步进电机加减速定位控制系统课程设计说明书.pdf
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1、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
2、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、。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
4、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
5、,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、
6、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
7、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
8、 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
9、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。
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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)
15、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
16、 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
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