步进电机控制系统设计.docx
- 文档编号:29566094
- 上传时间:2023-07-24
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:780.09KB
步进电机控制系统设计.docx
《步进电机控制系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《步进电机控制系统设计.docx(14页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
步进电机控制系统设计
信息与电气工程学院
课程设计说明书
(2014/2015学年第2学期)
课程名称:
《单片机应用》课程设计
题目:
步进电机控制系统设计
专
学生姓名:
学号:
指导教师:
设计周数:
2周
设计成绩:
2015年月日
1系统分析及设计
1.1 系统分析
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
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,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
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。
步进电机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。
1.2 系统设计及设计方案
设计要求:
设计步进电机控制器硬件电路图,并使用相应的软件实现硬件和软件的
仿真、调试。
实现功能如下:
(1)控制步进电机实现正转和反转;
设计方案:
基于AT89C51单片机的步进电机控制及驱动电路设计。
整个系统可分为:
AT89C51单片机系统控制器、驱动电路、按键输入模块及电源电路五大部
分,本设计方案采用AT89C51单片机作为控制模块的核心,利用软件编程使单片机输出脉冲序列和方向控制信号,以此实现对步进电机启动停止、正反转的控制。
驱动电路部分由芯片L298N和必要的外围电路组成,单片机产生的信号经驱动电路使其功率放大,达到电机所需的驱动电压和电流由此驱动步进电机工作。
L298N电机驱动器使用说明书
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15脚封装。
主要特点是:
工作电压高,最高工作电压可达46V;输出电流大,瞬间峰值电流可达3A
,持续工作电流为2A;额定功率25W。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载;采用标准逻辑电平信号控制具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机,该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机,也可以驱动
两台直流电机。
2、单元电路设计
2.1单片机芯片介绍
本设计采用MCS-51单片机作为控制系统的核心。
MCS-51单片机组成结构中包含
运算器、控制器、片内存储器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡
器等功能部件。
采用HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40管脚双列直插式封装,除采用40脚双列式直插式封装外,还有用方形的封装方式。
40管脚双列直插式封装管脚图如3.4
2.2 L298N芯片介绍
采用标准逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作;并且可以外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。
使用L298N驱动电机,该芯片可以驱动两个二相电机,也可以驱动一个四相电机,可以直接通过电源来调节输出电压; L298N的主要引脚功能如下:
+5V:
芯片电压5V;
VCC:
电机电压,最大可接50V; GND:
共地接法;
Output1—Output2:
输出端,接电机1; Output3—Output4:
输出端,接电机2;
EN1、EN2:
高电平有效,EN1、EN2分别为 IN1和IN2、IN3和IN4的使能端;
Input1~ Input4:
输入端,输入端电平和输出端电平是对应的;
3、电机控制过程
IN1,IN2,IN3,IN4接收脉冲信号L298N的1脚和15脚发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻,形成电流传感信号。
OUT1,OUT2 和 OUT3,OUT4之间可分别接电动机的一相。
5,7,10,12脚接输入控制电平,控制电机的正反转。
ENA,ENB控制使能端,控制电机的停转,如图三
控制步进电机的运行速度只要控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期,即在升速过程中,使脉冲的输出频率逐渐增加;在减速过程中,使脉冲的输出频率逐渐减少。
系统仿真图如下
4、软件设计
整个程序采用C 语言编程,使程序简单易读,在整个过程中采用模块化调试,可靠性好。
详细的源程序见附录。
5、硬件设计
根据之前确定方案及各元器件的功能原理步进电机控制及驱动系统的详细电路设计如下:
1)控制模块采用ATMEL公司的AT89C51单片机作为系统控制的核心,如图3.9所示。
脉冲信号由单片机产生,一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右,电机转速越高,占空比则越大。
信号分配实际上就是按照某一种控制方式(根据需要进行选定)所规定的顺序发送脉冲序列,达到控制步进电机方向的目的。
2)驱动模块直接采用L298N芯片,由单片机产生的脉冲序列和方向控制信号从P3.0~P3.3口输出,直接送入L298N芯片进行功率放大,达到步进电机所需的驱动电流和电压,以此驱动步进电机工作。
6、系统调试
