基于单片机的步进电机设计.docx
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基于单片机的步进电机设计
电子线路设计2课程设计报告
步进电机控制系统
摘要
步进电机由于用其组成的开环系统既简单、廉价,有非常实用,因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置有着极其广泛的应用。
本设计是基于单片机的步进电机控制系统,是用单片机及步进电机组成控制系统、实现对步进电机正反转以加速、减速、停止的控制,并用液晶显示电机转向与转速。
设计指标为1.通过ULN2003芯片驱动电机并用单片机控制2.用LCM1602显示电机转向与速度。
3.利用键盘控制电机转向与调速。
本文内容介绍了步进电机及单片机的基本原理、电路仿真、电路板制作。
电路板调试、程序设计及对本次课程设计的心得,同时介绍了本次课程设计遇到的问题和解决的方案。
关键词:
步进电机、单片机控制、电机驱动、脉冲控制
目录
1.方案比较与选择……………………………………………………………………1
2.步进电机原理………………………………………………………………………2
2.1步进电机结构………………………………………………………………………2
2.2步进电机脉冲驱动方式……………………………………………………………2
2.3步进电机的静态指标术语…………………………………………………………4
2.4步进电机动态指标及术语…………………………………………………………4
2.5步进电机驱动系统结构……………………………………………………………6
3.各模块原理及电路……………………………………………………………6
3.1单片机芯片……………………………………………………………………6
3.2键盘………………………………………………………………………9
3.3显示模块………………………………………………………………………9
3.4步进电机驱动………………………………………………………………………11
4电路仿真与分析………………………………………………………………………12
5电路板制作、焊接、调试………………………………………………………………13
6讨论及进一步研究意义…………………………………………………………………13
7课程设计心得……………………………………………………………………………13
Abstract………………………………………………………………………………15
参考文献………………………………………………………………………………16
附录Ⅳ程序清单…………………………………………………………………………17
1.方案比较与选择
我们使用的步进电机为一四相步进电机,转子齿为12齿,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。
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。
方案一:
四相单四拍
“四相”指四相步进电机;“单”指每次只能一相绕组通电;“四拍”指通电四次完成一个通电循环。
按ABCDA……的顺序给四相绕组轮流通电,转子便一步一步转动起来。
四个绕组依次通电一次为一个循环周期,一个循环周期包括四个工作脉冲,所以称为四相单四拍工作方式。
步距角:
对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示。
它的计算公式为:
θ=360/(转子齿数×运行拍数)
所以,每个循环周期分为四拍。
每拍转子转过θ=360/(50×4)=1.8(步距角),一个通电循环周期转子转过90(齿距角)。
方案二:
四相双四拍
按ABBCCDDA……的顺序给四相绕组轮流通电。
每个循环周期分为四拍。
每拍转子转过θ=360/(50×4)=1.8(步距角),一个通电循环周期转子转过90(齿距角)。
方案三:
四相八拍
按AABBBCCCDDDAA……的顺序给四相绕组轮流通电。
每个循环周期分为8拍。
每拍转子转过θ=360/(50×8)=0.9(步距角),一个通电循环周期转子转过90(齿距角)。
图表1步进电机时序图
方案一和方案二的单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。
方案三的八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,方案三的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。
对于四相步进电机,四拍运行时俗称整步状态,八拍运行时俗称半步。
而步进电机最好不使用整步状态,因为整步状态时振动大,噪音大。
所以我们选择方案时尽量避免整步状态。
综合以上对转动力矩、精度、平稳及减少噪音等方面考虑,我们选择方案三的四相八拍的工作方式。
2.步进电机控制原理
2.1步进电机结构
由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件,它不能直接接到交直流电源上,而必须使用专用设备-步进电机控制驱动器典型步进电机控制系统如图1所示:
控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹可以连续变化的脉冲信号,它为环形分配器提供脉冲序列。
环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后,经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端,以驱动步进电机的转动。
环形分配器主要有两大类:
一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能,通常称软环形分配器。
另一类是用硬件构成的环形分配器,通常称为硬环形分配器。
功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大.以达到驱动步进电机目的。
图表2步进电机控制流图
2.2步进电机脉冲驱动方式
以反应式步进电机为例,电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕组,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,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:
图表3步进电机转子剖面图
