步进电机控制系统的设计.docx
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步进电机控制系统的设计
步进电机控制系统的设计
庄问(安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011)
指导老师:
郭玉
摘要:
步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线性位移)的电磁装置,是一种特殊的电动机。
它广泛应用于工业机械的数字控制,为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优,根据控制系统功能要求及步进电机应用环境,确定了设计系统硬件与软件的功能划分,从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。
本文介绍了以51系统单片机、AT89C52为控制核心所设计的步进电机的控制系统,用C语言编写出电机的正转、反转、加速、减速程序,通过单片机、电机的驱动芯片ULN2003以及相应的按键实现以上功能,并且步进电机的工作状态要用相应的数码管显示出来。
本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成,同时对软、硬件进行了调试。
该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点,通过调试实现了上述功能。
关键词:
步进电机,AT89C52,正反转,转速
一、步进电机
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步进电机件。
步进电机分三种:
永磁式(PM),反应式(VR)和混合式(HB)。
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,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;通俗一点讲:
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(及步进角)。
我们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目的;同时我们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。
如图1所示。
图1步进电机
1.步进电机的工作原理
步进电机是一种用电脉冲进行控制,将电脉冲信号转换成向位移的电机。
其机械位移和
转速分别与输入绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度,脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了电机运转的速度。
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。
本步进电机为一四相步进电机,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。
图2是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图2四相步进电机步进示意图
开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机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。
单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,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。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图3a、b、c所示:
图3步进电机工作时序波形图
2.步进电机的控制技术
(1)换相顺序的控制:
通电换相这一过程称为脉冲分配。
本设计已四相步进电机为例,四相步进电机在单四拍的工作方式下,其各相通电顺序为A-B-C-D-A,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。
四相双四拍的通电顺序为AB-BC-CD-DA.四相八拍的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
(2)步进电机的换向(方向)控制:
当给定步进电机正序换相通电,步进电机正转。
如果步进电机的励磁方式为四相八拍,即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
若按反序通电换相,即A-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A,即电机就实现反转。
其他方式情况类似。
(3)步进电机的速度控制:
如果给步进电机发一个控制脉冲,它会转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短,步进电机就转的越快。
调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进行调试。
(4)步进电机的启停控制:
步进电机由于其电气特性,运转使会有步进感。
为了使电机转动平滑,减小振动,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,跳过步进电机运行的平稳性。
在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机转轴不能自由转动。
3.步进电机的基本参数:
1)相数:
产生不同对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A-B-C-D-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J*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)。
计算转速以基本步距角1.8°的步进电机为例(现在市场上常规的二、四相混合式步进电机基本步距角都是1.8°),四相八拍运行方式下,每接收一个脉冲信号,转过0.9°,如果每秒钟接收400个脉冲,那么转速为每秒400X0.9°=360°,相当与每秒钟转一圈,每分钟60转。
4.步进电机的特点
1)一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。
。
2)步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。
在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。
3)步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电机有一个技术参数:
空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下,启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。
二、硬件设计
本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。
如图4总体设计方框图所示:
图4总体设计方框图
其中,最小系统只是为了使单片机正常工作。
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。
显示电路主要为了显示电机的工作状态和转速。
驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大,从而实现驱动电机转动。
整体硬件电路如下图5所示。
图5步进电机的整体硬件电路
1.控制电路
根据系统的控制要求,控制输入部分设置了,换向控制,加速及减速控制按钮,分别为S2、S3、S4,控制电路如图6所示。
通过S2状态变化实现电机的换向功能。
当S2状态变化时,内部程序检测P3.1的状态来调用相应换向程序,实现系统的电机的正反转控制。
根据步进电机的工作原理可以知道,步进电机转速的控制主要是通过控制输入电机的脉冲频率,从而控制电机的转速。
对于单片机而言,主要的方法有:
软件延时和定时中断,本设计的转速控制主要由定时器的中断实现的。
本电路控制电机加速度通过S3、S4的断开和闭合,从而控制外部中断。
根据按键次数,改变速度值存储区中的数据(该数据为定时器的中断次数),这样就改变了步进电机的输出脉冲频率,从而改变了电机的转速。
图6按键控制
2.最小系统
对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路,如图7所示。
图7单片机51最小系统
(1)复位电路
由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。
(2)晶振电路
在单片机引脚XTAL1和XTAL2外部接晶振电路器或陶瓷晶振器,就构成了内部晶振方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
内部振荡方式的外部电路如图7示。
其电容值一般在5~30pf,典型的晶振取11.0592MHZ、12MHZ。
3.驱动介绍
如图8所示,为步进电机驱动电路。
通过步进电机的P1.0~P1.3口输出到ULN2003的1B~4B口,经信号放大后从1C~4C口分别输出到电机的A、B、C、D相。
图8步进电机驱动电路
4.显示电路
动态显示驱动:
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一,动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,位选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,但究竟是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对位选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端,就使各个数码管轮流受控显示,这就是动态驱动。
在轮流显示过程中,每位数码管的点亮时间为1~2ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,尽管实际上各位数码管并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁感,动态显示的效果和静态显示是一样的,能够节省大量的I/O端口,而且功耗更低。
如下图9所示。
图9数码管显示电路
三、软件设计
系统分为电机正转、电机反转、电机加速与电机减速的几部分组成,其主程序流程图,如图10所示。
图10主程序流程图
1.按键程序设计
按键程序用于判断P3.1口、P3.2口、P3.3口的值,当p3.1口为0时,电机正转,当p3.1口为1时,电机反转。
如图11所示。
图11按键部分流程图
2.加、减程序设计
(1)加速部分
当电机正转或反转的时候,按下加速键,调用加速子程序,使电机每转动一步的延时时间变短,从而实现电机的加速。
加速流程图如图12所示。
图12加速部分流程图
(2)减速部分
电机正转或反转的时候,按下减速键,通过改变电机每转动一步的延时时间,使时间变长,从而实现电机减速。
减速流程图如图13所示。
图13减速部分流程图
四、总结
这次毕业论文设计根据设计要求,复习了所学的单片机、步进电机和单片机C语言的内容,通过查询相关的资料,初步掌握了步进电机控制的基本原理和步进电机转动的控制方法,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增加,在各个国民经济领域仍将起到重要作用。
根据课程设计的要求和自己通过参考有关资料,熟悉了各硬件的工作原理,写好了程序流程图,相信在程序流程图的基础上,查阅汇编资料会很容易写出相应的程序,达到能够实现所要求的功能的目的。
《步进电机控制系统设计》毕业设计重点是理论与实际的相结合。
在这次设计过程中,我感到自己综合应用能力有待进一步加强。
让我更加重视实践动手操作能力,全面提高综合素质。
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