步进电机正反转及调速设计

步进电机正反转及调速设计陈超渭南师范学院物理与电气工程系2008级电气〔1〕班摘要：本系统用52系列单片机和LY-36电机驱动芯片并参加了按钮来控制步进电机实现转向、转速等。系统中使用的四相步进电机，相应的驱动和控制电路对于其整体性能起着非常重要的作用。经系统调试，能够很好的控制步进电机的正反转、加减速，从而到达预期目的。整个系统具有结构简单、可靠性高、本钱低和实用性强等特点，具有较高的通用性和应用推广价值。关键词：四相步进电机52单片机控制YL-36驱动电路正反转1绪论1.1概述步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化系统中，与其他类型的电机相比具有易于精确控制，无累积误差等优点。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，就驱动步进电机按设定的方向转一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达准确定位的目的；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，从而到达调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有累积误差的特点，广泛应用于各种开环控制。单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作[1]。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比方CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件。本文设计一种用STC89C52作为核心部件进行逻辑控制及信号产生的步进电机控制系统。为使步进电机系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据系统的功能要求，通过单片机存储器、I/O口、中断、键盘、LED显示器的扩展来实现步进电机的启停、正反转、加减速等功能。1.2步进电机及单片机的开展趋势步进电机的开展，将依赖于新型材料的应用、设计手段，以及与驱动技术的最正确匹配。随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的快速开展，以及进一步数字化、智能化，步进电机将会在更深入广泛的领域中得意应用。电力电子技术、高性能永磁材料的应用、优化的设计方案，驱动技术的提高都对步进电机的设计与开展产生了巨大的影响。计算计技术在其开展过程中形成两个重要分支：通用计算机领域，现在以PC机为代表，着重开展海量高速数值运算技术，而其控制能力是有限的；嵌入式计算机领域，现在以单片机为代表，着重开展计算机的控制技术，而其计算机速度是有限的。在目前的许多实时工业控制和数据采集系统中，常常采用PC机做上位机和多个单片机做下位机的主从式系统。在主从分布式控制系统中，单片机主要完成实时数据采集，被采集数据经初步处理后通过串行口传送给主机。主机将从机发送来的数据进行处理后随时向用户提供各种统计报表和整个控制过程的具体数据。主机同时根据从从机接受的过程参数进行判断处理并给从机〔单片机〕发送各种控制命令[2]。它既利用了单片机的价格低，功能强，抗干扰能力强，温限宽和面向控制等优点，又利用PC操作系统的高级用户界面，多任务自动内存管理等特点。单片机集成越来越多资源，内部存储日益丰富，用户不需要扩充资源就可以完成工程开发，而且单片机抗干扰能力也越来越强，使它更加适合工业控制领域。1.3研究步进电机的意义随着微电子和计算机技术的开展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的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、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。2系统总体方案介绍设计一个基于STC89C52系列单片机控制的步进电机[3]，操作不同的按钮使步进电机作出相应的动作。使用五个按键，分别用来实现正反转、加减速、停止功能。2.1系统组成框图STC89C52Pp电源及时钟电路复位电路按键驱动电路步进电机图1单片机总体设计结构框图2.2设计方案与思路对步进电动机的控制，接口采用软件控制步进电动机的旋转。步进电动机的驱动脉冲由STC89C52单片机的编程来实现，由STC89C52芯片的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3出发，驱动步进电动机的A、B、C、D相。由于步进电机的正常工作电压是5V，故需要用反相器驱动。同时考虑到步进电机各相驱动电流较大，驱动电流的通断会造成电磁干扰，从而影响单片机的正常工作，因而输出通道要加光电隔离器，以隔断步进电机与89C52芯片控制电路的联系。另外电动机各相串限流电阻，以防止过大的电流流过线圈，造成电动机被烧。通过89C52芯片的P0口来读取电动机的停止、正转、反转、加速、减速控制信号。通过89C52的P2口输出电动机工作状态〔停止、正转、反转〕显示。3硬件电路3.1STC89C52简介STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器〔FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory〕的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。3.2控制功能电路及工作原理系统复位电路复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位。在系统中，为了实现上述的两项功能，采用常用的按键电平复位电路，这样复位键有复位和停止两个功能，如图3-1所示。