介绍最后一种。采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，按钮作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。本方案有以下优点1单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；2用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；3单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。2步进电机概述21步进电机的分类步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组5合式三大类型。1反应式步进电机VARIABLERELUCTANCE，简称VR反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；2永磁式步进电机PERMANENTMAGNET，简称PM永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。3混合式步进电机HYBRID，简称HB混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。22步进电机的工作原理221结构及基本原理步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。通过电磁感应定律我们很容易知道激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图1所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。图1激励线圈产生电磁场222步进电机的几个常用术语步距角表示控制系统每发一个步进脉冲信号，步进电机转子所应转动的角度理论值。ZNQN2其中Z转子的齿数N运行拍数。6齿距角相邻两齿中心线间的夹角ZQZ2步进电机转速NZFN60步进电机的相数是指步进电机内部的线圈组数。运行频率是指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。启动频率是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率。223步进电机的控制（1）控制换相顺序步进电机的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。通常我们把通电换相这一过程成为脉冲分配。例如，步进电机的八拍工作方式，其各相通电的顺序为AABBBCCCDDDA（正转）或DADCDCBCBBAA（反转），通电控制脉冲必须严格这一顺序分别控制A,B,C,D相得通电和断电。（2）控制步进电机的转向如果按定的工作方式正序通电换相，步进电机就正转；如果按反序通电换相，则步进电机就反转。（3）控制步进电机的转速如果给定步进电机一个控制脉冲，它就转成一步，再发一个控制脉冲，它就会再转一步。两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转的越快。因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速。调整单片机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。（4）调整单片机输出地步进脉冲频率的方法软件延时方法改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率，但这种方法使CPU长时间等待无法进行其他工作，因此没有实用价值。在单独进行步进电机的演示时可以采用。定时器中断方法在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速。这种方法占用CPU时间较少，是一种比较实用的调速法。用单片机对步进电机进行速度控制，实际上就是控制每次换相的时间间隔。升速时，使脉冲频率逐渐升高，降速时则相反。（5）步进电机的三种运行方式单四拍运行方式7当电机绕组通电时序为ABCD时为正转，通电时序为DCBA时为反序。N4步距角57124360NZQZN则步进电机转一圈所需步进脉冲数48双四拍运行方式当电机绕组通电时序为ABBCCDDA时为正转，通电时序为DACDBCAB时为反转。N4步距角57124360NZQZN则步进电机转一圈所需步进脉冲数48八拍运行方式当电机绕组通电时序为AABBBCCCDDDA时为正转，通电时序DADCDCBCBBAA时为反转N8步距角75312860NZQZN则步进电机转一圈所需步进脉冲数96八拍运行方式的步距角要比单四拍和双四拍运行方式的步距角小一半，所以步进精度高一倍。表1步进电机相序分配表3系统的硬件设计831系统设计方案311系统的方案简述与设计要求本设计采用单片机89C51来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了电机驱动芯片及其外围电路构成了整个系统的驱动部分，再加上作为执行部件的步进电机来构成了一个基本的步进电机控制系统。系统的具体功能和要求如下1通过单片机控制步进电机单步或连续运行。2使用按键控制步进电机运行和正反转。3通过按键设置步进电机运行速度、运行时间、转动角度等，并将有关参数显示在LCD显示器上。4将运行参数显示在上位机，并可通过上位机对步进电机的运行参数进行设置。5采集并显示当前温度，并可根据温度高低自动调节步进电机的转速。312系统的组成及其对应功能简述整个系统的组成包括单片机最小系统，电机驱动模块，串口下载模块，LCD显示模块，电机驱动电流检测模块，独立按键等模块组成。单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺序有关。与此同时，单片机将会把电机转速，电机的转动方向，以及温度值通过LCD显示出来。电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机工作。串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。LCD显示模块就主要是显示电机转速，电机转向，和通过电机的电流等系统的实时信息。按键作为外部中断源，和单片机端口连接，通过它设置了电机的正转，反转，加速，减速，显示温度等功能。采用了中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成了对步进电机的最佳的及时的控制。