步进电机的驱动技术(1).doc

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1、步进电机的细分驱动设计 江苏信息职业技术学院毕业设计报告课题：步进电机的细分驱动设计系 部： 电气工程系 专 业： 电气自动化技术 班 级： 自动化154 姓 名： 李雨 学 号： 1502053423 指 导 教 师： 刘艳红 目录摘要：4第一章 绪论11.1 研究背景11.2 目的意义11.3 设计任务与技术要求2第二章 方案的论证与设计32.1 方案选择32.1.1 基于FPGA方案设计32.1.2基于DSP方案设计32.1.3基于单片机方案设计32.2 方案的确定42.3 方框图的设计52.4 本章小结5第三章 单元电路设计63.1 单片机系统介绍63.1.1 AG02R77单片机的基

2、本组成63.1.2 CPU及8个部件的作用功能介绍如下63.1.3 AG02R77单片机引脚图63.2 单片机系统中所用其他芯片简介73.3 程序存储器2712883.4 数据存储器626493.5 AG02R77单片机扩展电路及分析103.6 PWM信号发生电路设计123.6.1 PWM的基本原理123.6.2 PWM信号发生电路设计123.6.3 PWM发生电路主要芯片的工作原理143.7 芯片4040143.8 功率放大驱动电路设计153.8.1 芯片74LS164性能及特点163.8.2 74LS164的引脚图以及功能163.9 主电路设计183.9.1 延时保护电路183.9.2 主

3、电路183.9.3 输出电压波形203.10 测速发电机203.11 滤波电路203.12 A/D转换203.12.1芯片ADC0809介绍213.12.2 ADC0809的引脚及其功能21第四章 软件程序设计234.1 直流调速系统234.2 单闭环直流调速系统244.3 开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较26致 辞29参考文献30步进电机的细分驱动设计 摘要：细分驱动技术是一种能够改善步进电机低频率特征和提高步进精确度的技术。普遍用于高精确度、低频振动，低噪音系统。譬如自动化控制、精密器械加工、航空航天技术以及所有要求高精度定位、自动记录、自动瞄准等高科技领域。本篇设计先对型号为AG0

4、2R77的51单片机和型号为20BY30XN52步进电机的功能与有点进行概述。然后再给出基于单片机关于步进电动机的细分驱动的具体设计。关键词：自动化控制；步进电机；单片机23步进电机的细分驱动设计第一章 绪论自从上个世纪50年代以来，步进电动机就广泛的应用于数字控制的各个领域中。它凭借自身良好的性能和众多的优点。出世不久便一跃成为了机电一体化方面的宠儿。步进电机的工作原理基于最基本的电磁感应理论。它是将所受到的电流脉冲信号转化为角位移或是线位移的开环控制元器件。步进电机不能直接连接电源工作它必须使用专门的驱动器。步进电机驱动系统性能的优劣，往往取决于两个方面，电机的自身性能好坏与驱动器性能的优

5、劣。必须将步进电机添加驱动器。 驱动方式为脉冲信号，无脉冲，步进电机停止。 添加适当的脉冲信号导致一定角度的旋转（称为步进角度）。 转速与脉冲频率成正比。设计选取是型号为20BY30XN52步进电动机它的步进角速度为18度，自转一圈则为360度，那么将需要20个脉冲信号才能完成。步进电机同时拥有瞬间启动，急速停止的优秀性能。改变脉冲信号顺序，可以便捷地改变电机转动方向。 第二章 方案的论证与设计2.1 单片机方案设计单片机是作为一个控制芯片，总共有40个IO口，它的内部存放着步进电机转角细分电流所需要的数据控波形图表，通过它内部查表所产生数字量化的信号经过DA转换，将数字信号转变为模拟信号，再

6、经过斩波器将模拟的信号量转变成为PWM式的电流信号，再对四相型步进电动机转角过程进行均匀的细分与灵活控制。 图2.1单片机系统方框图单片机是将拥有各功能的部件高度集成的电路芯片，体积也是最小的。所以芯片内部的布线非常短，但不影响它抗外部干扰的能力远远高于一般的CPU。因为单片机内部的程序指令，常数及表格等固化在ROM中所以不易被破坏，众多信号传输通道都在芯片内部，因此可靠性高。同时它的内部从硬件到软件都有一整套完备的按位操作系统，使它在控制系统中存在巨大的优势。为了满足对不同对象的控制要求，单片机指令系统都有着有极极其丰富的条件，如:分支转移的能力，I/O口的逻辑操作和位处理能力，非常适和用在

