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1、南京工业大学毕业设计题目：基于单片机的步进电机控制系统设计学生：学号：专业：电气工程与控制科学学院班级：指导教师：杨道业2021年6月基于单片机的步进电机控制系统设计摘要步进电动机是一种由电脉冲信号控制的执行元件，由于它具有易控制、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和打印机等方面有着广泛应用。微电子技术的普及与应用以及微型计算机的飞速开展，逐步进入电机应用领域，这使得之前用硬件电路构成大而复杂的控制器，现在可以用软件来实现。这不仅降低了硬件本钱，又提高了控制的灵活性、可靠性及多功能性。由于步进电机具有瞬时启动，急速停止，精度高等特点，用其组成的开环系统既简单、廉价，又
2、非常可行，因此设计出基于单片机的步进电机控制系统具有极大的价值和广泛的应用。本文课题主要研究了基于单片机的步进电机系统的论证设计。课题内容包括概述步进电机与单片机的工作原理，对步进电机驱动电路进行了分析，以及对系统硬件电路及程序进行了设计与测试。步进电机控制系统的设计采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效降低系统开发的时间与本钱。利用protues仿真软件完成电机的正反转、加减速、启动停止等根底功能，利用单片机、步进电机驱动芯片、字符型LCD和键盘阵列等元件模块，设计了以控制器与驱动器为一体的步进电机仿真控制系统，实现了对步进电机的方位设定、位置控制等功能，并实时显示出步进电机的工作状态。该系统
3、的硬件组成主要包括控制电路、显示电路、报警反响电路以及驱动电路组成，根据硬件电路设计出相应的软件程序，进行调试与分析。该设计系统具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点。 关键词：步进电机 驱动电路 单片机 仿真控制系统Design of stepping motor control system based on single chip microcomputerAbstractStepping motor is a kind of by electric pulse signal to control actuator, because it is easy to control, smal
4、l size and other characteristics, so in the CNC system, automatic production lines, automatic instrument, drawing machine and printer has a widely application. The popularization and application of microelectronic technology and rapid development of micro computer, and gradually into the application
5、 field of the motor, which makes before hardware circuit controller of large and complex can now be used software to achieve. This not only reduces the cost of hardware, but also improves the flexibility, reliability and functionality of the control. Because of the stepper motor with instantaneous s
6、tart, rapid stop, high accuracy, and with the composition of the open loop system is simple, cheap, and very practical. Therefore, the design of based on single-chip stepper motor control system has great value and broad application.This paper mainly studies the design of the stepper motor system ba
7、sed on single chip microcomputer. The content of the subject includes the principle of step motor and single chip microcomputer, the stepper motor drive circuit is analyzed, and the system hardware circuit and program are designed and tested. The design of stepping motor control system adopts the me
