步进电机控制系统设计毕业论文

步进电机控制系统设计毕业论文内容摘要：

字器件 2) 推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制 ,总是在一个三极管导通的时候另一个截止 .要实现线与需要用 OC(open collector)门电路 .是两个参数相同的三极管或 MOSFET,以推挽方式存在于电路中 ,各负责正负半周的波形放大任务 ,电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小 ,效率高。 输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。 江西理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 11 STM32F103C8 微控制器简介 STM32F103C8 增强型系列使用高性能的 ARM CortexM3 32 位的 RISC 内核，工作频率为 72MHz，内置高速存储器 (高达 128K 字节的闪存和 20K 字节的SRAM)，丰富的增强 I/O 端口和联接到两条 APB 总线的外设。 所有型号的器件都包含 2 个 12 位的 ADC、 3 个通用 16 位定时器和一个 PWM 定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达 2 个 I2C 和 SPI、 3 个 USART、一个 USB和一个 CAN。 STM32F103C8 增强型系列工作于 40176。 C 至 +105176。 C 的温度范围，供电电压 至 ，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。 完整的 STM32F103C8增强型系列产品包括从 36 脚至 100 脚的五种不 同封装形式；根据不同的封装形式，器件中的外设配置不尽相同。 下面给出了该系列产品中所有外设的基本介绍。 这些丰富的外设配置，使得 STM32F103C8 增强型微控制器适合于多种应用场合：  电机驱动和应用控制  医疗和手持设备  PC 外设和 GPS 平台  工业应用：可编程控制器、变频器、打印机和扫描仪  警报系统，视频对讲，和暖气通风空调系统 STM32F103C8 封装 实物图 见 STM32F103C8 芯片图 （图 21）。 封装图如 下 ： 图 26 STM32F103C8 封装图 江西理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 12 第三章 主要元器件 步进电机 特性与应用 步进电机是一种可以把电脉冲信号 (数字信号 )直接转换成相应的角位移或线位移 (模拟信号 )的精密执行元件，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置分别与脉冲输入电机绕组的脉冲频率和脉冲个数成比例。 步进电机广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域，如数控机床、绘图仪、自动记录仪表和数模转换等装置，在航空航天遥测等高端精密领域中应用也十分广泛。 图 31 步进电机实物图 工作原理 步进电机 更具通过每个绕组的电流反向 可分为单极性和双极性。 江西理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 13 单极性步进电机 单极性 步进电机之所以称为单极性是因为每个绕组中电流仅沿一个方向流动。 它也被称为两线步进电机，因为它只含有两个线圈。 两个线圈的极性相反，卷绕在同一铁芯上，具有同一个中间抽头。 单极性步进电机还被称为 4 相步进电机，因为它有 4 个激励绕组。 单极性步进电机的引线有 5 或 6 根。 如果步进电机的引线是 5 根，那么其中一根是公共线 (连接到 V+)，其他 4 根分别连到电机的 4相。 如果步进电机的引线是 6 根，那么它是多段式单极性步进电机有两个绕组，每个绕组分别有一个中间抽头引线。 图 32 单极性步进电机原理图 单极性步进电机的步进方式 单极性步进电机可以来用三种步进方式：单拍、双拍、半拍方式。 （以 5 线 4相为例） 1) 单拍： A – B – C – D 它指每次仅给一个绕组通电，使得转子旋转，并且运动到转子永磁体与具体相反记性的绕组对齐的位置。 2) 双拍： AB –BC – CD – DA 它同时给两个绕组通电，这样就使转子旋转，并且在永磁体到达两个通电绕组的中间位置点时平衡。 双拍方式的优点是比单拍方式多获得 %的输出力矩，不过代价是需要花费后者的双倍的能量，因为它有两相绕组同时通电。 3) 半拍： A – AB – B – BC – C – CD – D – DA 它工作时的则让两个绕组通电与单个绕组通电方式交替的进行。 