步进电机加减速定位控制系统课程设计说明书.pdf

步进电机加减速定位控制系统课程设计 1 导言 1.1 主题描述 随着电子技术的飞速发展，特别是微型计算机技术与大规模集成电路的出现，人类的生活发生了根本性的变化。如果说微型计算机的出现使现代科学研究有了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现给现代工业测控领域带来了一场新的技术革命。目前，单片机因其体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求低、可靠性高、性价比高、易于开发等优点，已经广泛应用于工业控制系统、数据采集系统、智能仪器仪表、办公自动化等诸多领域。，并且已经离开了家。从洗衣机、微波炉到音响、汽车，MCU 随处可见。因此，单片机技术的发展和应用水平逐渐成为一个国家工业发展水平的标志之一。本研究的内容是以单片机为主要控制元件，通过控制脉冲信号来定位步进电机。1.2 步进电机的参数和特性 基本参数 1.电机的固有步距角8 表示控制系统每次发出步进脉冲信号时电机旋转的角度。电机出厂时给定一个步距角，电机给定的值为 0.9/1.8(半步运行为 0.9，全步运行为 1.8)。这个步距角可以称为电机固有步距角，不一定是电机实际工作时的真实步距角。真实的步距角与驾驶员有关。2.步进电机的相数 指电机部分的线圈组数。目前常用的有两相、三相、四相、五相步进电机。步进角度随着电机数量的变化而变化。一般两相电机的步距角为 0.9/1.8，三相电机为0.75/1.5，五相电机为0.36/0.72。3.保持扭矩 指步进电机通电但不转动时，定子锁住转子的瞬间。1.2.2步进电机的特性 1.一般步进电机的精度是步距角的 3-5%，不累加。2.步进电机出现所允许的最高温度。步进电机的高温首先会使电机的磁性材料退磁，导致转矩下降甚至失步。因此，电机表面的最高允许温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。一般来说，磁性材料的退磁点都在 130 摄氏度以上，有的甚至高达 200 摄氏度。所以步进电机外部温度在80-90摄氏度是完全正常的。3.步进电机的转矩会随着转速的提高而降低。步进电机旋转时，电机各相绕组的电感会形成反电动势；频率越高，反电动势越大。在其作用下，电机的相电流随着频率(或转速)的增大而减小，从而导致转矩的减小。4.步进电机低速可以正常运行，但高于一定速度就启动不了，并伴有啸叫。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，可能会失步或失速。在负载条件下，起动频率应更低。如果电机要高速旋转，脉冲频率要有一个加速过程，即起始频率低，然后以一定的加速度上升到所需的高频(电机转速从低速上升到高速)。步进电机以其显著的特点，在数字化制造时代扮演着重要的角色。随着各种数字技术的发展和步进电机技术的提高，步进电机将在更多的领域得到应用。2 总体方案设计 2.1 总体设计框图 为了实现步进电机的加减速定位控制功能，本设计采用了如图 2.1 所示的设计框图。本设计系统采用开环控制，使用 AT89C51 单片机作为脉冲分配器，通过电源接口控制四相步进电机的加减速。键盘控制步进电机启动、加速、停止、定位等各种功能的选择。LCD 实时显示步进电机的运行速度和定位功能，以及步进电机的运行速度和总转数。89C51 单片机系统是整个控制系统的核心。控制系统的各个模块协调工作，在步进电机运行时起到脉冲分配器的作用。液晶显示 班长 图 2.1 总体设计框图 2.2 控制系统芯片的选择 2.2.1 单片机芯片的选择 随着科学技术的发展，微型计算机技术日益发展，并已广泛应用于许多领域。随着集成电路技术的发展，出现了单片机、DSP、ARM 等单片机。AT89C51是一款低压高性能CMOS 8位微处理器，配有 4K 字节 flash 可编程可擦除只读存储器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失性存储器制造技术制造，兼容工业标准 MCS-51 指令集和输出引脚。