单片机控制步进电动机设计
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任务书 填表时间: (指导教师填表)学生姓名 专业班级 指导教师 课题 类型工程设计题目单片机控制步进电动机主要研究目标(或研究内容)单片机控制步进电动机的设计及其应用。课题要求、主要任务及数量(指图纸规格、张数,说明书页数、论文字数等)1要求在老师的指导下,独立完成设计单片机控制步进电动机控制装置。2要求独立完成程序控制的工作量,画出相应的接线图,设计符合控制要求的梯形图,毕业设计论文字数为50008000字左右。3. 翻译一篇本专业外文文献(500010000个以上印刷符号),并附译文。4. 查阅15篇以上与题目相关的文献。5其余要求按洛阳理工学院毕业设计(论文)工作管理规定中的有关规定。进度计划57周: 查阅资料,熟悉设计内容,拟订设计方案。814周: 进行总体、部件等设计,并完成设计图纸的绘制。1516周:修改完善设计,翻译资料,写说明书,准备答辩。主要参考文献单片机控制工程实践技术可编程控制器原理及应用电子技术等指导教师签字: 教研室主任签字: 年 月 日 单片机控制步进电动机摘 要 步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件,与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点,在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果,出现了很多步进电机控制系统,其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好,比如细分驱动技术,但是有的系统比较复杂,和一些相对比较简单的控制过程不相吻合,投入上也不经济;有的系统在操作上不是很方便,交互性不强。而且,有感于目前的职业教育的专业教材各种技术太过经渭分明,由此带来的实习也是比较零散,没有把一些在工程实践中应该结合在一起的技术有机结合起来,因此本文的研究内容就是设计一套硬件系统较简单、经济,但功能较为齐全,适应性强,操作方便,可靠性高的,能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来步进电机控制系统。本文首先简要描述了步进电机的发展、应用情况、以及常见的控制系统采用的方案,常见的驱动技术,而且还分析了步进电机的工作原理,然后以单片机为主控制器提出了整个系统的硬件设计方案,在此基础上对各个模块的电路进行详细的设计,接着阐述了步进电机软件控制开发的流程和程序设计。关键词:步进电机,AT89C2051,单片机MICROPROCESSOR CONTROLLED STEPPER MOTORABSTRACTStepping motor is an electrical signal control winding through the rotation Angle of current realization for mechanical and electrical components, and other types of motor compared with easy open-loop precise control and advantages in many fields, wide application. In order to obtain the good performance of the control results, there are many stepper motor control system, which adopts single chip as control core control systems have been widely applied. Many this kind of control system in the stepping motor driver has done very well, for example, micro-stepping driver technology, but some system is more complex, and some relatively simple control process does not coincide, nor economy. Some systems is very convenient in operation and interactivity is not strong. But now, the vocational education realizing the teaching material of the various technical too clear, the practice is scattered, no put some in engineering practice should be combined together organically technology, therefore, this research is to design a set of hardware system is simple, economic, but relatively complete functions, adaptable, convenient operation, high reliability, the