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单片机控制步进电机正反转的设计.doc

单片机控制步进电机正反转的设计

刘让功
2017-09-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《单片机控制步进电机正反转的设计doc》,可适用于综合领域

单片机控制步进电机正反转的设计专业名称电子信息科学与技术申请学士学位所属学科指导教师姓名、职称年月日摘要摘要目前数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展推动了步进电机的发展。在当今社会的各个领域步进电机无处不在应用领域涉及机器人、工业电子自动化设备、医疗器件、广告器材、舞台灯光设备、印刷设备、计算机外部应用设备等等。虽然步进电机已被广泛地应用但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它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。因此设计步进电机具有重要的现实意义和实用价值。本论文首先分析了步进电机的基本原理和特点步进电机实现启停、加速、转向、位置控制的方案及WZMHM混合式步进电机驱动电路其次讲解了C单片机引脚功能及特点接着综合地阐述了整个系统的设计思路及组成框图然后逐步讲解了各模块电路的实现方法最后设计了控制步进电机正反转的程序以实现论文目的。关键词:单片机C步进电机WZMHMIABSTRACTABSTRACTCurrently,digitaltechnology,computertechnologyandtherapiddevelopmentofpermanentmagnetmaterialspromotethedevelopmentofasteppermotorToday,steppermotorsexisteverywhereinallareasofsociety,applicationsinvolvingrobotics,industrialelectronicsautomationequipment,medicaldevices,advertisingequipment,stagelightingequipment,printingequipment,computerperipheralapplicationandsoonAlthoughthesteppermotorhasbeenwidelyused,thesteppermotordoesnotusedlikeanormalDCmotor,ACmotorintheroutineItmustbeusedbeforedoubleringpulsesignaldrivecircuitcomposedofcontrolsystemTherefore,thedesignofsteppingmotorhasimportantpracticalsignificanceandpracticalvalueThisdesignfirstanalyzesthebasicprinciplesandcharacteristicsofthesteppermotor,startandstop,acceleration,steering,controlprogramsofthepositionandWZMHMhybridsteppermotordrivecircuit,thenexplainesthefunctionsandcharacteristicsoftheCmicrocontrollerpin,followed,thisdesigncomprehensiverepresentstheoverallsystemdesignconceptandcompositionofthediagram,andthengraduallytoexplainthemethodofeachmoduleimplementationofthecircuit,finallydesigntheprocesstocontrolthesteppermotorpositivingreversioninordertoachievethedesignpurposeKeywords:SCMCsteppermotorWZMHMII目录目录言引步进电机的发展概况及现状单片机的发展概况及现状本论文的选题和研究内容步进电机的工作原理步进电机常识步进电机的步进原理步进电机起动及加减速控制步进电机的换向控制步进电机的位置控制WZMHM混合式步进电机驱动器介绍产品特点电源说明控制信号细分数及相电流设定外形尺寸单片机简叙什么是单片机C单片机引脚功能及运行介绍单片机引脚功能单片机正常工作所需基本连线系统的设计思路系统的设计框架步进电机接线及其驱动电路模块数码管显示电路模块数码管显示电路的选用数码管显示电路的设计键盘电路模块程序设计结果分析与总结参考文献致谢III泰山学院本科毕业论文引言步进电机的发展概况及现状传统电动机作为机电能量转换装置在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统其中较有自己特点且应用十分广泛的一类便是步进电动机。