图2复位电路从图中可以看出，当系统得到工作电压的时候，复位电路工作在上电自动复位状态，通过外部复位电路的电容充电来实现，只要Vcc的上升时间不超过1ms就可以实现自动上电复位功能。在本系统中，采用10uF的电容和100kΩ的电阻来实现复位电路。当系统出错时，直接按开关实现模拟系统上电复位的功能，从而实现系统重新复位启动。系统的时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图3—2(a)所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图3—2〔b〕所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。〔a〕内部方式时钟电路〔b〕外部方式时钟电路图3时钟电路电机驱动电路由单片机直接输出的脉冲缺乏以驱动步进电机正常工作所以需要驱动电路给步进电机提供电源[5]，在本设计中采用型号为YL-36的芯片，使步进电机正常工作。驱动信号由P1口的P2.0~P2.3输出，分别与驱动芯片的IN1-LN4相连，电路如下列图所示：IN1IN11A16IN22B15IN33C14IN44D13IN55COM9YN-36+88.8+5V图4系统的驱动电路4软件设计4.1电机正反转、加减速确实定方法当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机按设定的方向转一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的[6][7]，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达准确定位的目的；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，从而到达调速的目的。电机正反转确实定步进电机有四相绕组A、B、C、D，当一绕组通电时在电动机内部形成N－S极，产生磁场，当通电的相发生变化，磁场发生旋转，在磁场的作用下，转子将转动，假设步进电机按双四拍的方式来工作，那么在A、B、C、D四相绕组上输入脉冲的顺序为AB→BC→CD→DA→AB，步进电机沿顺时针方向转动，即正转；假设在A、B、C、D四相绕组上依次输入脉冲AB→DA→CD→BC→AB；步进电机将沿逆时针方向旋转，即反转。因此只要控制在四相绕组上输入脉冲的顺序，就可以控制电机的正转/反转。电机加减速确实定步进电机的转速，是通过定时/计数器编写延时程序的方法来改变的。例如：步进电机按双四拍方式正转时，通电顺序为AB→BC→CD→DA→AB在A、B两相同时通电后有时间延迟，延迟后再变为B、C两相同时通电。在每一个间隔都有程序来实现时间延迟。通过改变延迟时间的大小，可以改变电动机的转速，进而实现电动机转速的控制。4.2软件设计整个系统软件分为两个局部：正反转，加减速两个局部。通过调用延时子程序改变延时时间来实现对步进电机的控制。系统采用模块化编程，将各局部功能分别实现。系统总体流程图如图4-1所示。开始开始初始化初始化P1.0正转P1.2反转P1.0正转P1.2反转P1.1和P1.3口控制加减速P1.4停止While1正转反转加速减速正转反转加速减速配置、控制步进电机运行配置、控制步进电机运行图4-1系统总体流程图5系统调试调试是验证是否实现了所要完成的功能。系统的调试开始时将编译生成的无错误后缀名为．HEX的文件加载到STC89C52单片机中。接线，插上电源进行实验操作。按下不同的按钮时，程序是给一个初始值，使其单片机做出相应的运作状态，通过调试系统到达设计的任务要求。6设计总结:通过本次设计把步进电机的结构、工作原理及控制其正、反转等一一弄明白了，通过用单片机控制步进电机的正、反转，也对单片机的知识也进行了复习和稳固。实践是检验真理的唯一标准，学习再多的理论也只能纸上谈兵，只有把理论应用到实践中，才能检验出理论的真伪。通过这次的毕业论文设计，不仅把单片机的有关知识系统的复习了一遍，而且学会了各种设计电路的软件，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，这次毕业设计实在是获益匪浅。指导老师：翟丽杰参考文献：王庆东，刘杰辉，陈亦仁，等，单片机在步进电机驱动控制中的应用[J]．煤矿机械，2006，27(6)：92—94．丁伟雄，杨定安，宋晓光．步进电机的控制原理及其单片机控制实现[J]．煤矿机械，2005，26(6)：129—131．张劲，利用AT89S52单片机控制步进电机[J],福建电脑,2008，24(12):175-185.毛玉蓉，翁惠辉，刘钢,一种基于单片微机的步进电机控制系统[J].电气传动,2003，33(6):32-43.王庆东，刘杰辉，陈亦仁，马强，张令，WANGQing-dong，LIUJie-hui，CHENYiren，MAQiang，ZHANGLing.单片机在步进电机驱动控制中的应用[J].煤矿机械,2006，27(6):1001-1002.Xiao-DanPanandQiangSui,ANovelConfigurationofTemperatureCompensationinRectangularWaveguideResonantCavities[J],PIERSProceedings,Beijing,China,March,23{27,2009:318-323.OliverKugelery,AxelNeumann,WolfgangAnders,JensKnoblochBESSY,Germany,MEASUREMENTANDCOMPENSATIONOFMICROPHONICSINCW-OPERATEDTESLA-TYPECAVITIES[J].EliFlax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