electronic technology to organically, microcontroller technology, motor control technology combine stepper motor control system. This paper briefly describes the stepping motor development, application, and the common control system, the scheme of common drive technology, and also analyses the working principle of stepping motor, and then put forward by microcontroller as the whole system controller hardware design, on the basis of each module circuit design, then detailed expounded stepper motor control software development processes and process design.KEY WORDS: Stepping motor,AT89C2051 ,SCM目录前言1第1章 概述21.1单片机及其发展概述21.2单片机技术的发展方向21.3单片机的特点及应用6第2章 几种常用系列芯片72.1 MCS 51系列单片机72.1.1 ATMEL公司的AT89C51单片机72.1.2 ATMEL公司的AT89C2051单片机12第3章 步进电机的简介163.1步进电机的基本原理163.2步进电机的工作原理183.2.1反应式步进电机原理18第4章 单片机控制步进电机214.1步进电机的工作原理214.2硬件设计224.3软件设计24 结 论 .29 谢 辞30 参考文献31 外文资料翻译3236前言单片机控制步进电机能实现现实生产设备中的准确定位和运行,为自动化设备提供服务,利用可编程控制器可方便地实现对电机的速度和位置进行控制,可靠地实现各种步进电机的操作,完成各种复杂的工作。它是一种先进的工业自动化设备,可广泛地在造纸、食品、包装以及其他轻工机械中得到应用。用单片机控制步进电机实现点位控制在数控机床改造中也是一种经济、有效的方法。正是由于步进电机具有突出的优点,所以成了机电一体化的关键产品之一,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,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术,我国的数控系统也取得了很大的发展,我国己经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。其中华中数控系统解决了“五轴联动”,为“神州”系列飞船顺列升空立下了汗马功劳。虽然与发达国家相比,我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低,但已经在我国占有非常重要的地位,并起了很大的作用。步进电机几乎在各种自动化生产线得到应用,且在国内外的应用非常广泛。整个系统通过单片机控制驱动器,再由驱动器驱动步进电机的运行,其结构简单易于理解和掌握;该系统用软件代替了部分硬件,运行可靠。第一章 概述1.1 单片机及其发展概况随着电子技术的迅速发展,特别是随着大规模集成电路产生而出现的微型计算机,给人类生活带来了根本性的改变。单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件:中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中,构成一个完整的微型计算机。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又叫单片微控制器(Single Chip Microcontroller)。目前国外已开始把它称作单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)。如果说微型计算机的出现使现代科学技术研究得到了质的飞跃,那么可以毫不夸张地说,单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。目前,单片机以其高可靠性、高性能价格比,在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用,并已走入家庭,从洗衣机、微波炉到音响、汽车,到处都可见到单片机的踪影。因此,单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用,世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机。如单片机家族中的主流产品MCS51系列,还有最近推出的PIC和凌阳系列都是比较优秀的单片机芯片,是构建我们不同的设计系统的最佳选择。本章我们将对其简要介绍一下。1.2 单片机技术的发展方向从半导体集成技术及微电子设计技术的发展,也可以预见到未来单片机技术的发展趋势。1.主流机型发展趋势在未来较长一段时期内,8位单片机仍是主流机型,许多厂家还会不断改进与完善8位机,使8位机不断保持其活力;在满足高速数字处理方面,32位机会发挥重要作用;16位机空间有可能被8位机、32位机挤占。