由于多功能的8 位 CPU 和 flash 存储器结合在一个芯片上，ATMEL 的 AT89C51 是一个高效的微控制器，它为许多嵌入式控制系统提供了一个灵活而廉价的方案6。ARM ARM 相比 DSP，51 单片机的处理速度和运算速度要慢一些，但是体积小，重量轻，价格便宜，速度可以满足本实验的要求，所以我们用的是 AT89C51单片机。2.2.2步进电机驱动芯片的原理及其引脚功能 本设计采用L298N驱动器作为步进电机驱动器。L298N是 SGS-THOMSON微电子公司生产的双全桥驱动器。它包含 4 路逻辑驱动电路，是两相和四相步进电机的专用驱动器，可以同时驱动两台两相或一台四相步进电机。两个带 H 桥的高压大电流双全桥驱动器，接收标准 TTL 逻辑电位信号，可驱动 46V 以下步进电机，2A，可通过电源直接调节输出电压；该芯片可以直接从单片机的 IO 口提供模拟定时信号。L298N 的逻辑图如 2.3 1所示。键盘 89C51 单 片 机 系统 电源接口电路 步进电动机 图 2.3 L298 逻辑图3 双列直插式封装的 L298N 有 20 个引脚。引脚图和引脚功能如下图 2.4 所示。图 2.4 L298N 引脚示意图2 L298N 驱动器的引脚功能如表 2.1 所示。表 2.1L298 引脚功能 引脚 PowerSO 名字 功能描述 1;15 2;19 感觉 A；感觉 B 监控端子 1 和 15 与 PowerSO 的 2 和 19 用法相同。SEN1 和SEN2 是两个 H 桥的电流反馈引脚，不用时可以直接接地。2;三 4;五 out 1；Out 2 1Y1、1Y2 输出 四 六 对 电源电压、此引脚和地必须用一个 100nF 电容连接。5;七 7;九 输入 1；输入 2 1a、1A2 输入，兼容 TTL 电平 6;11 8;14 启用 A；启用 B TTL 电平兼容输入 1EN，2EN 使能端子，低电平禁止输出。八 1,10,11,20 地线 地线 九 12 虚存系统 逻辑电源电压。此引脚必须通过一个 100nF 电容接地。10;12 13;15 输入 3；输入 4 2，2A2 输入，兼容 TTL 电平 13;14 16;17 out 3；Out 4 2Y1、2Y2 输出监控引脚 15 3;18 north carolina 美国北卡罗来纳州州名 未连接为空 2.2.3 显示芯片的选择及其引脚功能 显示模块选择LM016L LCD。LM016L液晶显示器具有功耗低、体积小、重量轻、显示效果好的特点。点阵液晶显示器将液晶控制器、点阵驱动器和字符存储器集成在一块印刷电路板上，形成一个便于应用的液晶模块。这种液晶显示模块不仅可以显示数字和字符，还可以用少量的自定义符号显示各种图形符号，并可以实现屏幕上下、左右滚动、字符闪烁等功能。LM016L液晶显示模块采用HD44780 控制器。HD44780 拥有简单而强大的指令集，可以实现字符移动和闪烁等功能。图 2.5 LM016L 引脚图 LM016L与MCU(微控制器单元)之间的通信可以采用 8 位或 4 位并行传输。LM016L液晶模块的引脚功能见表 2.2。6 表 2.2 LM016L 引脚功能表 插脚数 名字 电平 功能描述 一个 虚存系统 0V 2 电源电压 5V 三 v 字形物-四 标准英语 高/低 h:数据线上的数据信号；l:命令信号在数据线上。五 辐射武器（radiation weapon 的缩写）高/低 h:读取数据模式；l:写数据模式。六 E 高/低 启用信号端子 714 DB0DB7 高/低 数据线；数据同步传输电缆 通过向HD44780写入控制指令，HD44780产生显示驱动信号来驱动LM016L。HD44780 控制指令主要包括:清除显示、返回 Home、进入模式设置、显示开/关控制、功能设置、设置CGRAM的地址(设置CGRAM地址)、设置DDRAM的地址(设置DDRAM地址)、写入DDRAM/CGRAM(将日期写入ddram/cgram)、读取忙标志和地址(从DDRAM/CGRAM读取日期)。