7、专门的控制系统中。单片机不仅功能特别强大而且价格也十分的低廉，在控制领域有着得天独厚的优势。2.2方框图的设计根据设计要求，系统可细分为以下模块，如液滴速度测量模块，液位检测模块，键盘显示模块，电机系统控制（液滴速度控制）模块。,如图2-2。图2-2 设计框图 2.3 本章小结本章节主要介绍本次毕业设计中单片机的长处，确定用单片机作为核心的数控稳压源，并对单片机的设计及原理给予全面分析。在下个章节中，将对该设计中各个单元电路的具体方案与元器件的选择作进一步阐述。 第三章 单元电路设计3.1 单片机系统介绍3.1.1 AG02R77单片机的基本组成AG02R77 单片机由一个CPU和八个部分组成

8、，全部通过连接到芯片的单个总线进行配置，但其基本结构仍然是普通CPU加外围芯片，然而在其功能单元的控制上采用了具有特殊功能寄存器集中控制的方法。其基本组成如下图所示：图3-1 AG02R77单片机基本组成3.1.2 CPU及8个部件的作用功能介绍如下AG02R77是一个8位80Z55微处理器，8KB程序闪存ROM，256字节的内部存储器（RAM），两个32字定时器和计数器部分是TO和T1,4个8位I / O端口：P0，P1，P2 ，P3，全双工UART串行通信端口等组件。单片机AG02R77空闲模式：CPU停止运行，同时允许RAM，T0和T1，串行端口以及系统继续运行。单片机 AG02R77掉

9、电模式：为了保存RAM的所有内容，振荡器立即停止工作并停止所有其他芯片功能运作，直到下一次硬件复位。 微控制器AG02R77用于许多控制系统，以提供灵活和低成本的解决方案。 充分利用片上资源，即使外围电路的数量非常少，可以形成功能更强大的超声波测距系统。3.1.3 AG02R77单片机引脚图图3-2 AG02R77单片机引脚图3.2 单片机系统中所用其他芯片简介1.地址锁存器74LS68674LS686片内是8个输出带三态门的D锁存器。其结构如下图所示：图3-3 74LS373片内三态门的D锁存器当使能端G为高电平时，锁存器的内容被更新，同时可以返回低电平时刻完成锁存。 当此时芯片的输出端OE

10、为低电平时，也就是说，当输出三态门的状态被释放时，锁存器的地址信息可以通过三态门。以下是其引脚图： 图3-4 74LS37引脚图3.3 程序存储器27128(1)芯片引脚 图3-5 程序存储器27128引脚图（2） 功能表 3-1功能表3.4 数据存储器6264（1）芯片引脚图3-6 数据存储器6264芯片引脚（2）芯片功能表表3-2 芯片功能表3.5 AG02R77单片机扩展电路及分析图3-7 AG02R77单片机扩展电路接线分析表3-3 P3口功能表 3.6 PWM信号发生电路设计3.6.1 PWM的基本原理在由PWM驱动控制的整个控制系统中，电源以相同的固有频率开启/关闭，并且可根据需要

11、更改一个周期的“连接”和“关闭”长度。 为了达到控制电机转速的目的，改变了步进电机电枢电压“占空比”的方法以改变平均电压大小的目的。 所以PWM被称为“开关驱动”。如下图所示： 图3-8 时序图假设电机一直连接电源时，电动机最大转动速度为Vmax，假设占空比为D= t1 / T，则电动机的平均转度为Va = Vmax * D。终上所述，通过改变占空比D = t1 / T，可以找到不同类型的电机平均速度Vd以达到改变速度的目的。 严格意义上，平均旋转速度Vd和占空比D不是线性的，而是可以在现实应用中当作线性关系。3.6.2 PWM信号发生电路设计图3-9 PWM信号发生电路上图中的两组数值比较器

12、Lv 8729v，U2，U3 A连接到12位串行4040计数输出Q2-Q9，而U2，U3 B组连接到微控制器P1端口。 通过简单地改变P1端口的输出值，就可以通过改变PWM信号的占空比来达到调节速度控制的目的。3.6.3 PWM发生电路主要芯片的工作原理1芯片Lv8729v（1）芯片Lv8729v的用途：通过对A和B两组的4位并行数值进行比较，来判断两者之间的大小关系是否相等。（2）芯片Lv8729v的功能表：表3-4 芯片Lv8729v的功能表（3）芯片Lv8729v的引脚图：图3-10 芯片Lv8729v的引脚图3.7 芯片4040 有芯片4040都是主从触发器。从时钟下降沿进行倒数。 当