2.全盘CMOS化趋势CMOS工艺很早就已出现,它具有十分优异的性能,只是运行速度慢,长期被冷落。HCMOS工艺出现后,HCMOS器件得到了飞速的发展。从第三代单片机起开始淘汰非CMOS工艺。全盘CMOS化是指在HCMOS基础上的CMOS化。如今,数字逻辑电路、外围器件都已普遍CMOS化。单片机CMOS化给单片机技术发展带来广阔天地。最显著的变革是低功耗管理技术的飞速发展。3. RISC体系结构的大发展早期单片机大多是CISC结构体系,指令复杂,指令代码、周期数不统一;指令运行很难实现流水线操作,大大阻碍了运行速度的提高。例如, MCS51系列单片机,时钟频率12MHz时,单周期指令运行速度仅1MIPS。虽然单片机对运行速度要求远不如通用计算机系统或数字信号处理(DSP)对指令运行速度的要求,但速度的提高会带来许多好处,并拓宽单片机应用领域。如果采用RISC体系结构,精简指令后绝大部分成为单周期指令,而且通过增加程序存储器的宽度(例如从8位增加到10位、12位、14位等),实现一个地址单元存放一条指令。在这样的体系结构中,很容易实现并行流水线操作,其结果大大提高了指令运行速度。目前在一些RISC结构的单片机已实现了一个时钟周期执行一条指令。与MCS51相比,在相同的12MHz外部时钟下,单周期指令运行速度可达12MIPS。一方面可获得很高的指令运行速度,另方面,在相同的运行速度下,可大大降低时钟频率,有利于获得良好的电磁兼容效果。4 .大力发展专用型单片机专用单片机是专门针对某一类产品系统要求而设计的。使用专用单片机可最大限度地简化系统结构,使资源利用效率最高。在大批量使用时有可观的经济效益和可靠性效益。专用单片机发展的基础是半导体集成工艺和微电子设计技术。采用模块化标准单元的快速设计及快速半导体集成工艺,将加速专用单片机的发展。5 .OTPROM、Flash ROM成为主流供应状态早期程序存储器的供应状态主要是 OTPROM(掩膜)、EPROM和ROM Less(片内无ROM)三种型式。掩膜ROM周期长、投资大,无法更改;EPROM型的芯片成本高;ROM Less型的系统电路结构复杂。目前绝大多数单片机系列都可提供OTPROM型式,其价格逐渐逼近掩膜ROM。OTPROM可由用户编程,软件升级、修改十分方便。Flash ROM则由于可多次编程,系统开发阶段使用十分方便,在小批量应用系统中广泛使用。目前Flash ROM的可靠性不及OTPROM,但随着Flash ROM的改进,可靠性不断提高,会有很广泛的应用前景。6 .ISP及基于ISP的开发环境Flash ROM的发展,推动了在系统可编程ISP(In System Programmable)技术的发展。在ISP技术基础上,首先实现了目标程序的串行下载,促使模拟仿真开发方式的重新兴起;在单时钟、单指令运行的RISC结构单片机中,可实现PC机通过串行电缆对目标系统的仿真调试;基于上述仿真技术,现已实现远程调试,以及对原有系统方便地更新软件、修改软件和对软件进行远程诊断。7. 单片机中的软件嵌入目前单片机只提供了程序空间,没有任何驻机软件。目标系统中的所有软件都是系统开发人员开发的应用程序。随着单片机程序空间的扩大,会有许多空余空间,在这些空间上可嵌入一些工具软件,这些软件可大大提高产品开发效率,提高单片机性能。单片机中嵌入软件的类型主要有:(1)实时多任务操作系统 RTOS(Real Time Operating System)。在RTOS支持下,可实现按任务分配的规范化应用程序设计。(2)平台软件。可将通用的子程序及函数库嵌入,以供应用程序调用。 (3)虚拟外设软件包。用于构成软件模拟外围电路的软件包,可用来设定虚拟外围功能电路。(4)其它用于系统诊断、管理的软件等。8 .实现全面功耗管理采用CMOS工艺后,单片机具有极佳的本质低功耗和功耗管理功能。从第四代单片机开始,各家半导体厂家都在单片机中实现了全面的低功耗技术,它包括:(1)传统的CMOS单片机低功耗运行方式,即休闲方式(Idle)、掉电方式(Power Down)。 (2)双时钟技术。配置有高速(主时钟)和低速(子时钟)两个时钟系统。在不需要高速运行时,转入子时钟控制下,以节省功耗。(3)高速时钟下的分频或低时钟下的倍频控制运行技术。虽然只设置一个时钟,但可根据指令运行速度要求,通过分频、倍频来控制总线速度,以降低功耗。(4)外围电路的电源管理。对集成在片内的外围电路实行供电管理。在该外围电路不运行时,关闭其电源。(5)低电压节能技术。 CMOS电路的功耗与电源电压有关,降低供电电压能大幅度减少器件功耗。单片机的低电压技术除了不断降低单片机电源电压外,有些单片机内部还有不同的电压供给,在可以使用低电压的局部电路中,采用低压供电。低功耗是便携式系统重要的追求目标,是绿色电子的发展势向。低功耗的许多技术措施会带来许多可靠性效益,也是低功耗技术发展的推动力。因此,低功耗应是一切电子系统追求的目标。9. 推行串行扩展总线目前,外围器件接口技术发展的一个重要方面是串行接口的发展。采用串行接口可大大减少引脚数量,简化系统结构。采用串行接口虽然较之并行接口数据传输速度慢,但由于串行传输速度的不断提高,加之单片机面对对象的有限速度要求,使单片机应用系统中的串行扩展技术有了很大发展。随着外围电路串行接口的发展,单片机串行扩展接口(移位寄存器接口、SPI、 I2C BUS、 Micro wire、 lWire)设置的普遍化、高速化,以及在片内的Flash ROM不必外部并行扩展EPROM,使得单片机的并行接口技术已日渐衰退。