单片机的步进电机驱动器毕业设计

单片机的步进电机驱动器毕业设计内容摘要：

由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。 比如，当人们说 的步进电机 ,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 的步进电机。 步进电机的一些特点 3%5%，且不累积。 温度。 ，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点； 一般来讲，磁性材料的退磁点都在 130℃以上，有的甚至高达 200℃以上，所以步进电机外表温度在 80℃ 90℃完全正常。 ，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。 在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 ，但若高于一定 速度就无法启动，并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值 ， 电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。 在有负载的情况下，启动频率应更低。 如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。 伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 本课题选择 23HS2020 两相步进电机 ，其 性能指标如表 1 所示： 表 1 23HS2020 性能指标 型号 相数 步距角 相电流 驱动电压 最大静转矩 相电阻 相电感 重量 空载启动转速 配套驱动器 23HS2020 2 ． 3 DC（ 24V40V） 450 转 /分 SH2H057M 3 驱动原理与驱动方案的选择 常用的步进电机驱动控制方法 直线步进电机是典型的机电一体化元件。 直线步进电机本体、直线步进电机驱动器和控制器是构成直线步进电机系统不可 分割的三大部分。 当直线步进电机本体确定后，系统的性能主要取决于驱动控制器的优劣。 驱动控制原理：直线步进电机受脉冲信号控制，接收到一个脉冲控制信号，就改变一次励磁状态，驱动器按设定方向驱动电机走一个固定步距。 脉冲输入越多，走过的步距越多，即走的距离越长；输入脉冲频率越高，速度越快；励磁状态改变的顺序不同，电机运行的方向就不同。 因此通过控制脉冲有无，可控制电机的启动、停止；通过控制脉冲个数可控制电机位移量，达到准确定位的目的；通过控制脉冲频率可控制直线步进电机的速度，达到调速的目的；通过控制励磁状态改变的顺序 ，可控制电机的运行方向。 常用的驱动控制技术主要有以下四种： (1)常规驱动 主要指单电压串电阻驱动、双电压驱动和高低压驱动。 主要通过串电阻和提高启动电压等简单方法使绕组导通电流上升的前端变陡，改善电机高频特性，提高电机的高频响应。 主要优点是：电路简单、成本低。 缺点是：能量消耗大，电机低频运行不平稳，噪声较大，控制精度不够高。 (2)恒流斩波驱动技术 恒流斩波驱动控制技术采用脉冲调制 (PWM)等方式，使相绕组电流基本保持恒定。 优点是：能够保证电机牵出转矩的平均值基本恒定。 同时，电机的高频响应得以提高，共振现 象减弱。 不足是：不能解决步进电机本身所固有的低频振动问题。 (3)细分驱动控制技术 细分驱动也称微步驱动。 其基本思想是：在每次输入脉冲切换时，不将相绕组电流全部通入或切除，而只改变相应绕组中额定电流的一部分，这样电机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行角度也只有步距角的一部分。 利用电流控制技术可以实现步进电动机的微步驱动，提高步进电动机系统分辨率和运行平稳性，解决低频振动问题，进一步改善系统的牵出特性。 (4)加减速升降频控制技术 加减速升降频控制是指步进电机以较低的速度启动，通过逐渐加速达到较 高工作速度，然后稳定运行，停止时逐渐减速到较低速度，然后以低速停止。 目的是：避免因失步无法启动或启动时失步，停止时过冲。 此外，对于要求高的场合需采用有位置、速度反馈的闭环控制，但成本较高。 驱动方案的选择 综合考虑步进电机各种驱动控制技术的利弊，结合步进电机的工作特点， 功率放大是步进电机驱动系统最为重要的部分。 步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电 流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。 平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。 