3 硬件电路设计 3.1 at89c 51 单片机最小系统 3.1.1 at89c 51 单片机的主要特点和功能特点 主要特点:与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪存 完全静态工作 0Hz-24Hz 3 级程序存储器锁定 28*8 位内存 2 条可编程输入/输出线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗空闲和省电模式 芯片振荡器和时钟电路 3.1.2 AT89C51 引脚分布图和引脚描述 图 3.1 89c 51 单片机的引脚结构 从上图可以看出，89C51 单片机有 40 个管脚，包括 VCC GND GND。这里有一些重要的别针。端口 P0 由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器以及输出驱动电路和控制电路组成。P1 端口是一个准双向端口，用作 I/O 端口。P1 端口是一个带上拉电阻的 8 位双向I/O 端口。P1 端口缓冲器可以接收和输出 4TTL 栅极电流。P2 港比 P1 港多一个多路开关和转换开关控制部分。P2 端口是一个带上拉电阻的 8位双向 I/O 端口。P2 端口的缓冲器可以接收和输出四个 TTL 门电流。当 P2 端口被写入“1”时，其引脚被上拉电阻上拉，用作输入。因此，当它用作输入时，P2 端口的引脚被外部拉低，这将输出电流。这要归功于部委的拉动。P2 端口当它用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器访问时，P2 端口输出地址的高 8 位。P3 是一个多功能港口。P3 引脚是带有部分上拉电阻的八个双向 I/O 端口，可以接收和输出四个 TTL 栅极电流。当 P3 端口被写入“1”时，它们被拉高到高电平并用作输入。作为输入，由于外部下拉至低电平，P3 端口将输出电流(ILL)。这是因为上拉。P3 端口也可以作为 AT89C51 的一些特殊功能端口。引脚替代功能 3.0rxd(串行输入端口)P3.1 TXD(串行输出端口)P3.2/INT0(外部中断 0)P3.3/INT1(外部中断 1)P3.4 T0(定时器 0 的外部输入)P3.5 T1(定时器 1 的外部输入)P3.6/WR(外部数据存储器写选通)P3.7/RD(外部数据存储器读选通)P3 同时接收一些用于闪存编程和程序验证的控制信号。RST:重置输入。当振荡器复位器件时，保持 RST 引脚高电平两个机器周期。3.1.3 单片机最小系统图 AT89C51 单片机在启动时需要复位，使 CPU 和系统各部分都处于一定的初始状态，从初始状态开始工作。MCU 的最小系统如图 3.2 所示。89 系列单片机的复位信号从 RST引脚输入到芯片部分的施密特触发器。当系统处于正常工作状态，振荡器稳定时，如果 RST 引脚上有 2 个机器周期(24 个振荡周期)的高电平，CPU 可以响应并复位系统。上图为手动复位电路。通过打开按钮开关，微控制器进入复位状态。AT89C51 芯片有一个高增益反相放大器，用来构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为 XTAL2。将应时晶体和两端的两个电容连接起来，就可以形成一个稳定的自激振荡器。电容 C1 和 C2 通常在 22pf 左右，可以稳定频率，微调振荡频率。振荡频率范围从 0 MHz 到 24 MHz。4 图 3.2 单片机最小系统 3.2 单片机步进电机加减速定位控制电路原理图 步进电机加减速定位控制系统的单片机原理图如图 3.3 所示。5 图 3.3 步进电机加减速定位系统单片机原理图 在图 3.3 中，U1 是单片机 AT89C51，工作在 11.0592MHz 的时钟，单片机的 P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7 引脚分别对应输入键盘的定位、启动、加速、减速、停止、反转端口。通过判断上述端口来确定输入，从而实现各种所需的控制功能。P3.0接 LM016L的 RS 端，P3.1接 RW 端，P3.3接使能端EN。