现在步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后使其设备的性能提高很快地促进了步进电动机的发展。另一方面微型计算机和数字控制技术的发展又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。任何一种产品成熟的过程基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜性能指标不高混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机由于混合式步进电动机具有控制功率小运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最典型的产品是二相极齿的电动机步距角,(全步,半步)还有五相极齿和一些转子齿的二相和五相步进电动机五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。步进电动机最大的生产国是日本如日本伺服公司、东方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等特别是日本东方公司无论是电动机性能和外观质量还是生产手段都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量(含国外独资公司)近亿台。另外HB型电动机更适合于低速大转矩用途RM型适用于平稳运行以及转速大于rmin的用途而PM型成本低在低转速时的振动和高转速时的大转泰山学院本科毕业论文矩方面三相PM型电动机比两相电动机的性能要好。因此当前最有发展前景的当属混合式步进电动机。单片机的发展概况及现状单片机自年代问世以来得到蓬勃发展目前单片机功能正日渐完善:、单片机集成越来越多资源内部存储资源日益丰富用户不需要扩充资源就可以完成项目开发不仅是开发简单产品小巧美观同时系统也更加稳定目前该方向即是发展为SOC(片上系统)。、单片机抗干扰能力加强使的它更加适合工业控制领域具有更加广阔的市场前景。、单片机提供在线编程能力加速了产品的开发进程为企业产品上市赢得宝贵时间。、在线编程目前有两种不同方式:、ISP具备ISP的单片机内部集成FLASH存储器用户可以通过下载线以特定的硬件时序在线编程但用户程序自身不可以对内部存储器做修改。这类产品如ATMEL系列。、IAP具备这种特性的单片机厂家在出厂时内部写入了单片机引导程序用户可以通过下载线对它在线编程用户程序也可以自己对内存重新修改。这对于工业实时控制和数据的保存提供了方便。这类产品如SST的系列。、在线仿真变的容易。用户一旦开发一个比较大的系统开发调试变的非常复杂同时由于单片机资源有限不能象PC一样直接调试自己的软件于是出现了品种繁多的专业仿真器为用户的开发提供了强大功能加速了开发进程降低了开发难度同时这类仿真器也给中小型用户带来沉重的经济负担目前已经有公司推出了可以在线调试的单片机这类单片机采用标准JTAG接口JTAG是一种标准(IEEE。)是为测试芯片而制定的目的是用TCK、TDI、TDO和TMS四个信号来测试芯片的内部状态发展趋势:i低功耗CMOS化MCS系列的推出时的功耗达mW而现在的单片机普遍都在mW左右随着对单片机功耗要求越来越低现在的各个单片机制造商基本都采用了泰山学院本科毕业论文CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象C就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低但由于其物理特征决定其工作速度不够高而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点这些特征更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径ii微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上增强型的单片机集成了如AD转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上这样单片机包含的单元电路就更多功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做制造出具有自己特色的单片机芯片。此外现在的产品普遍要求体积小、重量轻这就要求单片机除了功能强和功耗低外还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式其中SMD(表面封装)越来越受欢迎使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。本论文的选题和研究内容现今步进电机已被广泛应用但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它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。因此设计步进电机具有重要的现实意义和实用价值。本课题主要研究讨论步进电机基本工作原理及用单片机实现步进电机启停、加速、转向、位置控制的方案。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助同时希望利用单片机的自动化提高生产力、生产安全和降低劳动强度。