8、thod of software and hardware co simulation, which can effectively reduce the time and cost of the system development. Using Protues simulation software to complete the motor positive inversion, deceleration and stop start and other basic functions, using single chip microcomputer, stepping motor dr
9、ive chip, character type LCD and keyboard array element module, the design of the controller and the driver for one step into the simulation of motor control system, realizes the function of the stepper motor range setting, position control and real-time display of a step into the working state of t
10、he motor. The hardware of the system consists of control circuit, display circuit, alarm feedback circuit and drive circuit, the corresponding software program is designed according to the hardware circuit, and the debugging and analysis are carried out. The design system has the characteristics of
11、clear thinking, high reliability, strong stability and so on.Keywords: stepping motor ;drive circuit;single chip microcomputer;simulation and control system目录第一章 绪论11.1课题背景11.2课题的目的和意义11.3课题的内容2第二章 步进电机的结构与特点32.1步进电机的构造32.2步进电机的工作原理32.3步进电机的主要特征52.4步进电机绕组的电气特性62.5步进电机的选型8第三章 设计原理分析93.1设计目的93.2设计要求93
12、.3总体设计方框图93.4设计方案论证103.4.1系统控制方案103.4.2驱动模块方案选择123.4.3最终方案确定14第四章 步进电机控制系统硬件设计154.1单片机最小系统154.2 控制电路174.3 驱动电路184.4 显示电路194.5 位移越界报警电路204.6 状态指示灯显示电路21第五章 步进电机控制系统软件设计225.1主程序设计225.2 LCD显示程序设计245.3转速控制程序设计265.4程序设计275.5角度设定程序设计275.6位移设定程序设计29第六章 仿真结果与分析336.1整体硬件设计图336.2测试336.3误差分析37第七章 总结39参考文献40致 谢
13、42第一章 绪论1.1课题背景步进电机作为控制执行器，广泛应用于各种控制领域1。当需要精确控制角度方位时，步进电机的使用将会很好解决实际问题。随着微电子技术和计算机技术的飞速开展2，各行业对步进电机的需求日益增加，它已被普遍应用于各个经济领域。步进电机是在国外创造的。中国在文化大革命中就已经开始应用和生产，例如北京、浙江、江苏、四川都可以生产，而且在各行业开始逐步使用，目前驱动电路的半导体器件大多能做到完全国产。当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路3，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。当前，国外对步进电机的控制和驱动研究的一个重要的开展方向，是大量的研发专用芯片，结果就是让驱动器的
14、体积变得相当小，与此同时还可以明显提高驱动系统的整体性能。对于一类相对典型的芯片，其核心是采用硬件和微程序，用来保证步进电机能够实现合理的加速和减速过程。对于4像日本的ppmc101b这样的开环步进电机，能够具有一个适合实际情况的加减速过程，并且还可以使它的运行速度到达很高的水平，而不会导致过冲或失步。采用像这类专用集成电路可以驱动35相电路，其设定的转速范围、加减速的过渡时间及上升下降的陡度可根据负载选定，此外还有单步运转和不同的停止方式。1.2课题的目的和意义随着自动化控制技术的进一步应用和开展5，以及数字化、智能化技术的日益开展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用。相应地，其控制