目前许多原有带并行总线的单片机系列,推出了许多删去并行总线的非总线单片机。10. ASMIC技术的启动与发展专用单片机的巨大优势会推动ASMIC技术的发展。ASMIC(Application Specific Microcontroller Integrated Circuit)是以MCU为核心的专用集成电路(ASIC),与ASIC相比,由于是基于MCU的系统集成,有较好的柔性特性,是单片机应用系统实现系统集成的重要途径。1.3 单片机的特点及应用1.单片机的特点单片机以其卓越的性能,得到了广泛的应用,已深入到各个领域。单片机应用在检测、控制领域中,具有如下特点。(1)小巧灵活、成本低、易于产品化。它能方便地组装成各种智能式测、控设备及各种智能仪器仪表。(2)可靠性好,适应温度范围宽。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的,能适应各种恶劣的环境,这是其它机种无法比拟的。(3)易扩展,很容易构成各种规模的应用系统,控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强,指令系统有各种控制功能用指令。(4)可以很方便地实现多机和分布式控制。2 .单片机的应用范围单片机的应用范围很广,在下述的各个领域中得到了广泛的应用。(1) 工业方面:各种测控系统,数据采集系统,工业机器人,智能化仪器,机、电一体化产品。(2) 智能仪器仪表方面:单片机应用在智能仪器、仪表方面,不仅使传统的仪器仪表发生根本的变革,也给传统的仪器、仪表行业改造带来了曙光。(3) 通讯方面:调制解调器、程控交换技术。(4) 民用方面:电子玩具、录像机、激光唱机。(5) 导弹与控制方面:导弹控制、鱼雷制导控制、智能武器装备、航天飞机导航系统。(6) 各种计算机外部设备及电器方面:打印机、硬盘驱动器、彩色与黑白复印机,磁带机等。(7)多机分布式系统:可用单片机构成分布式测控系统,它使单片机应用进入了一个新的水平。由上所述,单片机从家用电器、智能仪器仪表、工业控制直到火箭导航尖端技术领域,单片机都发挥着十分重要的作用。第2章 系列芯片几种常用2.1 MCS51系列单片机在单片机家族的众多成员中,MCS 51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术和高可靠性和高性价比,迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场,成为国内单片机应用领域中的主流。目前,可用于其开发的硬件越来越多,与其配套的各类开发系统、各种软件业日趋完善,因此,可以极方便地利用现有资源,开发出用于不同目的的各类应用系统。2.1.1 ATMEL公司的AT89C51单片机AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程擦除只读存储器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory) 8位CMOS微控制器,使用高密度、非易失存储技术制造,并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89C51(以下简称 89C51)将具有多种功能的8位 CPU与FPEROM结合在一个芯片上,为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案,其性能价格比较高。1. 89C51性能及特点 89C51的主要性能包括:(1)与MCS51微控制器产品系列兼容。(2)片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器(Flash Memory)。(3)存储器可循环写入擦除1000次。(4)存储数据保存时间为10年。(5)宽工作电压范围:Vic可为2.7V6V。(6)全静态工作:可从0Hz至16MHz。(7)程序存储器具有3级加密保护。(8)1288位内部RAM。(9)32条可编程IO线。(10)两个16位定时器计数器。(11)中断结构具有5个中断源和2个优先级。(12)可编程全双工串行通道。(13)空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。2 .片内快闪存储器 (Flash Memory) 表2-1几种典型EEPROM芯片主要性能号型28162816A12872817A2864A取数时间/ms250200/250250200/250250擦/写电压/V2152155字节擦除时间/ms10915101010写入时间/ms10915101010由于EEPROM具有在线改写,并在掉电后仍能保存数据的特点,可为用户的特殊应用提供便利。但是,擦除和写入对于要求数据高速吞吐的应用还显得时间过长,这是EEPROM芯片的主要缺陷。表2-1列出了几种典型EEPROM芯片的主要性能数据。由上表可见,所列各种芯片的字节擦除时间和写入时间基本上均为10ms,这样长的时间对于许多实际应用是不能接受的。因此,为了将存储器集成到微控制器芯片内,设法缩短此类存储器的擦除和写入时间是一个首要的问题。片内快闪存储器( Flash Memory)的概念就是在这种背景下提出来的。Flash存储器是一种可以电擦除和电写入的闪速存储器(简记为FPEROM),这使开发调试更为方便。在MCS51系列产品中,凡标有89CXX的芯片均为带有此类存储器的产品系列。3. AT89C51硬件结构及引脚 图2-1 AT89C51内部结构图AT89C51的内部硬件结构如图2-1所示。