步进电机的工作原理步进电机常识泰山学院本科毕业论文常见的步进电机分三种:永磁式(PM)反应式(VR)和混合式(HB)永磁式步进一般为两相转矩和体积较小步进角一般为度度反应式步进一般为三相可实现大转矩输出步进角一般为度但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家年代已被淘汰混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为度而五相步进角一般为度。这种步进电机的应用最为广泛。步进电机的步进原理步进电机是一种用电脉冲信号进行控制并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。说通俗点就是给一个电脉冲步进电动机就转动一个角度或者前进一步因此步进电机也称脉冲电动机。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是它是通过输入脉冲信号来进行控制的即电机的总转动角度由输入脉冲数决定而电机的转速v由脉冲信号频率f决定可用(公式)表示。v=φ*f(公式)其中φ由步进电机的步进角决定。步进电机是数字控制电机它将脉冲信号转变成角位移因此非常适合于单片机控制。步进电机的角位移或线位移量与电脉冲个数成正比它的转速或线速度与电脉冲频率成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。通过改变脉冲频率的高低可以在很大范围内实现步进电机的调速并能进行快速启动、制动和反转。步进电机起动及加减速控制速度控制中加减控制是最基本的控制。电机由静止到达设定的最大的速度所需的时间是由调试决定的。加速度太大电机甚至不能克服惯性而失步加速度太少则完成指定的运动耗费时间太多加速度有两中方案:线性加减速度控制和等步距加减速度控制。前者规定从加速度开始每一加速度周期指令电机速度递增相同的增量f后者则是要泰山学院本科毕业论文求每一加速度周期电机走过相同的步数。等步距加减速度控制的优点在于加减过程中电机走的步数可以非常精确的计算这一点对于加减的位置控制非常重要但从电机要克服惯性力来看线性加速方案好些。调试也方便。线性加减控制曲线如图:图线性加速控制曲线其中f可以用公式(公式)求出。f=(ff)n(公式)其中n为加速过程的台阶数减速控制也类似只是f为负值。步进电动机的最高起动频率(突跳频率)一般为KHz到KHz而最高运行频率则可以达到N*KHz。以超过最高起动频率的频率直接起动将出现“失步”现象甚至无法起动。较为理想的起动曲线应是按指数规律起动。但实际应用对起动段的处理可采用直线拟合的方法即“阶梯升速法”。可按两种情况处理:已知突跳频率则按突跳频率分段起动分段数为n=ffq(公式)未知突跳频率则按段拟合至给定的起动频率每段频率的递增量(后称阶梯频率)f=f,即采用段拟合。在运行控制过程中将起始的速度(频率)分为n分作为阶梯频率采用“阶梯升速法”将速度连续升到所需要的速度然后锁定按预置的曲线运行。如图所示:泰山学院本科毕业论文图阶梯升速起动用单片机实现步进电机的加减速控制实际上就是控制发脉冲的频率升速时使脉冲频率增高减速时相反。如果使用定时中断来控制电机的速度加减速控制就是不断改变定时器的初值。速度从VV如果是线性增加则按给定的斜率升降速如果是突变则按“阶梯升速法”处理。在此过程中要处理好两个问题:速度转换时间应尽量短为了缩短速度转换的时间可以采用建立数据表的方法。结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率便可以建立一个连续的数据表并通过转换程序将其转换为定时初值表。通过在不同的阶段调用相应的定时初值控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的并不占用中断时间保证电机的高速运行。保证控制速度的精确性要从一个速度准确达到另外一个速度就要建立一个校验机制以防超过或未达到所需速度。步进电机的换向控制一般来说驱动器的输入共有路它们是:步进脉冲信号CP、方向电平DIR、脱机信号FREE。它们在驱动器内部分别通过限流电阻接入光藕的负输入端且电路形式完全相同在这三路输入信号的共同的控制下驱动器将输入合适的电流来控制步进电机完成指定的操作。另外驱动器一般有一个接入端OPTO该端口为三路信号的公共正端。三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式所以OPTO端须接外部系统的VCC并在需要的情况下加限流电阻R保证驱动器内部泰山学院本科毕业论文光藕提供合适的驱动电流。步进脉冲信号CP步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置与速度也就是说:驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机一个旋转的步距角CP脉冲的频率改变则会使步进电机的转速改变控制CP脉冲的个数则可以使步进电机精确定位。方向电平DIR方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向此端为高电平时电机一个转向此端为低电平时电机转向另外一个方向电机转相必须在电机停机后进行并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。