15、系统也必定需要升级开展，特别是智能化技术应用方向的开展将会成为步进电机的下一步开展趋势。之前的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路或者集成电路，它不仅增加了安装调试的复杂度，还会消耗大量的组件，而且一旦改变了控制方案，就必须重新去设计系统，包括电路的设计与测试、元器件的更换与调试，从而不利于系统的升级。基于单片机的控制系统6，通过软件对步进电机进行控制，可以更好的发挥步进电机的潜力，能够用最低本钱去优化系统，大大节约了系统升级的难度与本钱。用微型单片机7控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代开展要求，因此，设计出一套稳健的基于单片机的步进电机控制系统对于各行业使用需求具有十
16、分重要的意义。1.3课题的内容本论文所选的是四相步进电机，所用控制方法是由单片机CPU控制产生相序脉冲，再经过驱动电路形成对步进电机的驱动电流。步进电机的运行控制主要是通过外部的电脉冲的输入。当步进电机的驱动器接收到一个脉冲信号的时候，它会进行相应的电流信号分配以及功率放大，直到可以到达驱动步进电机的电流和电压8。这时步进电机的绕组开始具有电流，产生电磁力，拖动转子开始运动。步进电机的转子会根据一个固定的旋转角度来转动称为“步距角。在驱动电路设计的过程中，通过对驱动电路设置保护线路9，反响输出电流以到达过电流保护。由此可见，步进电机的旋转是以固定的角度增量驱动运行的。根据这个工作原理，就可以通
17、过产生脉冲的个数来控制步进电机的角偏移量，从而到达准确定位的目的。在此根底上，系统可设计出角度定位控制与位移定位控制等功能仿真系统来模拟步进电机的实际应用10。此外，电机的运行速度和旋转方向可以通过控制脉冲频率与相序来改变，从而到达调节速度、控制方向的目的。本课题的主要研究内容如下：1. 分析步进电机的特点与工作原理，选择合理的驱动方式。2. 确定适宜的系统控制器，即单片机型号，分析其各个引脚功能。3. 根据设计要求，提出设计方案，论证每个方案，达成最终方案。4. 设计本课题的控制系统硬件电路图，以及软件程序设计，要求系统稳定可靠，操作方便，满足各项系统要求。5. 测试各项系统功能，分析数据，
18、得出结论。本课题系统测试是使用protues软件作为仿真平台。Protues软件11是由英国Labcenter electronics公司研发的EDA工具软件，它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能有效仿真单片机及外围器件。这是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。依靠这个强大的仿真平台，可以很大程度上提高系统设计的进度。第二章 步进电机的结构与特点2.1步进电机的构造步进电机属于是无电刷电机3，因此需要较少的维护。由于它是通过脉冲输入进行增量步进驱动，这使得步进电机在许多角度与位移控制中非常受欢送。根据他们内部结构的不同，可以分为下面三大类： (1)反响式:它的定子由铜制绕组构成，组成
19、转子的材料是软磁结构。其特点就是结构简单、本钱低、步距角小，但动态性能差、效率低，适合精度要求不太高的场合。 (2)永磁式:此步进电机转子的材料是永磁体。这种步进电机12的转子和定子的两极数量是一样的。它的优点是有着良好的动态性能和较大的输出转矩；缺点是电机精度相对差，同时步进角较大。在这三种步进电机中，用途相对较少。(3)混合式：混合式步进电机4整合了前面两个步进电机的结构优势。定子和转子上分布着多个小齿，能够显著提高步矩的精度。铜制绕组构成它的定子，永磁体组成它的转子。它的优点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，控制精度相对高，缺点就是结构相对复杂、设计本钱较高，总的来说，适用于高精度的场
20、合，具有突出的性能应用。步进电机主要由转子和定子两局部组成，它们均由磁性材料构成，如图2-1所示： 图2-1 步进电机结构图2.2步进电机的工作原理步进电机是一种受脉冲驱动的电机。它的工作原理4是给电机的绕组按一定的相序分时输入直流电流。当一系列的脉冲信号产生，步进电机就会开始连续的转动。下面就以四相步进电机为例：首先需要进行脉冲分配，脉冲分配作用就是产生不一样的通电顺序。单四拍的通电顺序为：A-B-C-D-A；双四拍的通电顺序为：AB-BC-CD-DA-AB。正常情况下，步进电机假设要正常运行，就必须严格按照此通电顺序。当电机如需要反转时，那么可以将通电顺序逆反。在反转状态下，单四拍通电顺序
21、为：A-D-C-B-A；双四拍通电顺序为：BA-AD-DC-CB-BA。四相步进电机结构示意图与工作时序波形图如下：图2-2 结构示意图图2-3 四相电机工作时序波形图工作时序脉冲分配如下表所示：表2-1四相单四拍脉冲分配表 ABCDN1000N+10100N+20010N+30001 表2-2四相双四拍脉冲分配表ABCDN1100N+10110N+20011N+310012.3步进电机的主要特征1步距角指每给一个电脉冲信号对应步进电机转子转动的角度。b=z/NZ =2/NZN是工作拍数，Z是转子的齿数。2保持转矩13保持转矩HOLDING TORQUE是指步进电机的绕组已经开始通电流，但转子