32步进电机的驱动321驱动电路的选择步进电机的驱动电机有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。单电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。它的最大特点是结构简单，因它的工作效率低，特别是在高频下更显的突出。它的外接电阻R要消耗相当一部分的热量，这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。双电压驱动是电路一般采用两种电源电压来驱动，因这两个电源分别是一个为高压一个为低压，9因此也称为高低压驱动电路。双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降。不宜于电机的正常运行。对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定期额定电流和减少时间常数。但由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声。细分驱动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转动一步，一般会根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕阻会轮流切换，固可以使步进电机的转子旋转。细分控制的电路一般分为两类，一类是采用线性模拟功率放大器的方法获得阶梯形电流，这种方法简单，但效率低。别一种是用单片机采用数子脉宽调制的方法获得阶梯电流，这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。我们所使用的系统是小型步进电机，对电压和电流要求不是很高，故选择驱动芯片ULN2003A来驱动，并通过软件来实现步进电机的调速。322ULN2003芯片ULN2003的设计与标准TTL系列兼容。它的管脚连接图如图2所示,内部结构如图3所示图2ULN2003管脚连接图其主要特性为表2ULN2003主要特性表参数名称符号数值单位输入电压VIN30V输入电流IIN25MA功耗PD1W工作环境温度TOPR20TO85贮存温度TSTG55TO15010ULN2003芯片概述与特点ULN2003芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。步进电机驱动电路的工作过程是首先从P1口输出00000001B，由于单片机与ULN2003连接只用到了P10P13，所以ULN2003与单片机连接的四个管脚中每时刻只有一个管脚处于导通状态（采用单拍方式对步进电机控制），其他管脚处于断开状态。这样就使得与ULN2003连接的步进电机只有一个引出端导通。该系统驱动原理图如图3图3步进电机驱动原理图4步进电机驱动器的设计41设计任务与器件选取设计任务和要求1通过单片机控制步进电机单步或连续运行。2使用按键控制步进电机运行和正反转。3通过按键设置步进电机运行速度、运行时间、转动角度等，并将有关参数显示在LCD显示器上。4将运行参数显示在上位机，并可通过上位机对步进电机的运行参数进行设置。5采集并显示当前温度，并可根据温度高低自动调节步进电机的转速。11器材选取80C51单片机、步进电机、按钮、LCD液晶屏、链接导线、串口、晶振、ULN2003驱动芯片、电容、排阻、三极管、滑动变阻器、DS18B20、蜂鸣器、电阻、电源。42软件实现图（PROTEUS仿真）图4步进电机驱动仿真图实习过程中的部分截图D714D613D512D41D310D29D18D07E6RW5RS4VS1VD2VE3LCD2LM016L电机运行状态显示为STOP,档位为5档，开机转速为266R/MIN12D714D613D512D41D310D29D18D07E6RW5RS4VS1VD2VE3LCD2LM016L按下启动键后，转向显示出显示“,即电机顺时针转43程序设计INCLUDEINCLUDE/内部包含延时函数_NOP_DEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEDELAYNOP_NOP_NOP_NOP_NOP_UCHARCODEFFW80XF1,0XF3,0XF2,0XF6,0XF4,0XFC,0XF8,0XF9/正转相序编码表UCHARCODEREV80XF9,0XF8,0XFC,0XF4,0XF6,0XF2,0XF3,0XF1/反转相序编码表SBITK1P14/单步SBITK2P15/运行与停止SBITK3P16/时间设置SBITK4P17/加速SBITK5P32/减速SBITK6P33/方向转换SBITK7P34/显示温度并自动调速SBITDSP36/DS18B20输入SBITLCD_RSP20SBITLCD_RWP21SBITLCD_ENP22SBITBEEPP23/蜂鸣器BITON_OFF0/运行与停止标志BITDIRECTION1/方向标志BITFLAGUCHARCODET1“TEPC“UCHARCODEWENDU“0123456789“/利用一个温度表解决温度显示乱码UCHARCODECDIS0“WELCOMEWUUCHARCODECDIS1“STEPPINGMOTOR“UCHARCODECDIS2“CONTROLSYSTEM“UCHARCODECDIS3“STOPING“UCHARCODECDIS4“DW“UCHARCODECDIS5“RUNNING“UCHARCODECDIS6“R/MIN“UCHARCODECDIS7“RATE“UCHARCODECDIS8“ONESTEP“13UCHARCODECDIS9“TIME“UCHARM,V0,Q0,J,IUCHARSBUF_TEMPUCHARRATE5UCHARANGLE0,TIME0/预设定速度档UCHARDATA_TEMP1,DATA_TEMP2,DATA_TEMP3,DATA_TEMP4UINTZS,DATA_TEMPUINTNUM/定义的时候用UCHAR宏定义就会出错UINTNUM1UINTNUM2/VOIDDELAYUINTT/延时T毫秒函数UCHARKWHILETFORK0K号17ELSEFORM0M0IDS0/给脉冲信号DAT1DS1/给脉冲信号IFDSDAT|0X80TMPDELAY4RETURNDAT/VOIDWRITEONECHARUNSIGNEDCHARDAT/写一个字节UNSIGNEDCHARI0FORI8I0IDS0DSDATTMPDELAY5DS1DAT1/UNSIGNEDINTREADTEMP/读取温度UNSIGNEDCHARA0UNSIGNEDCHARB0UNSIGNEDINTT0FLOATTT0INIT_DS18B20WRITEONECHAR0XC