脱机电平信号FREE当驱动器上电后步进电机处于锁定状态(未施加CP脉冲时)或者运行状态(施加CP脉冲时)但当用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源这时就可以用到此信号当此信号起作用时(低电平有效)电机处于自由无力矩状态当此信号为高电平时或悬空不接时取消脱机状态。此信号用户可选用如果不需要此功能此端不接即可。步进电机换向时一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出。如(图)所示。对于CP脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度(一般不小于μs)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速换向升速三个过程。图转向信号起作用的时刻泰山学院本科毕业论文步进电机的位置控制步进电机的位置控制是指要求电机从当前位置转过一个给定的步数。电机不丢步数这一控制的实际。就是要求精确地发出定量的步进脉冲例如机器人再现工作时的启动信号后要走到示教时给出的初始作业位置就是用到位置控制。不过不带加减速控制位置控制很容易实现的。将发给电机的脉冲用计数器通道计数到最后通过CPU停发脉冲就是了。但是这种不带加减速的位置控制除非速度特别低否则会在起停时造成器械冲击、失步。图示出了带加减速控显然制的速度曲线此曲线、跟T轴间包含的面积正比于电机走过的步数S电机走过的总步数S由三部分构成:加速阶段电机走的步数向阶梯段电机走过的步数和减速阶段电机走的步数。图位置控制速度曲线WZMHM混合式步进电机驱动器介绍产品特点a)每相最大驱动器电流为安培b)采用无过流专利技术c)采用国外进口电力电子元器件d)可选择电流半流e)细分数可选()泰山学院本科毕业论文f)对应的微步距角分别为(度一个脉冲、度一个脉冲、度一个脉冲)g)所有输入信号都经过光电隔离h)斩波频率f=KHZi)电机的相电流为正弦波电源说明直流VV(输入电压)。驱动电流:每相最大驱动器电流为安培。图电源及驱动器连接图控制信号输入回路上输入电流为mA,mA,一般使用输入电流mA。脉冲信号(CP)方向信号(CW)输入回路上外部电阻(R)阻值由输入电压确定。如果输入电压超过V请参照表加装外接电阻R限流。表输入电压及对应外部电阻值泰山学院本科毕业论文细分数及相电流设定表细分数及相电流设定外形尺寸图WZMHM外形尺寸单片机简叙什么是单片机单片机是一种集成在电路芯片是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种IO口和中断泰山学院本科毕业论文系统、定时器计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、AD转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。C单片机引脚功能及运行介绍单片机引脚功能C单片机共有个引脚这个引脚大致可分为类:电源、时钟、控制和IO引脚。如图所示。、电源:VCC芯片电源接VVSS接地端、时钟:XTAL、XTAL晶体振荡电路反相输入端和输出端。、控制线:控制线共有根ALEPROG:地址锁存允许片内EPROM编程脉冲ALE功能:用来锁存P口送出的低位地址PROG功能:片内有EPROM的芯片在EPROM编程期间此引脚输入编程脉冲。PSEN:外ROM读选通信号。RSTVPD:复位备用电源。RST(Reset)功能:复位信号输入端。VPD功能:在Vcc掉电情况下接备用电源。EAVpp:内外ROM选择片内EPROM编程电源。EA功能:内外ROM选择端。Vpp功能:片内有EPROM的芯片在EPROM编程期间施加编程电源Vpp。、IO线C共有个位并行IO端口:P、P、P、P口共个引脚。P口还具有第二功能用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。泰山学院本科毕业论文图C单片机引脚图及引脚功能单片机正常工作所需基本连线、电源:单片机使用的是V电源其中正极接管脚负极(地)接管脚。、振蒎电路:单片机是一种时序电路必须供给脉冲信号才能正常工作在单片机内部已集成了振荡器使用晶体振荡器接、脚。只要买来晶体震荡器电容连上即可。、复位管脚:按图中画法连好其中号引脚即为RESET。图复位管脚连接图、EA管脚:EA管脚接到正电源端。至此一个单片机就接好通上电单片机就开始工作了。系统的设计思路泰山学院本科毕业论文系统的设计框架图系统的设计框架图步进电机接线及其驱动电路模块电机型号:H驱动器引脚:VCCVGND地线A电机绕组(接黑线)A电机绕组(接绿线)B电机绕组(接红线)B电机绕组(接蓝线)CPVCPPCWVCWP驱动器的连接如图所示。泰山学院本科毕业论文图驱动器接线图数码管显示电路模块数码管显示电路的选用方案一:串行接法设计中要显示位数字用LS作为显示驱动其中带锁存使用串行接法可以节约IO口资源但要使用SIO发送数据时容易控制。方案二:并行接法使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据占用资源较多。由于设计中用一块单片机进行控制资源有限选择了方案一。