除程序存储器由FPEROM取代了80C5l的EPROM外,其余部分完全相同。AT89C51的引脚与80C51的引脚也是完全兼容的,其引脚配置如图2-2所示。各引脚对应的功能简要介绍如下:图2-2 AT89C51的引脚Voss 接地。Vic 电源端,接。P0.00.7 P0口是开漏双向口可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入,P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节,在访问外部数据存储器时作数据总线,此时通过内部强上拉输出1。P0口每位可以能驱动个型负载。P1.01.7 P1口是带内部上拉的双向I/O口,向P1口写入1时P1口被内部上拉为高电平,可用作输入口。当作为输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。P口每位可以能驱动个型负载。P2.02.7 P2口是带内部上拉的双向I/O口,向P2口写入1时P2口被内部上拉为高电平,可用作输入口。当作为输入脚时,被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址,此时通过内部强上拉传送1。当使用8位寻址方式访问外部数据存储器时,P口每位可以能驱动个型负载。P3.03.7 P3口是带内部上拉的双向I/O口,向P3口写入1时P3口被内部上拉为高电平,可用作输入口。当作为输入脚时被外部拉低的P3口,会因为内部上拉而输出电流。P口每位可以能驱动个型负载。P3 口还具有以下特殊功能:Red(p3.0) 串行输入口Tad(P3.1) 串行输出口INT0(P3.2) 外部中断0INT1(P3.3) 外部中断T0(P3.4) 定时器0 外部输入T1(P3.5) 定时器1 外部输入WR(P3.6) 外部数据存储器写信号RD(P3.7) 外部数据存储器读信号RST 复位。当晶振在运行中只要复位管脚出现2个机器周期高电平,即可复位内部。有扩散电阻连接到Voss,仅需要外接一个电容到Vic即可实现上电复位。 ALE 地址锁存使能。在访问外部存储器时,输出脉冲锁存地址的低字节,在正常情况下,ALE 输出信号恒定为1/6 振荡频率并可用作外部时钟或定时。PSEN 程序存储使能。当执行外部程序存储器代码时,PSEN每个机器周期被激活两次。在访问外部数据存储器时,PSEN无效。访问内部程序存储器时,PSEN无效。EA/App. 外部寻址使能/编程电压。在访问整个外部程序存储器时EA必须外部置低,如果EA为高时将执行内部程序,除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址。该引脚在对FLASH编程时,接5V/12V编程电压(App),如果保密位1已编程,EA在复位时由内部锁存。XTAL1 反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。XTAL2 反相振荡放大器输出。2.1.2 ATMEL公司的AT89C2051单片机1. AT89C2051性能及特点AT89C2051(以下简称 2051)是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器芯片,片内带2KB的快闪可编程及可擦除只读存储器(FPEROM)。它与MCS51指令系统兼容,片内FPEROM允许对程序存储器在线重新编程,也可用常规的EPROM编程器编程。ATMEL的205l将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在同一芯片上,为很多嵌入式控制应用提供了高度灵活且价格适宜的方案。2051还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及两种软件可选的省电模式。其中,在闲置模式下,CPU停止工作,但RAM、定时器计数器、串行口和中断系统仍然在工作。在掉电模式下,只保存RAM的内容,振荡器停振,关闭芯片的所有其他功能,直到下一次硬件复位为止。2. AT89C2051主要性能(1)与MCS5l产品兼容。(2)2KB的在线可重复编程快闪存储器,寿命可达1000次写擦除周期。(3)宽工作电压范围:2.7V6V。(4)全静态工作方式:0Hz24MHz。(5)两级程序存储器加密。(6)1288位SRAM。(7)15条可编程IO线。(8)2个16位定时器计数器。(9)5个中断源。(10)可编程串行通道。(11)可直接驱动LED。(12)有片内精密模拟比较器,具备低功耗的闲置与掉电模式。3. 内部结构及引脚2051的内部结构如图2-3所示,引脚分布如图2-4所示。引脚功能说明如下: Vic 供电电源。 GND 电路地。P1口 为双向8位IO端口。P1.2P1.7引脚有内部上拉电阻,P1.0和P1.1需要外部上拉电阻。P1.0和P1.l还作为模拟比较的正输入端和负输入端,与片内精密模拟比较器相连。P1口输出缓冲器能吸收20mA灌入电流并可直接驱动LED显示器。当向端口P1写入电平“1”时,可作为输入引脚。因为P1.2P1.7有内部上拉的作用,此时若有外电路作为输入,引脚会向外灌电流(IIL)。P1口在快闪编程与校验功能中还承担数据代码接收任务。P3口 P3口只有7位P3.0P3.5和P3.7(其中P3.7引脚具有内部上拉电路)。P3.6为内部比较器输出,无外部引脚。2051无RD和WR控制信号,P3.7为一般IO线。