基于单片机的步进电机驱动控制系统设计定稿

基于单片机的步进电机驱动控制系统设计定稿内容摘要：

52 硬件制作 .................................................................................................................... 52 硬件测试 .................................................................................................................... 54 第九章 总结 ................................................................................................55 主要工作回顾 ............................................................................................................ 55 本课题需要进一步研究的地方 ................................................................................ 55 致谢 ..............................................................................................................56 参考文献 ......................................................................................................57 附录一：仿真图 ...........................................................................................58 附录二：源代码 ...........................................................................................59 附录三：毕业设计开题报告 ........................................................................71 附录四：毕 业设计中期检查表 ....................................................................75 附录五：学生答辩记录表 ............................................................................76 1 摘 要 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，具有快速起动和停止的特点。 其驱动速度和指令脉冲能严格同步 ,具有较高的重复定位精度 , 并能实现正反转和平滑速度调节。 它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响 , 因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。 本文在分析了步进电机的驱动特性、斩波恒流细分驱动原理和混合式步进电机驱动芯片 ULN2020AN 的性能、结构的基础上，结合 AT89C52单片机，设计出了混合式步进电机驱动电路。 关键词 ： 步进电机； AT89C52 单片机； ULN2020AN 驱动 2 Abstract Stepping motors is a kind of will convert angular displacement or electrical impulses signal line displacement of precision actuator, have fast start and stop characteristics. The driving speed and instructions pulse can strictly synchronization, which has high repositioning precision, and can realize the positive amp。 negative and smooth adjustable speed. Its operation speed and step distance from supply voltage fluctuation and load effect, which have been widely applied in analogtodigital conversion, speed control and the position control system. Based on the analysis of the stepper motor driving characteristics, a chopper constantcurrent subdivided driving principle and hybrid stepping motor drive chip ULN2020AN the performance, structure in the foundation, the union AT89C52 single chip puter, designed a hybrid stepping motor driver circuit. Key words: Stepping motor。 AT89C52 single chip puter。 ULN2020AN driver. 3 第一章 绪论 前言 步进电机作为一种优秀的动力设备已经在当今社会的各领域无处不在了。 随着我国乃至全世界的工业水平不断的上升，以步进电机为动力核心的工业设备在各个工业领域中应用的十分广泛，可以说，在各个领域，步进电机可以说无处不在。 甚至网上流传玩Flappy bird 的机器人也是用的步进电机。 