如A相通电,B,C相不通电时,磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合,在此磁场的作用下,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て,此时齿3与C偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。
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て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐。
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て
这样经过A、B、C、A分别通电,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て,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-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3て改变为1/6て。
甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3て变为1/12て,1/24て,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。
2.3步进电机的静态指标术语
1)相数:
产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。
常用m表示。
2)拍数:
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
3)步距角:
对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度/(转子齿数*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。
4)定位转矩:
电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)
5)静转矩:
电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。
此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过分采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。
2.4步进电机动态指标及术语
11)步距角精度
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分比表示:
误差/步距角*100%。
不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在5%之内,八拍运行时应在15%以内。
21)失步
电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。
称之为失步。
3)失调角
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的。
4)最大空载起动频率
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的最大频率。
5)最大空载的运行频率
电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率。
6)运行矩频特性
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据。
如图所示:
图表4电机频率力矩关系图
电机一旦选定,电机的静力矩确定,而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态电流),平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬。
如图3所示。
其中,曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低,曲线与负载的交点为负载的最大速度点。
要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,使采用小电感大电流的电机。
7)电机的共振点
步进电机均有固定的共振区域,二、四相混合式式步进电机的共振区一般在180-250pps之间(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角为0.9度),电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多。
图表5电机频率特性
2.5步进电机驱动系统的结构
环形分配器、功率放大器以及其它控制线路组合构成步进电机的驱动系统,其方框图如图4,在下一节的方案选择时,也是按照驱动系统的结构来进行。
图表6步进电机驱动系统结构图
步进电机的控制技术已经发展得比较成熟,各种的步进电机产品非常丰富。
为了满足达到设计要求,减少调试带来的麻烦,我们决定采用特定的步进电机驱动芯片L298并由单片机提供驱动脉冲,实现简单的控制系统功能。
3.各模块原理及电路
组合完整的四相、八拍步进电机驱动系统,整个系统的硬件电路如图,分为四个部分,分别为:
单片机系统、键盘、显示、电机驱动。
3.1单片机芯片
89C51,是一款8位的单片机芯片,有4个与外部交换信息的8位并行接口。
内有振荡电路,只需外接石英晶体和频率微调电容(2个30PF左右),其频率为0~24MHz。
端口的安排如下:
P0口是步进电机的脉冲产生、分配以及控制口。
P1口用作液晶显示的数据地址复用口、控制线。
P3口的部分用作中断,以及系统的外控线,键盘和单片机之间的数据口。
图表7单片机引脚
图表8晶振电路图
图表9程序下载口电路
单片机系统用于产生各种控制脉冲,是整个系统的心脏。
单片机将键盘、液晶显示、电机驱动各部分构成整个控制系统。
单片机控制总电路图如下:
图表10单片机控制系统电路
3.2键盘
键盘及其排布图,用于外部输入控制命令,键盘按键分布如下
A:
控制电机加速
B:
控制电机减速
C:
控制电机顺时针转
D:
控制电机逆时针转
3.3显示模块
一个良好的人机界面可以加强系统的可操作性,使用户可以快速地掌握系统的功能。
为此,增加一个显示模块是必要的。
