基于at89s51单片机的单轴步进电机控制器设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于at89s51单片机的单轴步进电机控制器设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

、启动或停止都取决于 CP 脉冲的有无或频率。 同时环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输出的状态是按正序或者按逆序转换，进而决定步进电机的转向。 从环形分配器输出的各相导通或截止的信号送入信号放大与处理级。 信号放大的作用是将环分输出信号加以放大，变成足够大的信号送入推动级，这中间一般既需电压放大，也需电流放大。 信号处理是 指实现信号的某些转换、合成等功能，产生斩波、抑制等特殊 功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。 本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组合在一起，形成较高性能的驱动输出。 推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级输入的较大信号。 有时，推动级还承担电平转换的作用。 保护级的作用是保护驱动级的安全。 一般可根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。 有时还需要对输入信号进行监护，发现输入异常时也可以提供保护动作。 驱动级 直接与步进电机各相绕组连接，它接受来自推动级的信号，控制电动机各相绕组的导通与截止，同时也绕组承受的电压和电流进行控制驱动级常见的驱动 方式有单极性驱动和双极性驱动等。 单极性驱动电路包括有单电压功率驱动电路、高低电压功率驱动电路。 这两种驱动电路分别应用于不同的步进电机。 下面介绍两种驱动电路的原理以及工作方式。 （ 1）单电压功率驱动电路：对于反应式步进电机，绕组电流只要求向一个方 流动，因此其驱动电路采用单极性驱动。 单电压驱动是指电动机绕组在工作 时， 环形分配器 信号放大与处理级 推动级 驱动级 保护级 基于 AT89S51 单片机的单轴步进电机控制器设计 8 只用一个电压电源对绕组供电，它的特点是电路最简单。 步进电 机使用脉冲电源工作，脉冲电源的获得可通过下图说明， 单电压功率驱动电路如图 所示。 VDARRsVT 2VT 1+ 12 v 图 单电压功率驱动电路 电动机绕组串有电阻 RS，使绕组回路的时间常数减少，缩短了绕组中电流上升的过渡时间。 RS 还能缓解电动机的低频共振现象。 在单电压驱动电路情况下 ， 步进电机 单步 相应曲线如图 所示。 转角t21 图 步进电机单步响应曲线 图中 1 不串电阻 RS的响应曲线， 2 是串电阻 RS并调高电源电压以保持绕组静态电流相同的响应曲线，显然曲线 2 比曲线 1 好。 但由于 RS引起了附加的损耗，故一般这种方法只适用 于小功率步进电机。 （ 2）高低压 功率 驱动电路 ： 高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压 Uh 供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压 Ul 来维持绕组的电流。 这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻 RS，消除了附加损耗。 高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法，由于这种驱动在低频时电流有较大的上冲，电动机低频噪声较大，低频共振现象 基于 AT89S51 单片机的单轴步进电机控制器设计 9 存在，使用时要注意。 高低压功率驱动电路如图 所示。 VDVDVTHUhUlVTlA+ Uh+ Ul 图 高低压功率驱动电 路 （ 3）双极性驱动电路：永磁式或混合式步进电机，由于 工作时要求定子磁极的极性交变，所以通常要求其绕组由双极性驱动电路驱动，即绕组电流能正、反向流动。 由于双极性桥式驱动电路较为复杂，所以过去仅用于大功率步进电机。 近年来出现了集成化的双极性驱动芯片，它能方便地对采用双极性 驱动电路的步进电机极性控制。 如 L298N 双 H 桥驱动器 ，是一款集成的高电压、高电流、双路全桥式电动机驱动芯片。 步进电机的调速 要使步进电机正常工作，必须按照该种电机的励磁状态转换表所规定的状态和顺序一次对各相进行通电或断电控制。 