基于单片机_的步进电机调速电路设计

基于单片机_的步进电机调速电路设计内容摘要：

法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器，电子阻尼法则有多种。 (1)多相励磁法：采用多相励磁会产生电磁阻尼， 会削弱或消除振荡现象。 (2)变频变压法：步进电机在高频和在低频时转子所获得的能量不一样，在低频时绕组中的电流上升时间长，转子获得的能量大，因此容易产生振荡，在高频时则相反。 所以，可以设计一种电路，使电压随频率的降低而减少，这样使绕组在低频时的电流减少，可以有效地消除振荡 [9]。 (3)细分步法：细分步法是将步进电机绕组中的稳定电流分成若干阶段，每进一步时，电流升一级。 同时，也相对地提高步进频率，使步进过程平稳进行。 基于单片机的步进电机调速电路设计 10 (4)反相阻尼法：这种方法用于步进电机制动，在步进电机转子要过平衡点之前，加一个反向作用力 去平衡惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实现准确制动。 基于单片机的步进电机调速电路设计 11 3 总体硬件设计 控制系统框图 用单片机控制步进电机与传统步进控制器相比较有以下优点： (1)用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。 (2)只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。 (3)根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。 脉 脉 脉 脉A T 8 9 S 5 2脉 脉 脉 脉 脉 脉U L N 2 0 0 3 脉 脉 脉 脉脉 脉脉 脉 脉 脉脉 脉 脉 脉图 总体设计方框图 单片 机最小系统 AT89S52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8K bytes 的可反复擦鞋的只读程序存储器 (PEROM)和 256 bytes 的随机存取数据存储器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS51 指令系统及 8052 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大 AT89S52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。 应用 AT89S52 单片机设计并制作一个单片机最小系统，达到如下基本要求： 具有上电复位和手动 复位功能。 基于单片机的步进电机调速电路设计 12 使用单片机片内程序存储器。 具有基本的人机交互接口。 按键输入、 LED 显示功能。 具有一定的可扩展性，单片机 I/O 口可方便地与其他电路板连接。 以工作的系统，对 AT89S52 系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(T2)1(T2EX)2345(MOSI)6(MISO)7(SCK)8(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40U1AT89S521K10K10nFVCCS130pF1210KP34P35P32P33P10P11P12P13 时钟电路 晶体振荡器，简称晶振。 在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振 [10]。 由于晶体自身的特性致使这两 个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。 这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。 图 单片机主机系统图 基于单片机的步进电机调速电路设计 13 本设计的 晶振电路用 30PF 的电容和一个 晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。 如图 示。 30pF12XTAL1XTAL2 图 晶振电路 复位电路 为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式， 复位后可使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。 单片机在可靠的复位之后，才会从 0000H 地址开始有序的执行应用程序。 同时，复位电路也是容易受到外部噪 声干扰的敏感部分之一。 因此，复位电路应该具有两个主要的功能： 1 必须保证系统可靠的进行复位； 2 必须具有一定的抗干扰的能力； 本设计的复位电路使用独立式键盘。 复位电路采用自动复位与手动复位结合的方式。 所谓自动复位，即整个系统上电瞬间单片机复位；所谓手动复位，是指通过接通按钮开关，使单片机进入复位状态。 如图 示。 1K10K10nFVCCS1RST 图 复位电路 单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要 RST 引脚上出现基于单片机的步进电机调速电路设计 14 两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果 RST 引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。 复位后系统将输入 /输出 (1/0)端口寄存器置为FFH，堆栈指针 SP 置为 07H, SBUF 内置为不定值，其余的寄存器全部清 0，内部 RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时 RAM 的内容是不定的。 显示电路 由于系统显示的内容比较简单，显示量不多，所以显示选用数码管既方便又经济。 LED 有共阴极和共阳极两种 [11]。 如图 24 所示。 符号和引脚 共阴极 共阳极 图 24 LED 数码管结构原理图 二极管的阴极连接在一起，通常此共阴极接地，而共阳极则将二极管的阳极连接在一起，接入 +5V 的电压。 一位显示器由 8 个发光二极管组成，其中 7 个发光二极管 组成数字。 当 在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔画即亮；不加电压即暗。 为了保护各段 LED 不被损坏，需外加限流电阻。 数码管显示器有两种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。 为节省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方式。 本电路的 “段控 ”和 “位控 ”分别由 P0口和 P2 口控制， P2 选中哪个数码管，哪个数码管就亮， P0 口控制显示数字。 在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。 电 路如 图所示。 基于单片机的步进电机调速电路设计 15 在显示电路中，主要是利用了单片机的 P0 口和 P2 口。 采用两个共阳 极 数码管作动态显示。 两个数码管的 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dp 接 P0 口，用于显示电机正反转状态，正转时不显示，反转时显示 “”。 由于正转时第一个数码管没有显示任务，故在正转时第二个数码管采用静态显示。 第二个数码管用于显示电机的转速级别，共七级，即从 1~7 转速依次递增， “0”表示转速为零 [12]。 显示时，数码管的位选信号采用 P2 口输出，第一个数码管的位选信号连接 ，第二个数码管的位选信号连接。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(T2)1(T2EX)2345(MOSI)6(MISO)7(SCK)8(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10U1AT89S52A1f2g3e4d5c8DP7b9a10DS1A1f2g3e4d5c8DP7b9a10DS21234567816151413121110910KVCCP34P35P32P33P10P11P12P13NPN NPNVCC 图 显示电路 按键控制电路 根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制，加速控制和减速控制按钮，分别是 K K S S3，控制电路如图 所示。 通过 K K2 状态变化来实现电机的启动和换向功能。 当 K K2 的状态变化时，内部程序检测 和 的状态来调用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。 基于单片机的步进电机调速电路设计 16 根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。 对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断在此电路中电 机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过 S S3的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据，这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。 EA/VPP31(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20U1AT89S52S2S310K231K1231K210K 10KVCC1K1KVCC 图 按键控制电路 步进电机驱动电路 步进电动机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，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。 驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口。 目前，驱动电路集成化成为一种趋势 ，已有多种步进电机驱动集成电路芯片，它们大多集驱动和保护于一体，作为小功率步进电机的专用驱动芯片，广泛用于小型仪表、计算机外设等领域，使用起来非常方便。 本设计采用 ULN2020 芯片。 ULN2020芯片适用于四相步进电机的单极性驱动。 它最大能输出 电流、 电压。 内部集成有驱动电路，上电自行复位，可以控制转向和输出使能 [20]。 基于单片机的步进电机调速电路设计 17 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(T2)1(T2EX)2345(MOSI)6(MISO)7(SCK)8(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40U1AT89S52P34P35P32P33IN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77OUT116OUT314OUT413OUT512OUT611OUT710OUT215COM9GND8U4ULN2020A。