两相步进电机控制系统设计.

1综合课程设计题目两相步进电机学院计信学院专业10自动化班级2班学生姓名指导教师文远熔2012年12月28日2两相步进电机课程设计报告步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。关键字:步进电机单片机31设计内容根据给定的任务要求选择合适的单片机和其他电子元件，进行系统硬件电路设计和软件编程，根据系统制作并调试电路板，使之实现任务要求。两相步进电机，步距角为3度，编程实现下列功能：（1）按键，步进电机按一定速度正转。（2）按键，步进电机按一定速度反转。（3）任何时候按一下“STOP”键，步进电机停止转动。（4）点动：按键，步进电机转过3度步距角；再按，再转过3度步距角……（5）用1602显示屏显示转过的角度。（6）用L298芯片驱动。2步进电机原理2.1步进电机原理及控制技术步进电机一般分为永磁式(PM)、反应式(VR)和混合式(HB)3种类型。目前，二相混合式步进电机的应用最为广泛。图5为二相六线式步进电机的工作原示意图。由图可知，它有2个绕组，且每个绕组都有一个中间抽头。因此，二相步进电机也就有了6根引线。当电机中的绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到相应的磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向使定子在顺时针方向轮流产生磁场，则电机可顺时针转动；通电方向使定子在逆时针方向轮流产生磁场，则电机可逆时针转动。控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，即一个步距角。脉冲频率越高，电机转动也就越快。本次课设所使用的二相步进电机需要采用双极性的接法。双极性则是指步进电机线圈中电流的流动方向不是单向的,即绕组线圈中的电流有时沿某一方向流动,有时按相反方向流动。步进电机的双极性驱动电路如图2-5所示它使用8个晶体管来驱动2组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式的二相步进电机。对于二相六线式步进电机而言,2个绕组的中间抽头Vdd1和Vdd2都悬空。根据步进电机的工作原理,当控制器给驱动器发出脉冲信号时,驱动器经过环形分配器和功率放大后,电机绕组通电的顺序为BBAABBAA,其4个状态按顺序周而复始进行变化,电机转动;若通电时序就变为AABBAABB时,电机就逆向转动。步进电机运转时,当达林顿管Q1和Q4导通时,线圈中电流方4向为A→A;当林顿管Q2和Q3导通时,线圈中电流方向为A→A。可见,步进电机线圈中的电流方向在运转过程中是不断改变的。(1)图4-21二相步进电机原理图（2）步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。（3）步进电机的起停控制步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。（4）步进电机的加减速控制在步进电机控制系统中，通过实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于leizi8882010惯性跟不上电信号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。所有步进电机在启动时，必须有加速过程，在停止时波形有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，有了这些数据，才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程有突然施加的脉冲启动频率f0。步进电机的最高启动频率（突跳频率）一般为0.1KHz到3~4KHz，而最高运行频率则可以达到N*102KHz，以超过最高启动频率的频率直接启动，会产生堵转和失步的现象。在一般的应用中，经过大量实践和反复验证，频率如按直线上升或下降，控制效果就可以满足常规的应用要求。用PLC实现步进电机的加P减速控制，实践上就是控制发脉冲的频率。加速时，使脉冲频率增高，减速则相反。如果使用定时器来控制电机的速度，加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。速度从v1~v2变化，如果是线性增加，则按给定的斜率加P减速；如果是突变，则按阶梯加速处理。在此过程中要处理好两个问题：5①速度转换时间应尽量短。为了缩短速度转换的时间，可以采用建立数据表的方法。结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率，就可以建立一个连续的数据表，并通过转换程序将其转换为定时初始表。通过在不同的阶段调用相应的定时的初值，就可控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的，并不占用中断时间，保证电机的高速运行。②保证控制速度的精确性。要从一个速度准确达到另一个速度，就要建立一个校验机制，以防超过或未达到所需速度。（5）步进电机的换向控制步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内在换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲，结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速→换向→加速3个过程。步进电机有如下特点：①步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。②由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，也非常可靠。同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。③步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。④速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。⑤步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电源。3硬件电路设计3.1系统总体设计框图3.2LCD1602显示器3.2.1液晶显示器各种图形的显示原理线段的显示点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，AT89C51单片机系统控制器按键输入电源电路驱动电路数码管显示预置数控制清零脉冲序列方向控制信号步进电机功率放大信号同步显示角度及转速6每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。字符的显示：用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显示：汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字3.2.2`引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极3.2.3其与单片机的连接如下图所示71602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表所示序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容3.380C51单片机振荡电路外部中断CPU中断控制4K字节ROM128字节RAM定时/计数器1定时/计数器0总线控制4个I/0口串行口计数器输入P0P2P1P3RXDTXDEARESETXTAL1XTAL2OSCC1C2PSENALE地址/数据总线83.4时钟信号控制电路如图3.3所示，89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。电容C1和C2可以稳定频率并对振荡频率有微调作用。振荡脉冲频率为0到24ＭＨｚ。振荡信号从XTAL2端输入到片内的时钟发生器上。图3.3时钟信号控制电路3.5驱动电路如图3.5所示，驱动电路用L298来驱动步进电机，L298所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此