各相 驱动信号来源于环形分配器。 同时，由于电机有正反转要求，所以这种环形分配器的输出既是周期性的，又是可逆的。 因此，环形分配器是一种特殊的可逆循环计数器。 步进电机驱动电源的环形分配器有硬件和软件两种形式。 硬件环形分配器可分为集成触发器型、专用集成电路芯片型等。 集成元器件的使用，使环形分配器的体积大大缩小，可靠性和抗干扰能里提高，并具有较好的响应速度，而且显示直观、维护方便。 软件环形分配器采用微机的软件实现脉冲分配，因此它往往受到微机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。 （ 1）专用集成电路芯片型环形分 配器：集成触发器型环形分配器的硬件电路复杂，使用较少。 目前使用广泛的是专用集成电路芯片环形分配器，如 CH250和 L297 等。 其中， CH250 专用于三相步进电机有 A、 B、 C 三个输出端，当输入端 CL或 EN 加上时钟脉冲后，其输出电流能力为 ，经推动级、驱动级基于 AT89S51 单片机的单轴步进电机控制器设计 10 放大后即可驱动电机绕组。 CH250 如图 所示。 CH 250ABCV111213814 15616JalJbl JarJbrCLRRVVDD E1097121+ 12 V走步脉冲方向信号 图 CH250 （ 2）软件环形分配器：出了采用硬件环形分配器外，在微机系统资源及任务允许的情况下，还可以采用软件环形分配器脉冲的方法。 在这种方法中，脉冲分配器的功能全部由软件来完成。 一次循环输出驱动三相反应式步进电机所需的六个状态： AABBBCCCA,这样，三相步进电机就进入了三相六拍的运行状态。 软件环形分配器 如图 所示。 图 软件环形分配器 采用这种纯软件方法，需要在微机的程序存储器中开辟一个存储空间以存放这 6 种状态，形成一张状态表。 控制系统的应用软件按照电动机正、反转的要求，顺序将状态表的内容取出来送至 8051 的 P1 口。 对于步进电机调速， 实际上就是控制系统发出 CP 脉冲的频率或者换相的 周期。 控制系统可用两种方法确定 CP 脉冲的周期，一种是软件延时法，另一种是定时器延时法。 （ 1）软件延时法：这种方法是在每次换相之后，调用一个延时子程序，延时结束后再次执行换相。 这样周而复始，即可发出一定频率的 CP 脉冲，从而控制步进电机按照某一确定的转速运转。 可以计算得出，延时子程序的延时时间与 8051 A 功率驱动 B 接口电路 C 步进电机 基于 AT89S51 单片机的单轴步进电机控制器设计 11 换相子程序所用时间的和即是 CP 脉冲的周期，也是步进电机的步进频率的倒数。 这种方法的有点是程序简单，占用片内资源少，全部由软件实现，且调用不同的延时子程序就可以实现不同的速度运行。 缺点是占用 CPU 时间太多，不能在运行中处 理其他的工作，显然，这种方法虽然简单，但也只能在较的控制过程中采用。 （ 2）定时器延时法：微机系统一般均带有几个定时器、计数器。 在步进电机的转速控制中，可利用其中某个定时器加载适当的定时值，经过一定的时间，定时器溢出，产生中断信号，暂停主程序的执行，转而执行定时器中断服务程序，于是产生硬件延时效果。 若将步进电机换相子程序放在定时器中断服务程序之中，则定时器每中断一次，电动机就换相一次，定时器定时的大小就决定了电动机换相的频率，从而可实现电动机的速度控制。 当然，对于高精度要求的转速控制场合，只考虑定时器的定时 值是不够的，还要考虑诸如加载定时器、开关定时器、中断响应等待时间、中断响应进出时间等对转速的影响，从而对定时器的定时值进行合理的修正。 步进电机的开环控制 对步进电机进行微机定位控制，有开环控制和闭环控制两类。 开环控制时没有位置检测反馈，不需要光电编码器之类的位置传感器，因此控制系统的价格比较便宜。 但是为了保证定位不出错，设计系统时要留出足够的裕度。 这就是说，电动机的机械负载不能太重。 因为一旦负载短时超重而导致步进电机失步 ，则整个机电传动系统的定给就会出错。 步进电机开环控制如图 所示。 指令 图 步进电机开环控制 确定设计方案 由前面对与步进电机的工作原理、驱动、调速、开环控制等的介绍，针对所提出的设计问题，确定相关的设计方案。 步进电机控制器设计主要在于步进电机微机 功率驱动器 步进电机 工作台 基于 AT89S51 单片机的单轴步进电机控制器设计 12 驱动电路以及调速的设计，辅以相关的按键和显示电路。 步进电机控制是一个比较精确的控制，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的 CP脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。 