13、CR为高电平时，计数器清零。 由于施密特触发器用于时钟输入，因此脉冲上升和下降没有时间限制，所有输入和输出得到缓冲。（1）芯片4040的极限值：（2）芯片4040引出端功能符号：CP: 时钟输入端 CR：清除端 Q0Q11：计数脉冲输出端VDD: 正电源 VSS: 地端（3）芯片4040功能表：表3-5 芯片4040功能表输入输出CPCR*LLH保持计数所有输出端均为L（4）芯片4040的引脚图：图3-11 芯片4040的引脚图3.8 功率放大驱动电路设计该采用了74LS164芯片，引脚功能如下：芯片参数：174LS164的极限参数和限制：274LS164的推荐工作条件：图3-12 74LS1

14、64芯片3.9 主电路设计3.9.1 延时保护电路主程序初始化模块，接收来自传感器的信号，处理信号，调整输出信号，控制电机的旋转，并扫描键盘进行动态显示。 使用完整的74LS164芯片设计可以实现延时保护电路。R 2110可以在两个通道信号输入之间提供适当的延迟，并且在施加到驱动逆变器桥的桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间存在时间延迟。这确保了防止直接功率通路 通过同时导通逆变器桥中的两个功率MOS器件而产生。3.9.2 主电路为了能够提供在必须存在操作开关的低压侧的前提下对产生高压侧栅极驱动电压的路径进行充电的自举电容器，有必要提供一个高电平它必须在两者之间关闭。因此，在该电路中，Q1

15、，Q4或Q2，Q3是连续的，并且不可能连续导通。可以捕获双PWM信号来控制步进电机的正转和转速。这样，两个芯片输出的信号反过来连接到IC2 HIN，HIN的LIN端的一端，并连接到IC1和IC2的LIN端。HIN为高电平时，Q1和Q4导通，正向工作电压加在步进电机上。具体程序如下。当IC1的LO为低电平且HO为高电平时，Q2截止，C1的电压通过VB，IC1和HO的内部电路被加到Q1的栅极，Q1导通。同样，IC的内部电路和HO通过VB被施加到Q4的栅极端子，对于低电平HO和LO是高电平的，Q3关断，并且Q4被施加到Q4的栅极端子。Q 1通过步进电机给正电机通电后，通过Q4达到零电位，电路完成进行

16、通电步进电机正向旋转。当HIN为低电平时，LIN输入为高电平，Q2，Q3导通，输入的步进电机变成反向电压。当IC1的LO为高电平且HO为低电平时，Q2导通，Q1关断。此时，Q2漏极接近零电平，Vcc通过D1充电至C1，并再次准备导通Q1。同样，为了理解高电平HO和LO低电平IC 2，这次通过C 3 D 2，Q 4，Q 3和Q 4对Vcc充电，Q 3的漏极接近零电平，I将被重新开启。做好准备。通过步进电机给电机负极供电后，当通过Q2达到零电位时，电路也完成通电步进电机反向工作。因此，电枢的工作电压是双极矩形脉冲波形，并且由于机械惯性，电机的转向和速度是矩形脉冲电压的平均值。HIN信号的占空比为D

17、 = t 1 / T。当电源电压设置为V. ，平均电枢电压如下。Vout = t 1 - （T-t 1） V / T=（2t 1 -T）V / T=（2 D - 1）V将负载电压系数定义为，= Vout / V，设定= 2D-1，如果T恒定，则改变HIN高电平时间t 1，改变占空比D，并将V out设为0，因为它在1和 1，在1之间变化。通过接触变化可以实现电机前进无级调速。当= 0.5时，V out = 0，电机速度为0。当0.5 1时，V out为正，电机为正，当= 1时，V out = V，电机以最大速度运行图3-14 主电路3.9.3 输出电压波形图3-15 输出电压波形3.10 滤波

18、电路 图3-16 滤波电路3.11 A/D转换3.11.1芯片ADC0809介绍ADC0809是8位、逐次比较式A/D转换芯片，具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一的+5V电源，其模拟量输入电压的范围为0V-+5V，其对应的数字量输出为00H-FFH，转换时间为100s，无须调零或者调整满量程。3.11.2 ADC0809的引脚及其功能ADC0809有28个引脚，其中IN0-IN7接8路模拟量输入。ALE是地址锁存允许，、接精准电源，基准电源的精度不能太高，电源可以作为基准电源使用。 START是芯片的起始引脚，并在脉冲的下降沿开始新的A / D转换。 EOC是转换信号的结尾，可用于中断单