P3口输出缓冲器能吸收20mA灌入电流,当向端口P3写入电平“1”时,可用作输入端口。因为内部上拉作用当P3口有外部低电平做输入时,引脚向外产生灌电流(IIL)。P3口也提供2051的第二功能,如表2-2所示。P3在快闪编程与校验功能中还可接收某些控制信号。 图2-3 AT89C2051的内部结构图图2-4 AT89C2051封装引脚配置图表2-2 P口提供的第二功能3P3口线第二功能P3.0RXD(串口输入)P3.1TXD(串口输出)P3.2INT0(外部中断0)P3.3INT1(外部中断1)P3.4T0(外部定时输入0)P3.5T1(外部定时输入1)RST 复位输入端。振荡器工作时,该引脚上两个机器周期的高电平可复位2051。每个机器周期为12个振荡周期(或称时钟周期)。XTAL1 振荡器反相放大器内部工作时钟电路输入端。XTAL 2 振荡器反相放大器的输出端。第3章 步进电动机的简介步进电动机的简介1一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。2步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,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摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时,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。4步进电机低速时可以正常运转,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。3.1 步进电机的基本原理步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度;反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 步进电机的一些基本参数:电机固有步距角:它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8(表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8),这个步距角可以称之为电机固有步距角,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数:是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器,则相数将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。保持转矩(HOLDINGTORQUE):是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。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了衡量步进电机最重要的参数之一。比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。DETENT(制动器)TORQUE:是指步进电机没有通电的情况下,定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式,容易使大家产生误解;由于反应式步进电机的转子不是永磁材料,所以它没有DETENTTORQUE。3.2 步进电动机工作原理 虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能像普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少,但具有专业技术人员,能够自行开发,研制的厂家却非常少,大部分的厂家只一、二十人,连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况,我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。3.2.1反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。1、结构:电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3,C与齿3向右错开2/3,A与齿5相对齐,(A就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图:图3-1 定转子的展开图2、旋转:如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3,此时齿3与C偏移为1/3,齿4与A偏移(-1/3)=2/3。如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3,此时齿4与A偏移为1/3对齐。如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A通电,电机就每步(每脉冲)1/3,向右旋转。如按A,C,B,A通电,电机就反转。由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3变为1/12,1/24,这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出:电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。