显示模块是系统向外界传输信息的设备,在系统运作过程中,系统需要对电机预设转动角度和实际已转动的角度作出显示,还有的是对用户的按键动作作出响应。
方案一:
用数码管LED
用数码管LED可以显示角度信息,且电路设计简单,易于维护,但是LED功耗大,信息量少,而且在本系统中还会使用多个数码管同时显示,接线较多非常麻烦。
方案二:
采用LCM1602作为显示模块
LCM1602是16*2的字符型LCD,具有显示的信息量大的优势,可以显示常用的ASCII码。
其显示的信息对于本控制系统来说已经有足够的空间,且其接口电路也较简单,编程工作量适中。
综合以上分析,本设计采用方案二,以LCM1602液晶显示作为系统的显示模块,LCD上显示了按键的动作反馈信息。
包括初始状态的显示、电机的转动方向的显示,电机转速的显示
LCM1602接口信号说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DATAIO
2
VDD
电源正
10
D3
DATAIO
3
VL
对比度
11
D4
DATAIO
4
RS
数据命令选择端
12
D5
DATAIO
5
RW
读写选择端
13
D6
DATAIO
6
E
使能信号
14
D7
DATAIO
7
D0
DATAIO
15
BLA
背光源正极
8
D1
DATAIO
16
BLK
背光源负极
液晶显示电路如图30所示。
LCD1602可以工作在8位或4位模式。
4位模式时,每字节数据分两次传送,先传高4位,再传低4位。
为了节省端口,让LCD工作在4位模式,P1口为LCD与单片机的数据地址复用线,E、RW、RS为LCD的控制线。
LCD带背光灯,引脚15、16可接电源和地,背光灯亮。
对比度可调,引脚3是对比度控制端,通过接10K的可调电阻实现对比度的控制。
图表111602显示电路
3.4步进电机的驱动
电机驱动使用的驱动芯片ULN2003A是集电极输出的功率反相器,并且每个输出端都有一个连接到共同端(COM)的二极管,为断电后的电机绕组提供一个放电回路,起放电保护作用。
内部逻辑如下图
图表12UN2003内部逻辑图
实验室提供的是5线四相步进电机,考虑到是小电机,所以我们决定用UN2003驱动芯片来驱动电机,UN2003的输入接口与单片机相连,输出接口与电机相连。
UN2003的输出电流在500mA左右,可以驱动电机转动。
芯片与单片机和电机的连接电路如下:
图表13UN2003驱动电机电路图
4.电路仿真与分析
我们组先进行原理分析,并在画电路图前就实现分配好引脚,然后电路图的设计是我们的组长余凯生负责的。
首先是在软件DXP上绘制原理图,在转化为PCB图。
由于我们在原理分析时已经充分验证了电路的可行性,而且对可能会出现错误的模块分别进行了调试,所以我们焊接好电路板后一次性试验成功。
图表14PCB图
5.电路板制作、焊接、调试
由于我们以前没有实际操作过PCB板的制作,所以这个环节耗费的时间较多,不过由于我们的电路图和PCB图制作的很到位,所以最后PCB板制作成功后调试一次性就成功了。
在电路板的制作过程中很好地锻炼了我们的团队合作能力和动手能力,是一件很有趣的事。
其中遇到的问题有,在打印出电路图后,由于在加热过程中几个电路图同时加热导致加热不均匀而使电路图显影效果不好。
不过后面改为单个加热后就没问题了
6.讨论及进一步研究建议
本次课程设计完成了步进电机的启动、正反转控制、加速减速的调节。
我们采用四相八拍的电机工作方式,四相八拍的步距角是单四拍与双四拍的一半,八拍工作方式相比于二相四相既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
除了这些基本功能。
我们还可以在此系统的基础了扩展更多的功能,比如通过键盘设定电机转过的角度和电机转动的速度;还可以选定一个固定参考点,通过程序控制让电机顺时针或逆时针转过一个固定的角度并停在我们设计的角度。
7.课程设计心得
经过了几天的艰苦奋战,我们完成了步进电机控制系统的设计与制作。
从接受任务到成员的讨论,方案的确定。
我们小组始终坚持着以团队合作为主,力求自主设计,创新完成。
这个课题是一个很常用的课程设计题目,资料,方案在网上,图书都可以找到,但是原理人人都可以查找,但是在实际中我们还是遇到了一些挑战与困难,比如程序的编写,PCB电路板板的制作,调试。
不过在我们团队的共同努力下,我们得以比较顺利与快速地完成本次课程设计。
细心这点是相当重要的,在我们的实践过程中,我们发现我们调试好的电机驱动在跟我们的单片机控制系统连接后不能工作,开始我们以为驱动时序和接线有问题,后面发现原来是电机的一条接线短路了。
不过整体上我们整个课程设计的过程都是比较顺利得。
我们一致认为这样的课程实践的确让我们锻炼了动手能力,也让我们清楚地认识到了掌握课本知识与实际的操作是不同的概念,我们需要更多这样将理论与实际相结合的锻炼机会
对于这次的课程实践,我们小组经过一起的交流,大家都认为这是对我们本科学生很有帮助的。
但在我们接受设计项目的过程中,我们发现了这个课程的一些不足的地方,
TheControlOfStepMotor
Abstract:
Asthesteppermotorwithitsopen-loopsystemcomposedofsimple,inexpensive,verypractical,soprintersandotherofficeautomationequipmentandvariouscontroldeviceshaveaverywiderangeofapplications.
ThisdesignisbasedonthestepmotorcontrolsystemiscomposedofmicrocontrollerandsteppermotorcontrolsystemofsteppermotorReversibletoaccelerate,slowdown,stopthecontrolanduseofliquidcrystaldisplaymotorsteeringandspeed.Designedto1.ThroughtheULN2003chipandchipmicrocomputercontrolleddrivemotor2.WithLCM1602displaymotorsteeringandspeed.3.Usingkeyboardcontrolmotorsteeringandspeedcontrol.
参考文献:
[1].张友德,单片机原理、应用于实验,复旦大学出版社,2005
[2].步进电机控制入,同济大学出版社,1990.
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- 基于 单片机 步进 电机 设计