基于CAN总线的步进电机控制器的设计说明.docx

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基于CAN总线的步进电机控制器的设计说明

辽宁工业大学

工业控制网络课程设计（论文）

题目：

基于CAN总线的步进电机控制器的设计

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

学号：

学生：

指导教师：

起止时间：

2013.12.18-2013.12.27

课程设计（论文）任务与评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

自动化

学号

学生

专业班级

课程设计（论文）题目

基于CAN总线的步进电机控制器的设计

课程设计（论文）任务

课题完成的功能、设计任务与要求、技术参数

实现功能

基于CAN总线的步进电机控制器实现通过CAN总线接收控制指令并将步进电机运动到指定位置的功能。

硬件设计包括CPU选型、CAN总线控制器、CAN总线收发器与步进电机接口驱动电路等。

软件采用汇编语言或C语言，并调试与分析。

设计任务与要求

1、确定设计方案，画出方案框图。

2、控制器硬件设计，包括元器件选择。

3、画出控制器的原理图。

4、绘出程序流程图，并编写CAN总线初始化、接收与发送程序。

5、要求认真独立完成所规定的全部容；所设计的容要求正确、合理。

6、按学校规定的格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。

技术参数

1、CAN总线符合CAN2.0B规；

2、CAN总线通讯速率500kbit/s；

3、CAN总线进行光电隔离设计。

4、控制器具有设置节点号功能，1~126任意设定；

5、步进电机参数：

2相，12V，0.4A，步进角1.8°。

进度计划

1、布置任务，查阅资料，确定系统设计方案（2天）

2、系统硬件设计与模块选择（3天）

3、系统软件设计与编写功能程序与调试（3天）

4、撰写、打印设计说明书（1天）

5、验收与答辩。

（1天）

指导教师评语与成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

步进电动机由于用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以与各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。

网络化是步进电机运动控制系统的重要研究方向，弥补了传统通信系统只能点对点进行通信的缺点。

本文介绍的是一种基于CAN总线的步进电机的系统设计，并从软件和硬件两方面介绍了基于CAN总线的步进电机的设计思路，并对硬件原理图和程序框图作了的描述。

设计了一个以AT89C51单片机为核心，由CAN总线控制器模块、CAN总线收发模块、电机驱动器模块、光电隔离模块、步进电机等多个模块组成的控制系统。

本文通过单片机实现了对步进电机的控制检测，并根据所测的数据与时进行调整。

本系统基本实现了设计要求，实现了通过CAN总线接收控制指令并将步进电机运动到指定位置的功能。

采用CAN总线通信在可靠性、时实性和灵活性方面具有独特的技术优势。

采用基于CAN总线步进电机控制器，减少了工业生产中需要的人力，减少了系统维护的成本，提高了电动机的工作效率，从而提高了整个工业生产的效率，实现了自动化、智能化、现代化的生产。

关键词：

步进电机；单片机；CAN总线

第1章绪论

1.1课题研究的目的和意义

步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制与制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以与各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器与其控制系统具有十分重要的意义。

1.2国外研究概况

进电机是国外发明的。

中国在文化大革命中已经生产和应用，例如、、、、都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。

国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。

一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。

国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。

国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。

国过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器部。

总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。

第2章系统的总体设计

2.1设计任务与要求

本文首先确定了设计方案，画出了方案框图。

然后进行了控制器的硬件设计，包括元器件选择与元器件的简介。

之后绘制出了控制器的原理图、部分元件的引脚图还有系统的主电路图。

软件方面首先绘出了程序流程图，之后编写了CAN总线初始化程序、接收程序与发送程序。

并在之后绘制出了各自的流程图。

本文要求认真独立的完成了所规定的全部容，并要求所设计的容要求正确、合理。

2.2系统组成结构

本文采用了AT89C51为控制核心，提高了编程效率。

单片机通过CAN总线接口电路，实现了单片机与CAN总线的数据传输。

通过电机驱动器，实现了单片机对步进电机的控制。

本文CAN控制器采用了SJA1000，CAN总线收发器采用了82C250，光电隔离器采用了6N137，加在了控制器和收发器之间，能够较好的抑制干扰，使接收的数据更准确。

本系统实现了通过CAN总线接收控制指令并将步进电机运动到指定位置的功能。

系统总体控制结构框图如图2.1所示：

图2.1系统总体控制结构框图

第3章系统硬件设计

3.1单片机的选型与最小系统

3.1.1AT89C51简介

AT89C51含E²PROM电可编闪速存储器。

有两级或三级程序存储器系统，防止E²PROM中的程序被非法复制。

不用紫外线擦除，提高了编程效率。

程序存储器E²PROM容量可达20K字节。

其引脚如图3.1所示：

图3.1AT89C51的引脚排列

3.1.2单片机最小系统设计

采用AT89S51单片机构成了控制系统的核心，其基本模块就主要包括复位电路和晶体震荡电路。

复位电路设计的好坏直接影响单片机系统工作的稳定性，由于单片机上电瞬间电源电压不稳定，此时单片机不能立即投入工作，需要继续保持一段时间的复位状态，待电源稳定后单片机才开始工作。