硬件调试和软件调试并不能完全分开,许多硬件错误就是在软件调试过程中被发现和纠正的。
一般方法是先排除明显的硬件故障和软件错误,然后进行软硬件联合调试。
在进行联机仿真调试之前,应作好下述工作:
(1) 元器件在焊接过程中要逐一检查,例如二极管、电容的极性,电容的容量及耐压,元
件的数值是否正确等。
(2) 管座、元件焊接完毕,还要仔细检查各元件之间裸露部分有无相互接触现象,焊接面的各焊点间、焊点与邻近线有无连接。
特别注意电源是否短路,否则,在联电的时候很容易造成电路电流过大,烧坏片子。
(3) 完成上述检查后,先空载上电(未插芯片),检查电路板各引脚及插件上的电位是否正常,特别是单片机引脚上的各点电位。
若一切正常,将芯片插入各管座,再通电检查各点电压是否达到要求,逻辑电平是否符合电路或器件的逻辑关系。
若有问题,掉电后再认真检查故障原因。
仿真调试的方案:
把整个应用系统按其功能分成若干模块,如系统扩展模块、键盘输入模块、驱动电路模块等。
针对不同的功能模块,并借助于仪器来检查硬件电路的正确性。
7、总结
本系统主要研究了一种基于单片机的步进电机控制及驱动的电路设计。
设计采用MCS-51单片机作为控制模块的核心,利用单片机编程实现了对步进电机的控制。
由单片机产生的信号经L298N芯片进行功率放大,驱动步进电机工作,由相应的按键实现控制、清零功能。
系统能够实现:
(1)启动停止、正转反转等功能的基本控制
在系统设计过程中,力求硬件电路简单,充分发挥软件部分的优势,编程灵活方便
来满足系统的要求。
通过实际测试表明本设计系统的性能优于传统步进电机控制器,具
有结构简单、可靠性高、实用性强、人机接口简单方便、性价比高等特点。
本设计作品,就是单片机在智能化仪表方面的具体应用,充分体现了单片机的优越
之处。
从硬件设计到软件设计,根据硬件的工作原理及设计原理,对设计的设计方案做了仔细的分析和比较,最后确定下来完整可行的解决方案。
为了验证设计出的系统的功能可靠性和方案的可行性,我们还制作了硬件电路。
硬件电路是为了验证方案原理而设计的,在调试过程中,也得到了令人满意的效果,很好的验证了设计方案的可行性。
参考文献
[1] 刘宝廷.步进电动机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,1997,1~200.
[2] 王晓明. 电动机的单片机控制[M]. 北京:
北京航空航天大学出版社,2002,50~150.
[3] 王福瑞 等.单片机微机测控系统设计大全[M].北京:
北京航空航天大学出版社,1998,67~85.
[4] 胡寿松. 自动控制原理[M]. 北京:
国防工业出版社,2000,43~88.
[5] 杨宁 胡学军.单片机与控制技术[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2005,22~175.
[6] 陈隆昌,等.控制电机( 第三版)[M].西安:
西安电子科技大学出版社,2000,35~65.
附录
源程序如下
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
codeunsignedcharrunz[8]={0x05,0x01,0x09,0x08,0x0a,0x02,0x06,0x04};//正转
codeunsignedcharrunf[8]={0x04,0x06,0x02,0x0a,0x08,0x09,0x01,0x05};//反转
inta=0,b=0;
ucharkeycan=0;//键值
sbitBY1=P0^0;//启动
sbitBY2=P0^1;//正转
sbitBY3=P0^2;//反转
sbitBY4=P0^3;//停止
sbitP0_0=P0^0;//启动
sbitP0_1=P0^1;//停止
sbitP0_2=P0^2;//正转
sbitP0_3=P0^3;//反转
voiddelay(i)//延时
{
ucharj,k;
for(j=0;j
for(k=0;k<250;k++);
}
voidqrun()//启动
{
P1=0X00;
}
voidzrun()//正转
{
ucharz;
for(z=0;z<8;z++)
{
P1=runz[z];
delay(100);
}
}
voidfrun()//反转
{
ucharz;
for(z=0;z<8;z++)
{
P1=runf[z];
delay(100);
}
}
voidtrun()//停止
{
P1=0x00;
}
voidkey()//按键判断程序
{
if(BY1==0)//启动按键按下
{
delay(10);//延时,软件去干扰
if(BY1==0)//确认按键按下
{
P0_0=0;
}
}
if(BY2==0)//正转按键按下
{
delay(10);//延时,软件去干扰
if(BY2==0)//确认按键按下
{
P0_1=0;
}
}
if(BY3==0)//反转按键按下
{
delay(10);//延时,软件去干扰
if(BY3==0)//确认按键按下
{
P0_2=0;
}
}
if(BY4==0)//停止按键按下
{
delay(10);//延时,软件去干扰
if(BY4==0)//确认按键按下
{
P0_3=0;
}
}
}
main()
{
P0=0xff;
while
(1)
{
if(P0_0==0)//启动按键按下
{
keycan=1;//键值=1
}
if(P0_1==0)//正转按键按下
{
keycan=2;//键值=2
}
if(P0_2==0)//反转按键按下
{
keycan=3;//键值=3
}
if(P0_3==0)//停止按下
{
keycan=4;//键值=4
}
switch(keycan)
{case1:
qrun();break;//键值=1启动
case2:
zrun();break;//键值=2正转
case3:
frun();break;//键值=3反转
case4:
trun();break;//键值=4停止
}}
}
课程设计
评语
课程设计
成绩
指导教师
(签字)
年月日
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 步进 电机 控制系统 设计