P0.0-P0.7 通过异或与芯片 LM016L的数据端相连。P3.3 作为外部中断 0，通过两个反相非门连接到键盘电路，提供键盘输入的中断信号。P2.0-P2.3 作为并口模拟步进电机的控制脉冲，同时起到脉冲分配器的作用，为步进电机提供四相八拍的步进控制脉冲。3.3 步进电机系统原理图 步进电机控制系统的驱动原理图如图 3.4 所示。图 3.4 电机控制系统示意图 在电源引脚上并联一个 0.1uf 的小电容的目的是 1。过滤。引入滤波电容的原因是为了获得平滑稳定的电压。因为电容两端的电压不能突然变化，所以可以抑制电压波动，使电压平稳平滑。主要有两个作用:1。消除器件间的交流射频耦合。它可以将器件电源端的瞬时尖峰和毛刺对地短路。2.脱钩:也叫脱钩。芯片 L298N 的 IN1-IN4 端接单片机的 P2.0-P2.3 口，作为步进电机的四相步进脉冲信号。SENSA 和 SENSB 被禁飞，ENA ENB 港口被暂停。输出 OUT1-OUT4 依次逆时针连接步进电机四个角上的四个端口，步进电机中间两个端口直接接高电平。当电机绕组通电时，八个二极管 D1-D8 充当后续电流。VCC+5V 电源作为控制终端的电源电压，VSS+12V电压作为 L298N 高压的电压，作为步进电机的驱动电压。4 软件设计 4.1AT89C51 微控制器定时器/控制器控制 定时器中有两个控制字，通过软件写入两个 8 位寄存器 TMOD 和 TCON，设置两个T0 或 T1 的工作模式和控制功能。当 AT89C51 系统复位时，寄存器的所有位都被清零7。4.1.1 工作模式寄存器 TOMD TOMD 用于控制 T0 和 T1 的工作模式，每个位的定义格式如表 4.1 所示。表 4.1 工作模式寄存器 TMOD 的位定义 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 一般能力倾向测验 C/T M1 军医 大门 C/T M1 军医 定时器 T1 定时器 T0 其中，低四位用于 T0，高四位用于 T1。TCON 控制寄存器 除了字节寻址，定时器控制寄存器 TCON 的每一位也可以位寻址。每个位的定义和格式如表 4.2 所示。表 4.2 控制寄存器 TCON 的位定义 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 89H TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 TCON，你的角色如下。TF1(TCON.7):T1 溢出标志位。0(tcon.5):t0 溢出标志位。其功能和操作与 TF1 相同。TR1(TCON.6):T1 操作控制位。通过软件将 T1 置 1 或清 0，可以启动或关闭 t1。在程序中，使用指令“SETB TR1”将 TR1 设置为 1，定时器 T1 开始计数。TR0(TCON.4):T0 操作控制位。其功能和操作与 TR1 相同。1、it1、it0(tcon.3 tcon.0):外部中断 INT1 和 INT0 请求和请求模式控制位。当 89C51 复位时，TCON 的所有位被清零7。4.2 控制过程的软件设计 脉冲分布 脉冲分配(即上电换向控制)的实现方式有两种:软件方式和硬件方式。软件方法是完全用软件，按照给定的上电换向顺序，通过单片机的 I/O 向驱动电路发送控制脉冲，设置上电换向的四相八拍模式:正序为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，反序为 A-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A 注:p 2.0:A 相驱动，p 2.1:B 相驱动，p 2.2:C 相驱动，p 2.3:D 相驱动。四相和八拍控制字如下表 4.3 所示。表 4.3 四相八拍工作模式控制字 通电 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 控制字 A 0 0 0 一个 01H AB 型血 0 0 一个 一个 03H B 0 0 一个 0 02H 公元前 0 一个 一个 0 06H C 0 一个 0 0 04H 激光唱片 一个 一个 0 0 0CH D 一个 0 0 0 08H 这 0 0 0 一个 01H 通过向端口P2.0-P2.3 连续输出脉冲，控制步进电机的连续运行。