另外使用锁存也起到节约资源的作用。数码管显示电路的设计数码管的显示驱动使用LS通过SPCEA的IOB和IOB口对DATA和CLK发送数据。其设计图如图所示。泰山学院本科毕业论文图数码管显示电路设计图键盘电路模块键盘主要用来提供人机接口在本设计中使用了标准的x键盘其电路图如下图所示。尽管设计中只需要个键对步进电机的状态进行控制但考虑到对控制功能的扩展我们使用了x的键盘。键盘电路的设计图如图所示。图键盘电路设计图泰山学院本科毕业论文程序设计显示电路及键盘电路的设计思路已在前面给出程序的设计不再赘述现主要给出程序控制部分的程序设计:#include<regh>#include<ctypeh>#include<stringh>#include<stdlibh>#include<stdioh>#include<mathh>#include<absacch>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitcp=P^sbitcw=P^sbitkey=P^sbitkey=P^sbitkey=P^sbitkey=P^ucharcodeHBY={,,,}ucharcodeLBY={,,,}ucharspeed=ucharHBIT,LBIT,nucharstart,enducharkeyvoidworkway()ucharJP(void)voidsubspeed()voidaddspeed()泰山学院本科毕业论文voidmain(){ucharjTMOD=xTH=xcTL=xffET=EA=cp=while(){key=JP()workway()if(start){TR=}if(end){TR=cp=end=}}}voidworkway(){switch(key){case:startif(start>){start=end=}泰山学院本科毕业论文breakcase:ncw=if(n>){cw=n=}breakcase:addspeed()breakcase:subspeed()breakdefault:break}}voidaddspeed(){speedif(speed>){speed=TH=HBYTL=LBY}else{TH=HBYspeedTL=LBYspeed}}voidsubspeed(){泰山学院本科毕业论文speedif(speed<){speed=TH=HBYTL=LBY}else{TH=HBYspeedTL=LBYspeed}}ucharJP(){uchark=while((Pxf)!=xf){if(key==)k=if(key==)k=if(key==)k=if(key==)k=}returnk}voidtimedrive()interruptusing{泰山学院本科毕业论文TH=HBYspeedTL=LBYspeedcp=~cp}结果分析与总结本论文首先分析了步进电机的基本原理和特点步进电机实现启停、加速、转向、位置控制的方案及WZMHM混合式步进电机驱动电路其次讲解了C单片机引脚功能及特点接着综合地阐述了整个系统的设计思路及组成框图然后逐步讲解了各模块电路的实现方法最后设计了控制步进电机正反转的程序以实现论文目的。本系统经实验验证,达到了预期的设计目的。本系统具有通用性,在使用步进电机的场合都能够使用。对于不同的步进电机,可以通过修改相应的电路及相关程序来实现。泰山学院本科毕业论文参考文献陈粤初(单片及应用系统设计与实践M(北京:北京航空航天大学出版社(何立民(单片机应用系统设计M(北京:北京航空航天大学出版社(杨滁光,徐德好步进电机的单片机控制方法探讨仪器仪表用户J,年期(刘星辰,刘东斌,杜鹏步进电机控制系统的设计与实现J微计算机信息,年期(刘国荣(单片微型计算机技术M(北京:机械工业出版社(王福瑞(单片微机测控系统设计大全M(北京:北京航空航天大学出版社(何立民(单片机应用技术选编M(北京:北京航空航天大学出版社(张毅刚彭喜源谭晓昀(MCS单片机应用设计M(黑龙江哈尔滨工业大学出版社(谢自美(电子线路设计、实验、测试(第二版)M(武汉:华中理工大学出版社(薛钧义张彦斌樊波等(凌阳十六位单片机原理及应用M(北京:北京航空航天大学出版社(刘昆山如何快速入门单片机J江西冶金职业技术学院,(刘保延等(步进电机及其驱动控制系统M(哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社(赵龙庆徐国栋(一种基与单片机的步进电机控制驱动器J(西南林学院学报((李鸿主编(单片机原理及应用M(湖南:湖南大学出版社(韩全立王建明(单片机控制技术及应用M(北京:电子工业出版社周平伍云辉(单片机应用技术M(四川:电子科技大学出版社胡伟季晓衡(单片机C程序设计及应用实例M(北京:人民邮电出版社泰山学院本科毕业论文致谢在本论文的写作过程中我的导师马圣乾老师倾注了大量的心血从选题到开题报告从写作提纲到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题严格把关循循善诱在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。写作毕业论文是一次再系统学习的过程毕业论文的完成同样也意味着新的学习生活的开始。

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