3、力矩:电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量)当转子与定子错开一定角度产生力F与(d/d)成正比 其磁通量=Br*S Br为磁密,S为导磁面积 F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度,D为转子直径Br=NI/RNI为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比(只考虑线性状态)因此,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。第4章 单片机控制步进电动机步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移,并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。 有时从一些旧设备上拆下的步进电机(这种电机一般没有损坏)要改作它用,一般需自己设计驱动器。本文介绍的就是为从一日本产旧式打印机上拆下的步进电机而设计的驱动器。本文先介绍该步进电机的特点、工作原理,然后介绍了其驱动器的软、硬件设计。4.1步进电机的工作原理该步进电机为一四相步进电机,采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。图4-1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图4-1 四相步进电机步进示意图开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图4-2 a、b、c所示: a.单四拍 b.单四拍 c.单四拍图4-2 步进电机工作时序波形图 4.2 硬件设计步进电机驱动器系统电路原理如图4-3所示:图4-3 步进电机驱动器系统电路原理图AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4P1.7输出,经74LS14反相后进入9014,经9014放大后控制光电开关,光电隔离后,由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大,驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一相绕组。AT89C2051选用频率22MHz的晶振,选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。图4-3中的RL1RL4为绕组内阻,50电阻是一外接电阻,起限流作用,也是一个改善回路时间常数的元件。D1D4为续流二极管,使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管(D1D4)而衰减掉,从而保护了功率管TIP122不受损坏。在50外接电阻上并联一个200F电容,可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿,提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200电阻可减小回路的放电时间常数,使绕组中电流脉冲的后沿变陡,电流下降时间变小,也起到提高高频工作性能的作用。4.3 软件设计该驱动器根据拨码开关KX、KY的不同组合有三种工作方式供选择:方式1为中断方式:P3.5(INT1)为步进脉冲输入端,P3.7为正反转脉冲输入端。上位机(PC机或单片机)与驱动器仅以2条线相连。方式2为串行通讯方式:上位机(PC机或单片机)将控制命令发送给驱动器,驱动器根据控制命令自行完成有关控制过程。方式3为拨码开关控制方式:通过K1K5的不同组合,直接控制步进电机。当上电或按下复位键KR后,AT89C2051先检测拨码开关KX、KY的状态,根据KX、KY 的不同组合,进入不同的工作方式。以下给出方式1的程序流程框图(图4-4)与源程序。在程序的编制中,要特别注意步进电机在换向时的处理。为使步进电机在换向时能平滑过渡,不至于产生错步,应在每一步中设置标志位。其中20H单元的各位为步进电机正转标志位;21H单元各位为反转标志位。在正转时,不仅给正转标志位赋值,也同时给反转标志位赋值;在反转时也如此。这样,当步进电机换向时,就可以上一次的位置作为起点反向运动,避免了电机换向时产生错步。图4-4 方式1程序框图方式1源程序:MOV 20H,#00H ;20H单元置初值,电机正转位置指针MOV 21H,#00H ;21H单元置初值,电机反转位置指针MOV P1,#0C0H ;P1口置初值,防止电机上电短路MOV TMOD,#60H ;T1计数器置初值,开中断MOV TL1, #0FFHMOV TH1, #0FFHSETB ET1SETB EASETB TR1SJMP $;*计数器1中断程序*IT1P: JB P3.7,FAN ;电机正、反转指针;*电机正转*JB 00H, LOOP0JB 01H, LOOP1JB 02H, LOOP2JB 03H, LOOP3JB 04H, LOOP4JB 05H, LOOP5JB 06H, LOOP6JB 07H, LOOP7LOOP0: MOV P1, #0D0HMOV 