19、片机应用程序或单片机查询。 OE是输出使能端。 CLK是时钟的结束。 DB0 - DB7是数字输出。 ADDA，ADDB，ADDC地址线用于选择八个输入中的一个，详见下图。图3-17 ADC0809的引脚表3-6 ADC0809功能ADDCADDBADDA选通输入通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7 是循环查询方式，来显示和控制点滴的速度。 第四章 软件程序设计4.1 直流调速系统 直流调速是指人为或自动改变直流电机的转速，以满足工作机械的要求。 从机械的角度来看，通过改变电机参数或外部处理电压来改变电机的机械性能，就可以改变电机

20、机械特性与机械特性的交集机械特性， 使速度发生变化。图4-1 流程图在正常情况下，速度可能达到给定环节的中间，放大，补偿，反馈和保护。 称为开环控制系统，不可能自动校正给定速度控制系统的偏差。 该速度调节系统的电机速度受到负载波动和电源电压波动等干扰的影响。 电机速度可以自动纠正与给定速度的偏差，并且不受负载和电网电压波动等干扰的影响。 因为闭环控制系统中存在反馈电路。电气传动控制系统通常由三部分组成：电机，控制装置和信息装置。 为了满足机械和工艺要求，可以遵守时间控制中的命令规定，例如电动机起动，制动，转向，位置，速度和加速度。 4.2 单闭环直流调速系统在单回路直流调速系统中，唯一的电流超

21、过了临界电流值IIR限制涌入电流，则负反馈回路被设计为控制电流，而非强负反馈效应中断适用于控制动态电流波形。目前，当速度波形开始关闭时，带有单个系统直流回路的负反馈电流，如图1-1a所示。即使电流从电极的最大转矩减小，电机也不可避免地降低了加速度。在有限的情况下，所需的最大电动机电流（或转矩）允许完全使用电动机过载，保持在优选过程中允许的最大电流在当前传动系中是一个问题（可能一旦启动了最大可能的最大加速度，可以稳定，稳定地减小，在稳定运行后立即转换负载转矩平衡后，转速，电流，这个理想的起动波形就是在这一点上，起动电流是一个方波，如图1-1B所示，线性转速增加，这是最快的启动速度控制系统可以限制

22、我将要达到的最大电流（或转矩）。实际上，由于主电路电感的影响，电流数据不会突然改变。只能获得理想波形的近似值，并且不能令人满意地达到。为了以最快的速度开始权利条款，关键是当前Idm的最长持续时间，过程不能改变。反馈控制法中，物理量的负反馈量需要能够使用几乎恒定电流的负反馈电流的过程中，它可能保持基本恒定。在负反馈期间简单地启动电流的问题在于，只要所需的负反馈电流速度在负反馈后达到一定速度，对于负反馈，将速度施加到调节器的输入端，就可以不起作用。我们这样做，但速度和当前的负面反馈，他们只在不同的阶段工作。要解决这个问题，请使用双闭环直流调速系统。 b) 理想图4-1 直流调速系统启动过程的电流和

23、转速波形带PI调节器的闭环速度反馈系统保证动态稳定性，保证静动态变化，并解决静态和动态冲突。 但是，它不受限制。 电流负反馈可能会限制启动电流，但启动电流瞬间达到最大允许值，而剩余时间变短。 启动过程缓慢，同时机械性能非常柔和。 电机的整个启动过程必须始终保持最大的启动转矩。最后，实现理想过程的关键是控制电流波形 图4-2 生产机械工作工程在转换过程中，电枢电流尽可能最大化，转换完成后电枢电流更快达到稳态值。东西方机械特性曲线应具有速度负反馈和负反馈铲电流反馈特性的绝对硬特性。 当单个闭环非定常速度控制系统同时引入速度负反馈和电流负反馈时，将兼顾性能要求。 起动电流波形几乎没有改善，但仍存在速

24、度差异。 因此，引入双回路和多回路速度控制系统。4.3 开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较V-M的开环系统，它的机械特性方程为而同时闭环的静态特性方程可写为公式中的分别为开闭环系统的理想空载转速； 分别为两者系统中的稳态速降。闭环与开环特性比较 静态速降小，特性硬 在相同负载的情况下，两者的转速降落分别为 则两者的关系是： 系统的静差率小，稳速精度高 两者的静差率分别为 和 当 时 当要求的静差率一定时，闭环系统可调控范围得到充分的提升假设电动机的最高转速都为时，同时对最低速静差率s要求相同，则两者的调速范围分别为 将式代入上式，得 终上所述的三个优点如果都奏效，关键在于一点，就是K的值要