单片机中都有晶振，在单片机系统中晶振作用非常大，全称叫做晶体振荡器，他结合单片机部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上。

单片机最小系统的接线如图3.2所示：

图3.2最小系统

3.1.3键盘

本次设计选用的是单片机的P1口来控制信号的输入，所以把按键开关和P1口连接起来，当按下开关S1时，相当于给P1.0口一个低电平；当按下开关S2时，相当于给P1.1口一个低电平；当按下开关S3时，相当于给P1.2口一个低电平；当按下开关S4时，相当于给P1.3口一个低电平；当按下开关S5时，相当于给P1.4口一个低电平，然后通过单片机实行相应的操作。

图3.3按键部分电路

3.2CAN总线接口电路设计

3.2.1SJA1000控制器

SJA1000是一种独立的CAN控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制它是Philips半导体公司PCA82C200CAN控制器（BasicCAN）的替代品，而且还增加了一种新的操作模式PeliCAN，这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0协议。

表3.1是工作在BASICCAN模式下的SJA1000的寄存器结构与地址分配表.CAN控制器工作模式的设定、数据的发送和接收等都是通过这些寄存器来实现的。

时钟分频寄存器OCR用于设定SJA1000工作BASICCAN还是PeliCAN，还用于CLKOUT引脚输出时钟频率的设定，在上电初始化控制器时必须首先设定。

在工作模式下，控制寄存器CAN用于控制SR控制器的行为，可读可写；命令寄存器只能写；状态寄存器只能读；而IR、ACR、AMR、BTR0、BTR1、OCR在工作模式下读写无意义。

通常在系统初始化时，先使CR.0=1，SJA1000进入复位模。

在此模式下IR、ACR、AMR、BTR0、BTR1与OCR均可读可写，此时设置相应的初值。

表3.1SJA1000的寄存器结构与地址分配表

寄存器

地址

寄存器名

寄存器名

地址

控制寄存器CR

0

测试寄存器

接

收

缓

冲

器

RDID0

20

发

送

缓

冲

器

T

X

B

TXID0

RDID1

21

命令寄存器CMR

1

TXID1

RXDATA1

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

RXDATA8

22

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

29

TXDATA1

.

.

.

.

.

.

.

.

TXDATA8

状态寄存器SR

2

中断寄存器IR

3

接收代码寄存器ASR

4

接收屏蔽寄存器AMR

5

位定时寄存器BTR0

6

位定时寄存器BTR1

7

时钟分频寄存器OCR

31

输出控制寄存器OCR

8

SJA1000的部主要由接口管理逻辑IML信息缓冲器（含发送缓冲器TXB和接缓冲器RXFIFO）、位流处理器BSP、接收过滤器ASP、位时序处理逻辑BTL、错误管理逻辑EML位电路等构成。

IML接收来自部振荡器与复CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址并向主控器提供中断信息与状态信息。

图3.4SJA1000引脚图

在设计节点电路时,还要注意下面几点:

1.SJA1000通过光耦与82C250的连接是电流隔离的接法,这样可以防止线路间的串扰。

在总线两端要接2个总线阻抗匹配电阻。

忽略掉它们会降低总线的抗干扰能力,甚至导致无法通信。

2.通过在地和82C250的8脚（RS）之间接不同阻值的电阻,可选择三种不同的工作方式:

高速、斜率控制和待机。

在高速工作方式下,发送器输出晶体管简单地以尽可能快的速度启闭。

在这种方式下,不采取任何措施限制上升和下降斜率。

建议使用屏蔽电缆以避免射频干扰问题。

通过将引脚8接地,可选择高速方式。

对于较低速度或较短总线长度可用非屏蔽双绞线或平行线作总线。

为降低射频干扰,应限制上升和下降斜率。

上升和下降斜率可通过由引脚8至地连接的电阻进行控制。

斜率正比于引脚8上的电流输出。

若引脚8加有高电平则电路进入低电流待机方式。

在这种方式下,发送器被关掉,而接收器转至低电流。

由于在待机方式下,接收器是慢速的,因此,第一个报文将被丢失。

3.SJA1000的TX1脚悬空RX1引脚的电位必维持在约0.5Vcc上,否则,将不能形成CAN协所要求的电平逻辑。

3.2.282C250收发器

CAN控制器的发送和接收端一般不允许与总线直接相连，这是为了避免网络中有节点未加电而影响到整个网络的工作。

若总