22、还没有转动，此时定子锁住转子的力矩。一般来说，在低速时，步进电机的力矩会近似保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，所以保持转矩是作为步进电机非常重要的衡量参数之一。比方，平时指步进电机为2N.m，一般而言就是指它的保持转矩是2N.m。3定位转矩14定位转距是指电机绕组各相在不通电的情况下，同时作为开路状态，所产生的磁场所形成的转距。对于混合式步进电机，它的转子是永磁材料，其定位转距一般远小于保持转距。而就反响式步进电机而言，因为转子不带磁性，所以没有定位转矩。这是混合式与反响式步进电机重要区别的参数。4响应频率 指在无负载时，突然给电机加上某一个频率的脉冲使转子从静止状态启动
23、，保证转子不失步且正常运行的最高脉冲频率，也被称为启动频率16。当脉冲频率比这个值大的时候，电时机启动不正常，从而可能出现堵转或者丢步。当出现堵转的时候，会时时发出啸叫声。在有负载的情况下，响应频率应更低，它反映了步进电机跟踪的快速性。5运行矩频特性反映的是电机的运行扭矩与频率15的关系。当步进电机运行时，各相绕组在电磁感应的作用下，此时会出现反向电动势。运行频率越快，反向电动势就会越大。反向电动势会使绕相电流减小，而且运行速度越快，这样的作用越明显。绕相电流减小的直接作用就是让电磁力矩也随之减弱。图2-4表示它们之间的关系曲线。 图2-4运行矩频特性图由此可见，步进电机都会有一个不丢步的极限
24、频率，被称为最高工作频率。当此时运行频率超过极限频率，就会出现脉冲转换的时间间隔比电磁与机械过渡过程的时间间隔小，这样是导致失步的重要原因。作连续运行的步进电机，电磁力矩的下降同时影响着负载转矩的变化，在相同负载惯量的情况下，电机随着运行频率的增加，所带负载的能力会不断衰减。当运行频率增加到一定值时，转矩会变得特别小，电机控制系统也就失去实际意义。由上所述，最高工作频率是研究步进电机的一个重要参数。2.4步进电机绕组的电气特性电机绕组进行通电时，绕组的电流由于受到电感所形成的反电动势的影响，使得绕组电流变化速度的上升过程变得缓慢，从而减少绕组电流的额定值，电机的电磁力矩也会因此下降。18作为磁
25、性导体材料的步进电机绕组，电阻与电感是其固有特性。此外，影响电流的还有绕组线圈的电阻，根据电阻温度的关系，电阻值随着电机运行温度上升而变化，在电压没有做相应的变化情况下，绕组电流也会出现与理论情况的偏差值。 图2-5等效电路电流波形图根据电路原理，步进电机的相绕组在一般情况下相当于Circuit -Resistance串联电路。图2-5是其等效电路的电气特性。初始时刻，当给电路施加电压V时：此时电流的变化规律为29: I(t)=V(1-e-Rt/L)/R 通电瞬间绕组电流上升速率为:di(0)/dt=V/t 经过一段时间，电流到达最大值: Imax=V/R L/R定义为该电路的时间常数，是电路
26、中的电流到达最大电流Imax的63%所需要的时间。在 t时刻，电流开始以初始速率V/L减小，电路中电流的变化规律为:I(t)=Ve-R(t-t1)/L/R为了提高电机的高速状态时的运行性能，这里会得出两种方法。一是提高电流上升的速率V/t，二是减少时间常数L/R；电流上升速率的提高可以通过增加绕组电压来实现。为了减少时间常数L/R，可以用电阻，构成一个串联电路，这样就可以有效减少时间常数。2.5步进电机的选型步进电机的选型主要包括两个方面：步进电机控制精度和工作负载力矩。1电机控制精度根据实际控制系统的控制精度要求，来确定步进电机的步距角的范围，从而去选择相应的步进电机，以及驱动器的选择，可由
27、设计要求，计算出步距角需要的细分等级，以得到更小的步距角来满足需求。对应系统要求的控制精度，一般情况下，步进电机的步距角的选择参考是实际要求精度的二分之一以及更小。2电机负载力矩选择适合步进电机控制系统要求的负载力矩，是非常重要的一环，它直接影响接下来的工作效率和系统可靠性。由于步进电机具有运行矩频特性，所以实时运行状态的负载力矩不易确定，通常这里先确定步进电机的保持转矩。保持转矩一般在电机参数里很容易看到，当它确定好了，负载力矩的大致范围也就有了。 第三章 设计原理分析3.1设计目的现在步进电机已被广泛使用，但步进电机不能像直流电机，交流电机在常规下使用，它必须有双环型脉冲信号，放大电路来驱
28、动电机运行。因此设计出合理的步进电机驱动电路，对于改善运行特征，提高控制精度具有重要的意义。本课题解决的问题是利用单片机控制步进电机的驱动器，通过设计步进电机的驱动电路，从而实现对步进电机的控制。该设计系统需要实现对步进电机的启动停止、旋转方向及运行速度等状态进行实时控制与显示，同时利用它的工作原理，实现对固定角度的转动锁定，对目标位置进行位移控制。整个设计系统采用模块化设计，主要特点是可靠性强，层次简单，方便维护升级。3.2设计要求1步进电机工作方式为四相八拍，初始转速60r/min；2能够实现电机的启/停功能；3能够实现电机的正/反转、加/减速功能；4对步进电机能够进行角度定位控制；5实现