系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。 一种是延时，一 种是定时。 步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过 CPU 直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为 CPU 的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转 动。 另 一种是通过 专用的驱动电路进行驱动，由前面的介绍可知步进电机的驱动方式有单极性驱动和双极性驱动。 单极性驱动适用于反应式步进电机，双极性驱动适用于永磁式和混合式步进电机。 常用的 集成化驱动芯片有 L298N、ULN2020 等。 步进电机的脉冲分配有软件环形分配器和硬件环形分配器两种形式。 软件环形分配器是通过单片机内部的定时器改变 CP 脉冲的频率从而实现对步 进电机的转速控制，实现调速、快速起停、正反转控制等。 再者步进电机的运行状态应有响应的显示电路进行显示，且可以通过不同的按键控制步进电机状态的改变。 由上述阐述可知步进电机控制设计有多种不同的设计思路和不同的方案可供选择。 简述三种设计方案并从中选择出适合的方案，再进行硬件以及软件的设计。 （ 1） 方案一： 单片机选择 AT89S51 型单片机，步进电机 的驱动 选择 L298N集成 驱动芯片， 显示电路选择七段数码管，再辅以相应的按键电路。 步进电机的脉冲使用软件环形分配的形式。 此设计方案通过单片机内部的定时器改变 CP 脉冲 输入各相的顺序从而改变步进电机的正反转、起停。 通过改变控制系统发出CP 脉冲的频率或者换相的周期就可以改变步进电机运行的速度。 外部的按键可以控制步进电机状态的改变，并通过数码管显示出来。 （ 2） 方案二：步进电机驱动芯片选择 L298N 集成驱动芯片，显示电路选择液晶 LCD1602，加上相应的按键电路。 此设计方案中显示换成了 LCD1602, LCD1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。 LCD1602 是指显示的内容为 16*2,即可以显示两行，每行16 个字符液晶模块。 LCD1602 可以显示更多的内容，而且比较直观。 脉冲分配仍旧通过软件环形分配的形式实现。 基于 AT89S51 单片机的单轴步进电机控制器设计 13 （ 3） 方案三：此设计方案选择硬件环形分配的形式， 硬件环形分配器选择L297 集成芯片， L297 是步进电机专用控制器，能产生 4 相控制信号。 可用于微机控制的两相双极和四相单极步进电机。 能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。 显示电路选用 LCD1602，实时显示步进电机的工作状态。 并辅以相关的按键电路对步进电机进行实时控制。 由于设计是针对步进电机的控制器设计，在显示电路实时显示的是步进电机所走的直线位移，即把回转运动 通过计算转变成直线位移量进行显示。 这样更加方便直观。 通过对比上面三种设计方案，方案一中选用软件环形分配器的形式， 但由于这种方法占用了微机控制系统的大部分时间及 精力 ，所以只能用于微机系统资源比较宽松且微机控制任务不是很 繁重 的系统中。 而且数码管显示电路所能显示的内容比较单一。 方案二选用了 LCD1602 液晶显示，可是显示较多的内容，比较直观，但是仍旧是软件环形分配器的形式。 方案三中选用了 L297 硬件集成环形分配器，可以产生四相驱动信号控制步进电机。 显示电路则选用了 LCD1602 使显示内容更加丰富。 比较上面三种设 计方案不难发现 方案三更加简单合理，方案三的硬件环形分配器减少了占用微机系统资源，液晶显示也能显示更丰富的内容，于是选择方案三作为本次课题的方案设计。 根据设计方案画出整体设计的框图 ，整体框图 如图 所示。 图 整体框图 单 片 机 电源电路 时钟电路 复位电路 显示电路 键盘电路 驱动电路 步进电机 基于 AT89S51 单片机的单轴步进电机控制器设计 14 第三章 硬件设计 单片机最小系统 单片机最小系统作为基于单片机设计所必须的，也是整个控制系统的核心。 单片机最小系统包括晶振电路、复位电路、电源电路。 其中晶振电路为单片机工作提供时钟信号；复位电路是单片机复位程序重新开始执行；电 源电路为单片机提供电源。 在最小系统中 EA/VPP 引脚接高电平， CPU 访问内部。