因而不同的场合采取不 同的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 独立自行开发步进电机的驱动器即功率放大单元很难达到比较理想的要求，我们选用了合适的步进电机和配套的步进电机驱动器模块。 这样一来，对步进电机的控制就变得非常简单了。 4 控制系统硬件 系统总体结构 本系统总体结构如图 1 所示，其中键盘用于 步进电机运行方式和参数的设定，显示器配合键盘显示设定内容 或当前的工作状态、转速等内容 ，电源给各部分电路提供所需电 压，保护电路实现对步进电机和驱动器的保护，控制单元通过执行程序控制各部分完成相应功能。 光电脉冲发生器 键 盘 显 示 电 源 MCS51 保护电路 驱动电路 M 速度设定 方向设定 PG 图 1 硬件组成图 单片机的选择 单片机以其体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等优点，在各个领域都获得了广泛的应用，在我国，近几年单片机也得到了广泛的应用特别是在工业控制、智能仪表等方面。 而其中 MCS51 系列单片机更是以抗干扰能力强、对环境要求不高、灵活性强以及即使非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统等这些别的系统所不具备的优点获得了更好的应用。 故在本次设计中采用了 80C51 单片机。 其 主要包括： 中央处理器（ CPU） 内部数据存储器（内部 RAM） 外时钟源 外部事件计数 控制 并行口 串行通信 图 2 单片机系统图 内部程序存储器（内部 ROM） 定时器 /计数 器 并行 I/O 口 串行口 时钟电路 中断系统 振荡器和时序 TMP87P809N 程序存储器 8KB ROM 数据存储器 256B RAM/SFR 2 16位定时器 /计数器 64KB总线 扩展控制线 可编程 I/O 可编程全 双工串行口 外中断 外接晶体引脚 复位 RST9 图 3 80C51 引脚图 步进电机驱动器的 选择 步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上 工作，而必须使用专用设备一步进电机控制驱动系统。 典型步进电机控制驱动系统如图 4 所示。 图 4 典型步进电机控制驱动系统框图 对于驱动器，根据其所驱动的电机确定输入电源电压、输出电流模式、励磁方式及调整输出电流的大小。 在步进电机的控制中，大部分的驱动器都采用单脉冲控制模式，即方向模式，所以所有的驱动器需要输入脉冲信号和方向信号。 在脉冲加方向信号的控制下输出步进电机正常运转所需的脉冲。 步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 1 2 3 4 5 6 7 8 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 RD 17 WR 16 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 10 变频信号源 环形分配器 功率放大器 步进电机 负载 CP=0V 方向控制 固定的角度（称为“步进角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差 (精度 为 100%)，所以广泛用于各种开环控制。 步进电机接受脉冲信号，每来一个脉冲，步进电机就走一步，它的运行要有步进电机驱动器来进行驱动，驱动器把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，也就是说，控制系统每发出一个脉冲信号，通过驱动器就是步进电机旋转一个步距角，因此步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。 步进电机的工作是通过对驱动器的控制来实现的。 驱动器是把计算机系统提供的弱电信号放大为步进电机能够接受的强电信号。 控制系统提供给驱动器的信号主要有以下两路： 1)步进脉冲信号 CP：这是最重要的一路信号，因为步进 电机驱动器的原理就是要把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说驱动器每接受一个脉冲信号 CP，就是驱动步进电机旋转一个步距角， CP 的频率和步进电机的旋转速度成正比， CP 的脉冲个数决定了步进电机旋转的角度。 这样，控制系统通过脉冲信号 CP 就可以达到电机调速和定位的目的。 2)方向电平信号 DIR：此信号决定电机的旋转方向。 比如说，此信号为高电平时电机为顺时针旋转，此信号为低电平时电机则为反方向逆时针旋转。 此种换向方式叫做单脉冲方式。 另外还有一种双脉冲换向方式；驱动器接受两路脉冲信号 (一般标注为 CW 和 CCW )，当其中一路 (如 CW)有脉冲信号时，电机正向运行，当另一路 (如 CCW)有脉冲信号时，电机反向运行。 本文选择与 23HS2020。