步进电机控制系统

I届．别．学号毕业设计基于单片机的步进电机控制系统设计姓名系别、专业导师姓名、职称完成时间II摘要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，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。本设计是采用STC89C52单片机对步进电机的控制，通过IO口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机；同时，用4个按键来对电机的状态进行控制，并用4个LED发光二极管显示电机的转速。系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括STC89C52单片机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动（集成达林顿ULN2003）模块、LED指示灯模块。软件采用在Keil软件环境下编辑。关键字：STC89C52、步进电机、ULN2003驱动11绪论1.1课题的背景当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。步进电机作为执行元件，是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。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，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品（打印机、照相机、雕刻机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。控制核心采用C51芯片，它以其独特的低成本，小体积广受欢迎，当然其易编程也是不可多得的优点为此，本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统，可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。1.2研究的主要内容本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用STC89C52作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动用四个LED灯指示。22总体方案设计本步进电机控制系统，按照系统设计功能的要求，确定系统由4个模块组成：主控制器、电机驱动模块、LED指示灯电路、键盘电路。温度无线采集报警系统结构框图如图1所示图1系统结构框图2.1方案的选择2.1.1主控芯片方案方案一：采用传统的STC89C52单片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简便，低功耗，比较经济实惠。方案二：采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。此单片机是一款高性能的低功耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC。但其价格比较昂贵，而且是TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本和开发周期。方案三：采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增强型51单片机作为主控芯片。此芯片内置ADC和SPI总线接口，且内部时钟不分频，可达到1MPS。而且价格适中。按键电路电机驱动电源STC89C52单片机步进电机LED指示灯3考虑到此系统需要不用到ADC，从性能和价格上综合考虑我们选择方案一，即用STC89C52作为本系统的主控芯片。2.1.2步进电机驱动方案方案1：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案2：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案3：采用ULN2003达林顿管电机驱动芯片，ULN2003芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。ULN2003芯片高压大电流达林顿晶体管阵列产品属于可控大功率器件。对步进电机控制方便灵活。因此我们选用了方案3。2.1.3显示模块方案方案一：选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。方案二：采用四个LED发光二极管显示，其成本低，简单明了，容易显示控制。综合以上方案，我们选择了经济实惠LED来作为速度级别显示。43硬件系统的设计与实现3.1步进电机3.1.1步进电机概述步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。3.1.2步进电机的特性步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。总体上说，步进电机有如下优点：1．不需要反馈，控制简单。2．与微机的连接、速度控制（启停和反转）及驱动电路的设计比较简单。3．没有角累积误差。4．停止时也可保持转距。5．没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。6．即使没有传感器，也能精确定位。7．根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。但是，这种电机也有自身的缺点：1．难以获得较大的转矩2.不宜用作高速转动53．在体积重量方面没有优势，能源利用率低。4．超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。3.1.3步进电机的种类目前常用的步进电机有三类：表1步进电机分类类别结构步距力矩动态性能反应式步进电动机（VR）采用高导磁材料构成齿状转子和定子小小较差永磁式步进电动机（PM）转子采用多磁极圆筒形的永磁铁，其外侧配置齿状定子吸引和排斥力产生转动大大好混合步进电动机（HB）这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构小大好3.1.4永磁步进电机的控制原理在本设计以常用的永磁式步进电机为例，用单片机控制步进电机。图2-1是CZ-2801型永磁步进电机的外形图，图2-2是该电机的接线图。图2-1CZ-2801型永磁步进电机外形图图2-2CZ-2801型永磁步进电机接线图6从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，这样一共有5根引出线。要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。将COM端标识为C，只要AC、BC或/AC、/BC，轮流加电就能驱动步进电机运转，加电的方式可以有多种，如果将COM端接正电源，那么只要用开关元件（如三极管），将A、B或/A、/B轮流接地。不难设计出控制电路，因其工作电压为12V，因此用一块开路输出达林顿驱动器（这里用ULN2003，关于ULN2003将在后面介绍）作为驱动，通过P1.0、P1.3来控制各线圈的接通与切断。开机时，P1.0、P1.3均为高电平，依次将P1.0、P1.2（或P1.1、P1.3反向）切换为低电平即可驱动步进电机运行。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间。改变转速，只要改变P1.0、P1.2（或P1.1、P1.3反向）轮流变低电平的时间即可达到要求，因为不会影响到其他功能的实现，这个时间可以用延时来实现，。这里以定时的方式来实现。下面首先计算一下定时时间。按要求，最低转速为20转/分，而上述步进电机的步距角为7.5，即每48个脉冲为1周，即在最低转速时，要求为960脉冲/分，相当于62.5ms/脉冲。而在最高转速时，要求为100转/分，即48000脉冲/分，相当于12.5ms/脉冲。可以列出下表：表2-2步进电机转速与定时器定时常数关系转速单步时间(ms)TH0TL02062.51F02159.5238095229B62256.8181818233742354.347826093C592452.0833333344802550407C2648.0769230852EC2746.296296359552844.642857145F49…………9313.44086022CF9C9413.29787234D0209513.15789474D0A19613.02083333D1209712.88659794D19B9812.75510204D2149912.62626263D28B10012.5D30表中不仅计算出了TH0和TL0，而且还计算出了在这个定时常数下，真实的定时时间，可以根据这个计算值来估算真实速度与理论速度的误差值。表中TH0和TL0是根据定时时间算出来的定时初值，这里用到的晶振是12.000M。有了上述表格，程序就不难实现了，使用定时/计数器T0为定时器，定时时间到后切换输出脚即可。83.2步进电机控制系统的组成步进电机控制系统共分为五个模块：单片机最小系统模块、键盘控制模块、LED指示模块、步进电机驱动模块和电源模块。1.单片机最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。复位电路为单片机系统提供可靠复位，使单片机能正常启动。时钟电路采用外部时钟方式，保证单片机个功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。2.键盘控制模块包括方向控制键、加速键和减速键、启停键，分别与单片机的P3.4、p3.5、p3.6和P3.7相连。实现对步进电机的控制。3.四个LED发光二极管显示步进电机的速度等级。分成四个等级，四个LED全亮速度最快，亮一个速度最慢。4.步进电机驱动模块选用七个NPN达林顿连接晶体管ULN2003为步进电机提供脉冲信号，驱动步进电机转动。该模块与单片机的P1.0—P1.3相连。5.电源模块3接5号电池4.5V分别供给驱动模块和单片机模块。3.3主控制模块单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。STC89C52单片机的工作电压范围：4V-5.5V,所以通常给单片机外界5V直流电源。连接方式为单片机中的40脚VCC接正极5V，而20脚VSS接电源地端。复位电路就是确定单片机的工作起始状态，完成单片机的启动过程。单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动确定单片机起始工作状态。当单片机系统在运行中，受到外界环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后，在RESET端持续给出2个