4.2.2 加减速定位曲线的设定 当步进电机驱动执行机构从 A 点运动到 B 点时，要经历增速、恒速、减速的过程。如果一开始就把速度提高到给定速度，步进电机就会因为启动频率超过极限启动频率而失步，从而不能正常启动。如果最后突然停止，步进电机会因惯性超调，降低位置精度。如果加速度很慢，步进电机不会失步和超调，但会影响执行机构的工作效率。因此，对步进电机的加减速必须有严格的要求，即保证它能以最快的速度(或最短的时间)运动到可能的指定位置而不丢步和超调。为了满足加减速的要求，步进电机通常按照加减速曲线运行。图 4.1 显示了加速和减速运行曲线。加减速曲线没有固定的模式，一般根据经验和实验得出。最简单的就是匀加速和匀减速曲线。图 4.1 加速和减速曲线 当采用定时器中断方式控制电机转速变化时，实际上定时器的加载值是不断变化的。在控制过程中，为了减少每一步计算加载值的时间，在系统设计时就将每个离散点的速度所需的加载值固化在系统的ROM 中，这样可以大大减少 CPU 时间，提高系统的响应速度。模拟的步进加速和减速曲线如图4.2 所示。50 转/秒 40 转/秒 40 转/秒 30 转/秒 20 转/秒 20 转/秒 10 转/秒 10 转/秒 T/S 0 2 4 6 8 10 20 22 24 26 28 秒 图 4.2 梯形仿真的加减速曲线 4.3 程序流程图 4.3.1 主程序流程图 主程序主要是实现系统资源的整体管理，协调系统的显示，键盘输入，以及步进电机的循环转动。启动定时器和外部中断初始化各变量，最后循环执行电机旋转过程并等待外部中断。如图 4.3 所示。7 开始 初始化定义 打开外部中断 0 和定时器 t 0，并设置初始值。Y 普通 普通 Y Y 图 4.3 主程序流程图 4.3.2 外部中断 0 的中断服务子程序流程图 外部中断 0 服务程序函数通过中断模式判断端口 INT09。如果脉冲下降，则开始检测键盘输入端口的端口 P1，与程序中的设定值进行比较，确定按下了哪个功能键，然后通过各种固化的条件执行相应的中断程序。当检测到开始按钮时，它直接将 1 赋给在主程序中循环执行的标志变量，以直接开始前进程序的执行。当转速设置为10r/s时，启动显示程序，显示“0605044218lxg speed:10r/s”。当检测到stop 键被按下时，直接将主程序中的 flag 变量赋值为 0，停止微控制器向外发送脉冲，开始显示。“测试”在加速和减速期间，每次按下该键时，中断程序开始执行。对比按键前的速度状态，确定下一档给定的速度值，即给出主程序中P2 口发出脉冲之间的延迟时间，并在 LCD 上显示执行结果。当定位键被按下时，其他键被锁定，定时器 T0 的中断服务程序被打开，实现加减速定位功能。实现键盘控制的各种功能。Flag=Flag=反面的 正向旋转 开始 初始化定义 关闭外部中断 0 2 一个 2 一个 Y 案例 1 案例 2 案例 3 案例 4 案例 5 案例 6 Tempflag=1 布雷Tempflag=2 Tempflag=3 Tempflag=4 Tempflag=5 Tempflag=6 P1 出P1 出P1 出P1 出定位过程中变量的初始化 设置初始值 Dingflag=实时显示定位总转速和定位过程中的转速。检测标志 Y 普通 Y 纽约 Y 四 四 四 普通 Y 三 四 三 普通 Y P1 出启动定时器 T0 案例 0 Tempflag=停止电机并显示 Tempflag=启动电机并显示 P1 出P1 出Tempflag=电 机 加 速 并 显示。P1 出Tempflag=电 机 减 速 并 显示。P1 出Tempflag=Flag=Flag=光标纵坐标 四 普通 Y 图 4.4 外部中断 0 服务程序流程图 4.3.3 定时器 T0 的中断服务程序 当检测到键盘中的定位键被按下时，为了实现定位过程中的离散模拟加减速控制，设置定时器T0 来控制定位过程中步进电机的速度变化，即向单片机的 P2 端口发送脉冲的频率，通过设置变化过程中各速度档的运行时间来控制加减速过程中的加速度变化。