20H, #02HMOV 21H, #40HAJMP QUITLOOP1: MOV P1, #090HMOV 20H, #04HMOV 21H, #20HAJMP QUITLOOP2: MOV P1, #0B0HMOV 20H, #08HMOV 21H, #10HAJMP QUITLOOP3: MOV P1, #030HMOV 20H, #10HMOV 21H, #08HAJMP QUITLOOP4: MOV P1, #070HMOV 20H, #20HMOV 21H, #04HAJMP QUITLOOP5: MOV P1, #060HMOV 20H, #40HMOV 21H, #02HAJMP QUITLOOP6: MOV P1, #0E0HMOV 20H, #80HMOV 21H, #01HAJMP QUITLOOP7: MOV P1, #0C0HMOV; 20H, #01HMOV 21H, #80HAJMP QUIT;*电机反转*FAN: JB 08H, LOOQ0JB 09H, LOOQ1JB 0AH, LOOQ2JB 0BH, LOOQ3JB 0CH, LOOQ4JB 0DH, LOOQ5JB 0EH, LOOQ6JB 0FH, LOOQ7LOOQ0: MOV P1, #0A0HMOV 21H, #02HMOV 20H, #40HAJMP QUITLOOQ1: MOV P1, #0E0HMOV 21H, #04HMOV 20H, #20HAJMP QUITLOOQ2: MOV P1, #0C0HMOV 21H, #08HMOV 20H, #10HAJMP QUITLOOQ3: MOV P1, #0D0HMOV 21H, #10HMOV 20H, #08HAJMP QUITLOOQ4: MOV P1, #050HMOV 21H, #20HMOV 20H, #04HAJMP QUITLOOQ5: MOV P1, #070HMOV 21H, #40HMOV 20H, #02HAJMP QUITLOOQ6: MOV P1, #030HMOV 21H, #80HMOV 20H, #01HAJMP QUITLOOQ7: MOV P1, #0B0HMOV 21H, #01HMOV 20H, #80HQUIT: RETIEND结 论 该驱动器经实验验证能驱动0.5N.m的步进电机。将驱动部分的电阻、电容及续流二极管的有关参数加以调整,可驱动1.2N.m的步进电机。该驱动器电路简单可靠,结构紧凑,对于I/O口线与单片机资源紧张的系统来说特别适用。经过这次设计,这次毕业设计即将完成,从中得到的感悟和体会,使得一生中受益,因为在这次设计中,增强自己的分析问题、解决问题的能力。本次课题单片机控制步进电动机装置的设计,它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高的优点。故在国民经济建设、机械及家用电器等领域均得到广泛的应用,机械及家用电器,能促进机器向数字化、智能化、多功化、综合化、柔性化发展。在工业控制领域,单片机控制技术的应用将来有广阔空间。谢 辞 通过此次毕业设计,我对所学习的知识又有了一个系统的了解。单片机对于我来说也是一个全新的东西,以前在校学习时只能说是了解一些。在设计的过程中,我也遇到了好多问题。在此我要谢谢我的老师和同学们,如果不是他们的帮助,也许我也不会那么积极的去搜集各方面的资料;如果不是他们的聪慧,也许我会被所遇到的困难吓倒。通过这次的毕业设计,使我三年中学到的知识都有了用武之地。电子方面,等等,另外还从中领会很多书本外的知识,得到了宝贵的经验。一个题目的设计,不仅需要扎实的专业知识,不耻下问的精神同样重要。总而言之,从这次的毕业设计,我学到了很多,积累了一定的经验,实践了所学的知识,同时也培养了自己的毅力。我相信,从中的所得,将使我终身受益,为我以后的工作打下坚实的基础。在设计期间, 导师为论文课题的研究提出了许多指导性的意见,为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。老师的严谨治学、不断探索的科研作风,敏锐深邃的学术洞察力,孜孜不倦的敬业精神,给我留下了深刻的印象,使我受益良多。在本文结束之际,特向我敬爱的导师致以最崇高的敬礼和深深的感谢!同时在撰写论文期间,院系其它领导,花费了大量的时间和心血在忙碌的工作之余,给予我专业知识上的指导,而且教给我学习的方法和思路,使我在科研工作及论文写作过程中不断有新的认识和提高。给我们讲解设计中的难点和易错点,在此深表感谢!衷心的感谢给予建议和帮助的各位老师!参考文献1 陈建锋.单片机原理及应用技术,电子工业出版社2 余永权,李小青,陈林康.单片机应有系统的功率接口技术,北京航空航天大学出版社3 余锡存,曹国华.单片机原理及接口技术, 西安电子科技大学出版社4 徐煜明,韩雁.单片机原理及应用教程,电子工业出版社5 何主民.单片机应用技术选编,北京航空航天大学出版社6 黄良充.8051系列单片机原理与实习,学苑出版社7 吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用,清华大学出版社8 周坚.单片机轻松入门,北京航空航天大学出版社 9 孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用,东南大学出版社10 胡学海.单片机原理及应用系统设计,电子工业出版社 11黄继昌
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