基于单片机的步进电机控制及驱动系统设计-毕业论文

基于单片机的步进电机控制及驱动系统设计-毕业论文内容摘要：

的程序，该程序的基本思想是，在启动时，以低于响应频率 fs 的速度运行；然后开始慢慢加速，加速到一定频率 fe 后就以此速率恒速运行。 当快要到达终点时，又使其慢慢减速，在低于响应频率 fs 的速率下运行， 直到走完所规定的步数后就停止运行。 这样步进电机便可以以最快的速度走完所规定的步数，而又不发生失步的现象。 因此在点位控制过程中，运行速度需要有一个加速 — 恒速 — 减速 — 低恒速 — 停止的过程，上述的变速控制过程如图 所示。 图 点 — 位控制的加减速过程 对于一个非常短的距离，如在数步范围内，电动机的加减速过程没有实际意义，只需要按起动频率运行即可。 对于中等或比较长的运行距离，步进电机加速后应该有一个恒速的过程。 系统在工作过程中，都要求加减速的时间尽量短，而恒速时间尽量长。 特别是在要求快速响应的工作中，从起点 到终点的时间要求最短，这就必须要求加减速的过程最短而恒速时速度最高。 加速时的起始速度应该等于或略小于系统的极限起动频率，而不是从零开始。 减速过程结束时的速度一般等于或略低于起动速度，再经数步低速运行后停止。 升速的规律一般有两种，一是按直线规律升速，二是按指数规律升速。 按直线xx 石油大学毕业论文 6 规律升速时加速度为恒定，因此要求步进电机产生的转矩为恒值。 但实际上步进电机升速时由于反电动势和绕组电感的作用，绕组电流将逐渐减小，因此输出的转矩会有所下降，按指数规律升速时，加速度是逐渐下降的，接近步进电机输出转矩随转速变化的规律。 由于步进电机的速度正比于脉冲频率，控制步进电机的速度实际上就是控制脉冲频率。 用单片机对步进电机进行加减速控制，即控制 CP 脉冲的时间间隔。 升速时使脉冲逐渐加密，减速时使脉冲逐渐变疏。 本系统采用定时器中断来控制步进电机的加减速，实际上是不断改变定时器的定时初值的大小。 在运行的过程中用查表的方式查出所需的定时初值，从而减小占用 CPU 的时间，提高系统的响应速度。 步进电机的加减速控制技术是步进电机控制中的一项关键技术，它直接影响步进电机运行的平稳性、升降速的快慢、定位精度等性能，从而决定了步进电机控制系统的综合性能。 采用步进电机的加减速控制可以有效地克服步进电机启动过程中出现失步的问题，提高系统的响应速度和精度。 改变控制方式的变速控制 最简单的变速控制可以利用改变步进电机的控制方式实现。 例如，在三相步进电机中，启动或停止时，用三相六拍，大约在 秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到达终点时，再次采用三相六拍的控制方式，以达到减速的目的。 均匀地改变脉 冲时间间隔的变速控制 步进电机的加减速控制，可以均匀地改变脉冲时间间隔来实现。 例如在加速控制中，可以均匀地减少延时时间间隔；在减速时，可以均匀地增加延时时间间隔。 具体地说，就是均匀地增加或减少延时程序中延时时间常数。 这种控制方法的优点是，由于延时的长短不受限制，使步进电机的频率变化范围比较宽，但它降低了单片机的实时处理能力。 采用定时器的变速控制 在单片机控制系统中，可以采用单片机内部的定时器来提供 CP 脉冲。 其方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间向 CPU 申请一次中断， CPU 响应中断后便发出一个脉冲。 此时只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加减速的目的【 9】。 这种方法的优点是减少占用 CPU 的时间，提高控制系统的效率和实时处理能力。 为了提高单片机的实时处理能力，系统采用中断的方法进行调速。 基于单片机的步进电机的控制及系统设计 7 3 控制系统硬件设计 硬件结构图 该系统的设计以 89C52 单片机为核心，以键盘输入为为人机交换接口，以实现系统不同功能的选择输入，由于单片机输出信号无法驱动步进电机，通过设计步进电机驱动电路以实现对步进电机的间接控制。 与此同时， 单片机还需一定的外围辅助电路如复位、时钟电路等，整个系统的结构图如下 : 8 9 C 5 2单 片 机复 位 电 路键 盘 控 制电 路步 进 电 机驱 动 电 路步 进 电 机电 源 及 时钟 电 路 图 硬件结构图 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。 同时单片机系统还负责处理来自电机驱动电流检测模块检测到的电流值。 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。 独立按键作为一个外 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，步数控制等功能。 各个模块分析 本次电源电路使用的是三相集成稳压器，主要由集成电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路、和保护电路等部分组成。 xx 石油大学毕业论文 8 7805 电路图如 下图所 示，这是一个输出正 5V 直流电压的稳压电源电路。 IC 采用集成稳压器 7805， C C2 分别为输入端和输出端滤波电容。 当输出电流较大时， 7805应配上散热板。 虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。 图 7805 电源电路 AT89C52 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，其中引脚XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。 