具体过程是步进电机低速启动不丢步。经过0r/s-10r/s-20r/s-30r/s-40r/s-50r/s的 5 步加速过程，实现50r/s的高速恒速运行，液晶屏实时显示Locate 900r转速:50r/s。运行 10s 后，当到达目标位置时，步进电机将减速，定位后通过 5 步减速50r/s，液晶屏上将显示“停止”。另外，通过计算定位过程中各速度段的累计时间和来确定定位总步数，从而达到精确定位的目的。此外，在定位过程中还锁定了加减速等其他键，保证了定位过程的正确执行。5 模拟过程 KeilC 和 Proteus 连接仿真调试8 在 Proteus 中加载可执行文件，左键双击 AT89C52 原理图，点击加载可执行文件“步进电机.hex”。电 机 反 转 并 显示。电 机 正 转 并 显示。P1 出Int0=EX0=1 目标 点击模拟运行的开始按钮，我们可以清楚地观察到每个引脚的电频率的变化。红色代表高电频率，蓝色代表低电频率。其操作如图 5.1-5.4 所示。图 5.1定位加速过程 图 5.2 向前加速 图 5.3 反向减速 图 5.4 定位结束流程 摘要 步进电机是将脉冲信号转换成相应的角位移(或直线位移)的电磁装置。这是一种特殊的发动机。由于其准确性和良好的性能，在实践中得到了广泛的应用。介绍了一种基于 51 系列单片机 AT89C51的步进电机控制系统，从硬件电路和软件设计两方面实现了对步进电机的控制。本文首先对步进电机进行了概述，然后详细说明了控制系统中芯片的选择。本设计采用 L298N 作为接口驱动芯片，LM016L 作为显示芯片，在 Proteus 上设计了控制系统的硬件连接电路。根据实际情况，考虑了电磁隔离和绕组的连续电流。在硬件设计的基础上，设计了系统运行过程的程序流程图，用 C 程序设计了控制系统的控制程序，用 Keil 进行了调试，然后在 Proteus 上进行仿真，实现了本次设计所需的各种功能。系统采用并行控制，利用单片机的接口线直接控制步进电机各相的驱动电路。键盘作为外部中断源，设置步进电机的正转、反转、加减速、停止等功能。利用中断方法调用中断服务程序，完成步进电机的最优控制。显示器随时间显示正转和反转速度，定位过程由定时器控制。在定位过程中，简单设置一个模拟的加减速阶跃曲线，控制加减速的全过程。这种设计的唯一缺点是固化过程中的加减速时间，不能用于各种加速度控制系统，定位过程中因脉冲泄漏而出现小偏差时也无法检测，所以系统需要进一步改进为带传感器位置检测的闭环控制系统。用软件代替环形分配器，通过设置单片机，用同一电路实现多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性。虽然这种设计只实现了单一功能的应用，但可以作为通用模块使用。通过改变并行输出端口，可以满足不同相位的步进电机控制要求，改变模拟梯形曲线的参数可以满足不同应用条件下的定位要求。随着微电子技术和计算机技术的发展，步进电机的需求量日益增加，在国民经济的各个领域发挥着不可替代的作用。致谢 这个课程设计终于顺利完成了，设计中遇到了很多问题。在理解和设计课题的过程中，得到了老师的悉心指导，收获了很多实用的知识。在这里我表达一下我的感受！同时向所有帮助过我的同学和指导老师表示衷心的感谢。参考 1吴显鼎。模拟电子技术M。南开大学，2010版 2华勤。电子技术基础实验 M。中国计量，2009年版。3宋嘉佑，勒李沁。数字电子技术 M。:工程大学，2011版。4王，陆。MCS-51单片机的原理接口及应用 M。:科技大学，2009版。5邱关源，罗先觉。电路M第 5 版。城市:高等教育，2006年 6 月版。6明建，梅清。传感器技术 M。:清华大学，2005年 10 月版 石敬卓。步进电机伺服控制技术M.:科学，2006 年 7 月 8林廷双，柯昌智。protel DXP 电子电路设计的精彩范例M.:机械工业，2005年 1 月 9王小明。电机的单片机控制M.:航空航天，2002 年 5 月。