25、足够大，正因如此所以必需设置电压放大器。结论：在保证有一定静差率前提之下，闭环系统可以比开环系统拥有更加全面的稳态特性，提高了可以调控速度的范围，但是必须增加检测与反馈装置与电压放大器。 结 论本设计所提供步进电机驱动电路结构十分简单，直接与AG02R77进行接口，并且简单只需输入脉冲和方向两个控制信号，大大节约了软硬件的开发时间。虽简单易行，但由于延时时受CPU主频影响，经常导致在低频微机上开发的控制程序切换至到高频微机上时不能正常运作。有时微机频率太高步进电机会出现瘫痪的现象。而步进电机的转速还受到本身频特性的限制，容易产生失步甚至无法运作现象。所以设计时应满足负载力矩与运行频率之间的既定

26、关系。本设计所阐述的步进电动机的闭环调速系统是用低价位的单片机AG02R77作为核心的，而通过单片机控制实现电机调整，相对于其他使用软硬件方法对电机运作进行调控，采用PWM则更具灵活性与低廉的成本，它展示了单片机的优越效能，对简单速控系统的实现是行之有效的方法。关于，采取PLD的算法来确定闭环控制的补偿量。我想用一个微控制器直接产生一个PWM波形，但效果并不理想，我放弃了。 通过增加少量硬件，可以降低单片机压力，系统有足够的时间测量，控制和计算闭环控制，使软件操作更加合理和可靠。致 辞首先，我感谢刘艳红老师对我毕业设计的指导和严格要求。 我还要感谢学校里帮助我完成毕业设计的其他老师和学生，尽你

27、们所能帮助我。 我才可以完成我的毕业作品，我衷心感谢师生们。在这个毕业设计中，我特别感谢您仔细耐心的指导以及设计过程中遇到的许多具体问题。 这件事事情在毕业设计的成功中发挥了非常重要的作用。 在这个毕业设计中，我学到了许多未知的知识。 加深了对单片机的理解和应用以及基础的实际使用。 学习如何使用单片机和电机速度控制系统来解决实际问题。 我很感谢我的同学们在设计过程中给予的帮助。最后我要感谢我的家人们，是他们默默地支持与鼓励我，在生活与学习中给予我莫大的关爱，成为我前进的方向上的指明灯塔使得我有信心面对一切，走出大学的校园，踏上社会的征途。给予关心与呵护的人太多以至于我根本无法一一列举出来，对你

28、们一起表示衷心的谢意。 参考文献1 张英平; 张汉强; 张金鹏; 陆海天.智能液体点滴监控系统的设计.吉林师范大学学报(自然科学版).2017-08-10.2 胡应坤; 赵文龙; 郑俊鹏; 全颂华.基于ZigBee无线远程监控的点滴输液控制系统.电子世界.2017-03-08.3 张姣.液体点滴监控装置设计.机电信息.2015-05-25.4 李浩.液体点滴监控装置.电子制作.2015-05-22.5 徐光宪; 郭琳; 陆伟.智能输液监控系统的设计与实现.激光杂志. 2014-09-20.6 贺焕林; 王双红.一种具有遥控功能的液体点滴速度监控装置的设计.计算机测量与控制.2014-05-25

29、.7 蒋煜灿.基于单片机的医疗点滴输液控制系统设计.电子技术与软件工程. 2014-04-24.8 丛德辉.基于单片机的液体点滴速度监控装置设计.科技创新与应用.2014-04-18.9 易红永.基于内压式点滴输液智能监控系统的研究.五邑大学. 2013-05-28.10 周文液体点滴速度自动监控系统的设计林区教学2012-10-1511 陈珏晓; 程显佳; 杨雪莲; 薛建飞; 董鑫基于单片机的液体点滴速度监控装置设计.长沙通信职业技术学院学报.2012-03-15.12 杨秀娟.液体点滴速度监控装置.科技传播.2011-09-23.13 夏淑丽.智能液体点滴监控系统的设计.电子技术应用.2011-09-06.14 滕春阳; 孙长江; 随顺科.基于单片机系统的液体点滴速度监控装置的设计.信息安全与技术.2011-08-10.15 张江伟; 夏淑丽.液体点滴速度监控装置.中国教育技术装备.2010-09-25.16 汪国桢.基于89C51的液体点滴速度监控系统设计.微计算机信息.2010-09-15.17 吴今哲.液体点滴速度监控装置.科技信息.2010-09-05.