中国作为一个制造大国，以富士康工厂等为代表的生产车间的流水线是这些制造企业完成产品组装和产品加工的最重要的地方，而步进电机在流水线设备中起到的作用至今无任何设备可替代。 随着微电子技术和计算机在工业生产等领域中的应用，利用微电子技术和计算机来控制步进电动机使其满足工业设备要求也已逐渐成为一项全新的技术越来越成为各领域研究的重中之重。 同时，对步进电机的控制要求也越来越高。 不仅要求安全可靠，更是要求步进电机可连续调速。 然而，回顾历史，就可以发现，一个国家的制造业的水平 可以很大程度上体现一个国家的实力，德国就是一个很好的例子。 一个国家的发展也很大程度上取决于制造业的科技是否发达。 二战以后，各行业的科技都有了很大的发展，并且用于制造业的的技术越来越广泛。 时至今日，单本科学习的控制技术就有电力电子控制，单片机控制，计算机控制， PLC 变频器控制等控制方式。 当然，在本科领域外还会有更多比如柔性制造单元等技术。 在这些技术中，步进电机都充当一个非常重要的角色不可或缺。 推动着制造业进入了一个全新的阶段。 在功能上，步进电机不仅可以叫做脉冲电机，从特性上来看，还可以叫做阶跃电机。 在外文文 献中一般叫做 Steppingmotor，从开始应用到至今的 80 年间，可以说步进电机是为离散运动装置而生，是天生的数字控制电机。 通过外加脉冲，控制电机的各相绕组的截至或导通，使得电动机产生步进，也就是给一个脉冲信号，步进电机相应的给出一个动作，而脉冲指令中期转速，输出脉冲个数，输出转角，频率等都有这一定的比例关系。 这些特定关系，在负载限度的范围中，负载大小，电源电压，环境条件等因素都不会对其造成影响。 也正是因为次特性，步进电机可以在更加宽阔的频率范围内来实现快速起停，正反转等控制的最为突出的优点。 国 内外研究概况 国内外常见的步进电机控制系统 4 时至今日，市场上有许多种多样的步进电机，但是只看其控制手段的话，则可以分为以下三种 基本电子电路控制：在一些控制频率不高的地方，通常采用简单数字定时集成芯片来为步进电机提供脉冲信号，通过高低电平变化数字芯片对脉冲信号实现分相变化，之后通过功率放大电路来进行对步进电机的控制。 该方案的好处是成本低、价格便宜；然而其最大的不足之处是外围控制电路过于复杂，控制的环节多，电路体积大，并且该控制方式相当复杂。 变频器或 PLC 控制：在一些要求精确控制的场合，来使用变 频器或 PLC 来控制步进电机无疑是一个很好的选择。 但是由于变频器和 PLC 的硬件成本要高出传统控制许多，并且操作非常负责，对其操作人员有很高的要求等特点，无疑增加了企业的许多预算，从而企业在巨大的经济压力下，无法将这种方法大面积是应用起来。 单片机控制：单片机以自身的高速，准确，成本低的特性在工业控制方面赢得了自己的一席之地，近年来，单片机不断的成为工业控制系统中的控制核心，从而也使得单片机成为了时下非常热门的研究方向。 本方案由以下优点（ 1）利用软件编程可以对步进电机实现精确控制，避免震荡，失步等对控制精度造 成影响；（ 2）利用软件替代环形分配器，来设定单片机，可实现同一电路来控制与驱动多相步进电机，对接口电路的灵活性和通用性都有很大程度的提升；（ 3）单片机的接口众多，使得单片机可以接通各种外围电路，比如键盘电路，显示电路，复位电路等外围电路，可将外围电路有机结合，提升与系统的交互性。 步进电机驱动技术的基本类型 步进电机出现在上个世纪。 它的组成，工作原理和今天步进电机之间没有本质的区别，而且还依赖于电磁转矩。 20 世纪 80 年代后，由于廉价的微型计算机的出现，步进电机控制变得更加灵活。 步进电机驱 动技术是指采用步进电机驱动器驱动来实现各相步进电机的绕组，而且为绕组承受的电压和电流的控制技术。 单电压驱动方式一般是改变点击的时间常数，来提高高频特性的驱动电路。 在六十年代初期该技术在世界范围内广泛被应用，它有结构简单，成本低廉等有点；缺点是串联电阻的方法会产生大量的能量损失，尤其是在高频率，则更加的严重。 因此只适合于小功率或步进电机驱动器的性能要求不高的场合。 单个电阻串的电压驱动器上建立一个确定的电压驱动技术的电枢绕组电路中的串联电阻，提高了电路的时间常数，以改善电动机的高频率特性。 它提高了步进 电机的频率响应，降低了电机的共振。 然而它也带来了损耗，其效率很低。 该驱动模式主要用于低功率或起动，操作频率不是关键的地方。 高低压电机驱动器不论电机的工作频率是多少，以增加电流上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，它采用增加绕组的电流的注入量增加出力，而不是通过改进，使该电路的时间常数扭矩性能可以得到改善。 尽管如此，使用这样的电动机 5 驱动模式，电流波形在凹工作的开始卷绕工作在高压低端和收敛性，从而导致在该电动机的输出转矩的下降。 这种驱动方式目前在日常使用中是比较常见的。 由于高低压电路的波形需要补偿，得到输出转矩增加，在七十年代发明了斩波电路，该设计则用了斩波电路技术。 由于斩波，通过线圈的有效电流增加绕组电流的波动的评估锯齿状垂直流时，电动机的输出转矩增大，并且无需外部电阻，整个系统小号下降，效率提高，因而恒定电流斩波器电路已经被广泛使用。 为了改善恒定电流驱动方式的频率特性，出现了一个低电压驱动低速，高速，高电压驱动电路的设计，让其成为一个有脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。 在低速时，电子控制器开关电源对导通角进行调节，线路输出的平均电压将会更 低，如此电机就不会像在低速恒流斩波驱动器发生过冲或下共振现象，从而就不会产生明显的震荡。 当运行速度逐渐变快时，可以且慢慢的增加平均电压，来为绕组提供足够的电流。 调频性能比恒定电压调节器电路和恒定电流电路更好，但是电机的不同参数需要实际操作中来进行调试，调整其输出电压和输入频率特性。 细分驱动就是在每次脉冲切换的时候，不将绕组的全部电流导通或断开。 细分驱动时，绕组电流不是方波，而是一个阶梯波，额定电流为阶梯形投入或切除。 例如：当前分成 n 个步骤，转子 n 次之前，你需要把一个步距角，即 n 细分。 细分驱动器的主要优点是更小的步距角，提高了分辨率，提高了电机的定位精度，启动性能和高输出扭矩；其次减弱或消除步进电机的低频振动，步进电机降低了谐振区的概率。 细分驱动步进电机的驱动和控制技术对步进电机控制开说，可以说是该类型技术的一个质的飞跃 本课题研究目的与内容。