这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成振荡器。 如下图所示： 外接石英晶体（或陶瓷谐振器） 及电容 C C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外接电容 C C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及湿度稳定性 ,使用石英晶体和陶瓷谐振器要注意选择的大小。 振荡器特性 : XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低 电平 图 晶振电路 基于单片机的步进电机的控制及系统设计 9 复位电路 单片机在启动时都需要复位，以使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。 89 系列单片机的复位信号是从 RST 引脚端输入到芯片内的施密特触发器中。 当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果 RST 引脚上有一个高电平并维持 2 个机器周期以上，则 CPU 就可以响应并将系统复位。 如果 RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。 根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。 上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。 图 复位电路 独立方式是指将每个按键按一对一的方式直接接到 I/O 输入线上，读键值时直接按 I/O 的状态来反映，这种方式查键实现简单，但占用 I/O 资源较多，一般在按键量较少的情况下采用。 矩阵方式是用 n 条 I/O 线组成行输入口， m 条 I/O 线组成列输入口，在行列线的每一个交点上设置一个按键，读键值方法一般采用扫描方式，即输出口按位轮换输出低电平，再从输入口读入键信息，最后获得键码。 最后由于本次设计在按键上只用到 6 个，所以就用独立方式就足以满足设计需求。 xx 石油大学毕业论文 10 图 键盘控制电路 AT89C52 单片机 随着大规模集成电路技术的飞速发展，近十年来单片微型计算机有了飞速的发展。 在 MCS51 系列单片机系列内核 8051/80C51 的基础上， Intel 公司、 Philips 公司、 Siemens 公司等很多大公司纷纷推出了名目繁多的派生芯片。 而 ATMEL 公司的 AT89C52 系列单片机是当今具有较高性能的单片微型 计算机系列产品之一，特别适用于要求实时处理、实时控制的各类自动控制系统，如工业过程控制系统、伺服系统、分布式控制系统、变频调速电机控制系统等。 其主要特点有： （ 1） CPU 内核完全和 MCS51 系列兼容，具有 MCS51 系列单片机的一切功能。 （ 2） 内部集成了 4K 字节的在线可编程 FlashROM，可满足大部分系统扩展的需求，编程方更快捷。 （ 4） 可在 0～ 24MHz的晶振频率范围内可靠工作，加快了系统的工作速度，可用在某些高速实时处理控制系统中。 （ 5） 内部具有 256 个字节的 RAM 和 3 个 16 位定时器， 可以存放系统运行中基于单片机的步进电机的控制及系统设计 11 的数据和满足定时或计数功能扩展的需要。 （ 6） 具有 6 个中断源，完全可以满足一般设计的中断系统扩展需要。 因此， AT89C52 系列单片机以其优越的性能在控制系统设计中得到了广泛的应用，由于其内部功能完善，可以大大减少扩展系统外围电路，而且性能稳定，因此在本控制系统的设计中，选用了 AT89C52 单片机作为中央控制单元。 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含4kbytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器 ,器件采 用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。 它集 Flash 程序存储器既可在线编程（ ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8位微处理器于单片芯片中，功能强大。 其中 引脚功能说明 如下： 图 AT89C52 管脚图 其中单片机控制步进电机原理如下： AT89C52 单片机 I/O 借口发送的脉冲信号，经过 ULN2020 芯片放大后，驱动步进电机 本次毕业设计选用的步进电机是四相步进电机，通过软件和硬件的结合实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速功能，主要通过三大块来 设计，包括驱动电路的设计、状态显示部分和按键部分的设计。 可以通过控制脉冲频率来控制电机xx 石油大学毕业论文 12 转动的速度，从而达到调速的目的。 单片机控制步进电机原理图如图 所示： 单片机步 进 电机信 号 放 大发 送 脉 冲U L N 2 0 0 3 驱 动 器 图 单片机控制步进电机原理图 AT89C52 单片机通过 、 、 、 控制步进电机通电相序，通电必须按顺序进行通电，通过改变通电相序就可以控制步进电机的正反转。 其中电机正反转和加减速的 通电相序如表 所示： 表 步进电机四相四拍相序表。