步进电机控制系统毕业设计论文下载.doc
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1、摘要 本文应用单片机、步进电机驱动芯片和键盘阵列,构建了步进电机控制器和驱 动器为一体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠 丝杆在X/Y轴方向联动。在此期间还要用到Proteus软件进行程序的仿真和功能的 理论验证。并且阐述了步进电动机转速、角度、转矩的控制原理,并通过实验实现 了对其的控制。文中讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电 机变频调速的方法。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法,可以 有效地减少系统开发的周期和成本。最后给出了步进电机控制系统的应用实例。 关键字: 步进电机控制系统;单片机;步进电动机;控制器 目录 摘 要I 第
2、 1 章 步进电机原理.1 1.1 步进电机原理及控制技术.1 1.2 步进电机总体设计方案.2 第 2 章 设计原理与分析.4 2.1 步进电机的介绍.4 2.2 AT89C51 单片机简介5 第 3 章 电路设计.6 3.1 控制电路设计.6 3.2 最小系统电路设计.6 3.3 驱动电路设计.7 第 4 章 程序设计.8 4.1 系统主程序设计.8 4.2 中断程序设计.9 第 5 章 系统仿真.10 5.1 绘制电路原理图.10 5.2 系统仿真.10 第 6 章 总结.13 参考文献.15 致谢.16 附录.17 第章 步进电机原理 1.1 步进电机原理及控制技术 步进电动机又称脉冲
3、电动机或阶跃电动机,国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo,其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信 号变成直线位移或角位移的控制电机,其位移速度与脉冲频率成正比,位移量与脉冲 数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成,可以对旋转角度和转动速度进 行高精度控制。当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场,该矢量场会带动 转子旋转一角度,使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一 个角度。因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产 生旋转的磁场。每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距角
4、,称为一步。根据电压脉 冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,在供给连续脉冲时,就能一步一 步地连续转动,从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同,在不丢步的情况下 运行,其步距误差不会长期积累。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取 决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,同时步进电机只有周期性的 误差而无累积误差,精度高,步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率 来实现调速、快速起停、正反转控制等,这是步进电动机最突出的优点。 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,
5、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,我国已经 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。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。除了在数控系统中得到广泛的应用,近年来由于微型 计算机方面的快速发展,使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机 被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中,例如打印机,纸带输送机构,卡片阅读 机,主动轮驱动机构和存储器存取机构等,步进电机也在
6、军用仪器,通信和雷达设备, 摄影系统,光电组合装置,阀门控制,数控机床,电子钟,医疗设备及自动绘图仪, 数字控制系统,工具机控制,程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。因 而,对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。 为了得到良好的控制性能,对步进电机的控制的研究就一直没有停止过,许多重 大的技术得以实现。上世纪80年代以后,由于微型计算机以多功能的姿态出现,步进 电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制 回路,或者集成电路,不仅调试安装复杂,要消耗大量元器件,而且一旦定型之后, 要改变控制方案就一定要重新设计电路,不利于系统的改进升级。基于微型单片
7、机的 控制系统则通过软件来控制步进电机,能够更好地发挥步进电机的潜力。因此,用微 型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势,也符合数字化的时代发展要求。 还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求,出现的步进电机细分驱 动技术,就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基 于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式,除上述三种步进电机的驱动方案之外, 目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发,通过串行或并行通行的 方式实现PC机与步进电机控制器之间的数据通信,最终实现由PC机直接控制步进电 机的方法。 但是在有些应用场合,并不需要高精度的控制,而是
8、需要在满足一般工作要求的 情况下,尽量使控制系统做到:系统硬件结构简单,成本低;功能较为齐全;适应性 强;电机各种运行状态指示一目了然,操作方便;系统抗干扰能力强,可靠性高等要 求。本论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现,虽然电 路可以做到了高集成度,可价格较贵,功能相对较单一,并且设计要求有所改变,就 得改变整个硬件电路,比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制,运用其 强大的可编程和运算功能,充分利用单片机的各种资源,能灵活的对步进电机进行控 制,实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制,如果需改变控制要求,一般只需 改变软件就能适应新的环境,并且在本设计中利