半拍方式的输出力矩比双拍方式小，随设计不同，在 15% 30%之间变化，不过它可以获得双拍方式两倍的步进分辨率（每圈两倍的步数）。 江西理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 14 图 33 单极性 步进电机单拍通电方式 双极性步进电机 双极性步进电机之所以如此命名，是因为每个绕组都可以两个方向通电。 因此每个绕组都既可以是 N 极又可以是 S 极。 它又被称为单绕组步进电机，因为每极只有单一的绕组，它还被称为两相步进电机，因为具有两个分离的线圈。 双极性步进电机有四根引线，每个绕组两条。 与同样尺寸和重量的单极性步进电极相比，双极性步进电机具有更大的驱动能力，原因在于其磁极 (不是中间抽头的单一线圈 )中的场强是单极性步进电机的两倍。 双极性步进电机的每个绕组需要一个可逆电源，通常由 H 桥驱动电路提供。 由于双极性步进电机比单极性步进电机的输出力矩大，因此总是应用于空间有限的设计中。 这也是软盘驱动器的磁头步进机械系统的驱动之所以总是采用双极性步进电机的原因。 可以相当简单地使用数字万用表来查找两个绕组。 如果在某两根引线之间能够测量到阻值，那么这两 根引线之间就属于一个绕组，其他两根线之间是另外一个绕组。 双极性步进电机的步距通常是 176。 ，也就是每周 200 步。 图 34 双极性步进电机原理图 江西理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 15 双 极性步进电机的步进方式 双极性步进电机具有和单极性步进电机相同的步进方式，仅仅由于绕组配置的不同，在实现上存在一些差别。 （以 4 线 2 相为例） 1) 单拍： (A) – B – A – (B) 2) 双拍： (A B) – AB – (AB) – (AB) 3) 半拍： (A) – (A B) – B – AB – A– (AB) – (B – (AB) ULN2020 达林顿阵列驱动芯片 特性与应用 ULN2020 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅 NPN 复合晶体管组成。 灌电流可达 500mA，并且能够在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。 在自动化密集的的场合会有很多被控元件如继电器，微型电机，风机，电磁阀，空调，水处理等元件及设备，这些设备通常由 CPU 所集中控制，由于控制系统不能直接驱动被控元件，这需要由功率电路来扩展输出电流以满足被控元件的电流，电压。 ULN2020 高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件，由于这类器件功能强、应用范围语广。 因此，许多公司都生产高压大电流达林顿晶体管阵列产品，从而形成了各种系列产品。 ULN2020 达林顿阵列驱动芯片实物图如下 （ 型号： ULN2020APG） ： 图 35 ULN2020 实物图 工作原理 ULN2020 是高耐压、大电流达林顿陈列 ,由七个硅 NPN 达林顿管组成 芯片。 ULN2020 也是一个 7 路反向器电路，即当输入端为高电平时 ULN2020 输出端为江西理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 16 低电平，当输入端为低电平时 ULN2020 输出端为高电平，继电器得电吸合。 该电路的特点如下 ： ULN2020 的每一对达林顿都串联一个 的基极电阻 ,在 5V的工作电压下它能与 TTL 和 CMOS 电路 直接相连 ,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 功能 特点 ： 1) 高电压输出 50V 2) 输出钳位二极管 3) 输入兼容各种类型的逻辑电路 4) 应用继电器驱动器 图 36 ULN2020 原理图 按键 开关 按键 开关是一种电子开关，使用时轻轻点按开关按钮就可使开关接通，当松开手时开关即断开，其内部结构是靠金属弹片受力弹动来实现通断的。 按键 开关 由于接触电阻小、按动有清脆的手感手感明显、高度规格齐全等方面的原因，在家用电器方面得到广泛的应用如：影音产品、数码产品、遥控器、通讯产品、家用电器、安防产品、玩具、电脑产品、健身器材、医疗器材、验钞笔、雷射笔按键等等。 但轻触开关也有它不足的地方，频繁的按动会使金属弹片疲劳失去弹性而失效。 因此现在大部分电器的按钮都使用导电橡胶或锅仔开关五江西理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 17 金弹片直接来代替，比如电脑键盘，电视机遥控器等。 图 37 按键开关 实物图 发光二极管 发光二极管 是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能， 常简写为 LED。 发光二极管与普通二极管一样是由一个 PN 结组成，也具有单向导电性。 当给发光二极管加上正向电压后，从 P 区注入到 N 区的空穴和由 N 区注入到 P 区的电子，在 PN 结附近数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。 不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。 当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。 常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。 在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。 发光二极管 只能往一个方向导通（通电），叫作正向偏置（正向偏压）。 发光二极管 具有 的反向击穿电压约 5 伏。 它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。 图 38 LED 原理图 图 39 LED 实物 图 江西理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 18 第四章 系统硬件设计 硬件 系统 设计 概要 步进电机控制系统的设计分为两大部分：硬件 系统设计 部分和软件 系统设计部分。 硬件 系统设计 部分的设计包括脉冲发生模块、电流驱动模块、 LED 显示模块和键盘 选择 模块四个部分。 软件 系统设计 部分的设计包括键盘扫描模块、脉冲发出模块、 LED 显示模块、延时模块和速度调节模块等。 本章 主要介绍 硬件 系统设计 部分 ， 硬件 系统设计 是系统的重要组成部分，是系统运行实现的平台。 如下图 41 是 硬件系统设计框图 ， 其中包括了硬件系统设计的主要 设计 内容，在图中同时也简要说明了各个模块的 关联 关系。 这样设计可以使得 每个模块独立设计 ，使得设计过程简单 ， 又能表示出各个模块之间的直接作用关系，方便以后的管理。 图 41 硬件系统设计框图 本课题 采用 为 处理器 的是 意法半导体 (STMicroelectronics)公司 设计 并 生产的STM32F103C8 处理器 专门 为 要求高性能、低成本、低功耗 、基于控制类 的嵌入式应用 系统 而 设计。 本课题 充分应用了 STM32F103C8 处理器的时钟、 SYSTICK定时器 、中断口 等功能。 详细参考 第二章 微控制器。 脉冲发生模块 步进电机的 脉冲 序列 是由 微 处理器 通用输入输出 GPIO 端口 输出 产生的。 本微处理器模块 脉冲发生模块 电流驱动模块 LED 显示模块 步进电机 按键模块 江西理工大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 19 课题 将 采用 GPIOA 的 四个端口 GPIOA_Pin_0， GPIOA_Pin_1， GPIOA_Pin_2，GPIOA_Pin_3 分别对步进电机的 A， B， C， D 四个相序 输入脉冲 序列。 脉冲序列 和 脉冲的频率通过软件来设定。 图 42 脉冲发生模块接口图 电流驱动模块 步进电动机 虽然是一种数控元器件 ， 易于与数字处理器结合开发，但是由于低电压和较小的电流不能 驱动其正常工作，而且 步进电机也 不能直接 接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器。 所以 步进电动机 和步进电机 驱动器 之间是密不可分的。 本 课题 采用的驱动芯片是 ULN2020 达林顿芯片。 ULN2020 是 高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品 ,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点适应于各类要求高速大功率驱动的系统。 ULN2020 达林顿芯片详细参考 节 ULN2020 达林顿阵列驱动芯片。 ULN2020 是一个 7 路反向器电路，即当输入端为高电平时 ULN2020 输出端为低电平，当输入端为低电平时 ULN2020 输出端为高电平，继电器得电吸合。 本课题使用其中四个输入端口 ，用来驱动步进电机工作。 如下 图 43 电流驱动模块 电路连接图 所示： ULN2020 达林顿芯片 中 IN ININ IN6 作为 脉冲信号 输入端口 ， 信号来源于 脉冲发生模块 的脉冲输出，即 处理器 GPIOA 的四个端口 G。