9、用动态扫描技术,把显示电路和键盘 电路有机的结合起来,能做到一定的人机交换,而且为了抗干扰,提高可靠性,具有 一定的应用价值。步进电机受电脉冲信号控制,电脉冲信号的产生、分配、放大全靠 电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱,因此必须有功 率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体,构成步进电机 驱动系统。此种控制电路设计简单,功能强大,可实现一般步进电机的细分任务。这 个系统由三部分组成:脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。 1.2 步进电机总体设计方案 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
10、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。与此同时,单片机将会把电机 转速,电机的转动方向,以及电流检测模块检测到的电机驱动的电流通过数码管显示 出来。 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。 串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信,将在计算机里面编写 好的程序下载到单片机芯片当中。 数码管显示模块就主要是显示电机转速,电机转向
11、,和通过电机的电流等系统的 实时信息。 电机驱动电流检测模块主要是检测通过电机驱动芯片的电流,然后通过运放将检 测到的信号放大,最后将放大后的信号通过模数转换芯片处理后送给单片机。 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,显示电机电流等功能。采用了中断和查询相结合的方法来调用中 断服务程序,完成了对步进电机的最佳的及时的控制。 图 1.0 整体设计方案 89C51 单片机 复位电路 驱动 电路 步进 电机 按键控制电路 第 2 章 设计原理与分析 2.1 步进电机的介绍 步进电动机的种类很多,从广义上讲,步进电机的类型分为机械式、电磁式和组 合
12、式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式 (HB)三大类;按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应 式和混合式步进电机。 采用单片机来控制步进电机,实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替 环形分配器,达到了对步进电机的最佳控制。由于单片机的强大功能,还可设计大量 的外围电路,键盘作为一个外部中断源,设置了步进电机正转、反转、档次、停止等 功能,采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序,完成对步进电机的最佳控 制,显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现, 采用软件编程的办法实现脉冲的分配。步进电
13、机在结构上也是由定子和转子组成,可 以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一 矢量磁场,该矢量场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁极磁场方向与定子的 磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规 律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距 角,称为一步。根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,在供 给连续脉冲时,就能一步一步地连续转动,从而使电机旋转。电机将电能转换成机械 能,步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的,并 可重复,这就是步进电机为什么在定
14、位应用中如此有效的原因。 通过电磁感应定律我们很容易知道激励一个线圈绕组将产生一个电磁场,分为北 极和南极,见图2.0所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变 定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。 图 2.0 激励线圈产生电磁场 2.2 AT89C51 单片机介绍 Atmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压高性能的 8 位单片机, 它采用CMOS和高密度非易失性存储技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS- 51兼容;片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编 程,内部除CPU外,还包括256字节RAM,4个8位并行I/
15、O口,5个中断源, 2个中断优先级,2个16位可编程定时计数器,89C51单片机是一种功能强、灵活 性高且价格合理的单片机,完全满足本系统设计需要。其芯片引脚分布图如图2.1所 示。 图 2.1 89C51 单片机引脚分布图 第 3 章 电路设计 本设计的硬件电路主要包括控制电路、最小系统、驱动电路三大部分。控制电路 主要由开关和按键组成,由操作者根据相应的工作需要进行操作。最小系统主要是为 了使单片机正常工作。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大,从而驱动 电机转动。 3.1 控制电路设计 根据系统的控制要求,控制输入部分设置了启动控制,换向控制按钮,分别是 S1、S2、S3,控制电
16、路如图3-1所示。该电路控制电机正转和反转主要是通过 S1、S2的断开和闭合,从而控制步进电机进行转动。 图 3-1 控制电路 3.2 最小系统电路设计 单片机最小系统是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统,对51系列单片机 来说,最小系统一般应该包括:单片机、复位电路、晶振电路。最小系统电路如图3- 2所示。 复位电路:复位电路采用上电复位,使单片机进入复位状态,晶振电路用30PF 的电容和一12M晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。 晶振电路:单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到:内部震荡方式和外 部中断方式。在引脚XTAL1和XTAL2外部接晶振电路器(简称晶振)或陶瓷晶振 器
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