29、步进电机的位移定位控制，能够让它转动相应的方位及位移；6实时显示系统状态，包括步进电机的速度、方向、设定的角度以及位置坐标，LED发光二极管可以正确显示系统目前的工作状态。3.3总体设计方框图图3-1系统方框图如图3-1，整个设计以STC89C51单片机为控制中心，组成局部有复位电路，时钟电路，电机驱动，步进电机，显示电路等。对相应的参数设定是通过系统输入按键，通过对输入信号的处理，执行相应的功能函数，并且将在LCD显示系统状态。3.4设计方案论证3.4.1系统控制方案由设计要求可知，系统的控制方案需要分为五个局部，即步进电机的启动停止控制、加减速控制、旋转方向控制、角度定位控制以及位移定位控
30、制。1步进电机的启动停止当系统需要启动步进电机的时候，这里会需要一个等待操作，所以在单片机程序设计中，系统程序会一直循环在启动函数内。硬件设计中，设置了一个“启动按键，按下即可以跳出启动函数的循环，这样确保了功能的实现和系统的稳定性。由于停止功能具有随时性，所以在系统中采用中断的方法，可随时终止运行。两者设计充分考虑了系统的每种运行情况，具有高效性和实用性。2步进电机速度控制由步进电机运行特征19可知，脉冲频率决定电机转速。在此电路中，电机的转速控制主要是通过外部中断来实现的，分别是通过“加速“减速按键控制中断，从而改变了步进电机的输出脉冲频率。3步进电机方向控制方向控制主要是操纵相位序列的变
31、化，假设给定的是正序通电换相的工作方式，步进电机就会正向旋转；如果给定的是反序通电换相的工作方式，那么电机就会反向旋转。比方，当步进电机的运行方式是四相八拍，那么正序的通电换相顺序是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，此时电机就会正转；假设通电换相转换成反序，其顺序就是A-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A，那么步进电机就会反转。本设计电路通过“方向调整按键实现正反转功能，默认是正转，按下成反转，再按又变成正转的状态，以此转换步进电机旋转方向。4步进电机角度定位控制角度定位控制是基于步进电机驱动的原理。它的角位移量是与输入脉冲数量成同步比例，且运转过程中不会产生误差的累计，所以步进
32、电机在实际应用中具有良好的跟随性。此设计通过按下“角度控制按键，就进入步进电机角度设定环节，在此环节内，量值增减两个按键就可以调整角度的大小，并实时显示在LCD显示屏上，当再一次按下“角度控制的按键时，即完成角度设定，此时步进电机开始按已设定好的角度运行，完毕即自动锁定停止。在实际应用中，对步进电机的角度定位控制是必不可少的要求，由于它良好的性能，所以应用极为广泛。5步进电机位移定位控制步进电动机的位移定位控制，是指通过实时控制步进电机，使其带动的执行机构从一个位置准确位移到另一个位置。步进电机及其功率驱动装置可以构成一个开环的定位运动系统，因此它可以在开环模式下跟踪任何步阶位置，同时执行位置
33、控制是不需要任何反响的。这是步进电动机的得以广泛应用的重要原因。这里的系统设计是建立在一个极坐标的平面参考系上，即在一定范围内，任何一点都可以用极坐标来表示。通过相应的三角函数定理计算出点与点之间的角度与距离，步进电机每移动一步，步数就会减1，假设目前没有失步，当执行元件到达相应的位置时，此时步进电机的步数正好变成0。因此，用步进电机是否等于0来判断是否移动到目标位，从而作为电机停止运行的信号。下面就是关于如何计算当前位置与目标位置的偏移角度及距离。图3-2 步进电机位移轨迹A点是极坐标的原点，B、C、D分别是步进电机接下来需要走的3个点，1，2，3分别是三个点极坐标的极角，4是步进电机从B点
34、到C点需要偏移的角，那么就是C点到D点需要偏移的角，线段BC、CD就是需要偏移的距离。这里需要判断点与点的偏移角是顺时针旋转还是逆时针，从而指令步进电机是反转还是正转偏移角，因此，这里分了两种情况，如图3-2，而判断的依据主要采用构建直线方程的方法，判断目标点是在直线上方还是下方，从而确认偏移角的正负。在这里需要说明一下执行机构，步进电机经常配套用的是滚珠丝杠，示意图3-3。滚珠丝杠是机械工程上经常使用的传动元件，它的主要功能是可以让旋转运动转换成线性运动。因为其良好的性能与结构，滚珠丝杠具有工作效率高，控制精度优秀，且具有可逆性等优点。这里设定选择丝杆螺距为6mm的滚珠丝杠，即步进电机带动其
35、运行一圈，转换成直线运动的距离就是6mm，假设此时步进电机步距角是30，那么转完一圈就需要12个脉冲，此时每个脉冲对应直线运动的距离就是1/2mm，那么现在要运行10mm的距离，步进电机就需要20个脉冲驱动，依此就可以进行相应计算。图3-3 滚珠丝杠示意图3.4.2驱动模块方案选择在基于单片机控制步进电机系统中，对于步进电机的驱动一般有两种方法，一种是CPU直接来驱动，因为单片机20引脚输出的电流较小，不能驱动步进电机，所以这种方法不可行。另外一种就是让CPU来间接驱动。其过程是把从单片机引脚输出的脉冲信号通过相应的驱动器进行调控与放大，然后再来驱动步进电机。此方法比拟平安可行。所以本次课题设
36、计就选择CPU间接驱动电机。下面就是要确定具体驱动方式，步进电机驱动方式可以分为四种，分别为单电压驱动、上下压驱动、调频调压驱动和斩波恒流驱动，它们有各自特点，在这里稍微分析一下。(1)单电压驱动：主要优点是本钱低廉、结构简单。通常在绕组回路中串接电阻，以改善电路的时间常数来提高电机的高频特性。缺点其实也很明显，串接的电阻将会随着系统运行产生大量发热，环境温度的上升会对驱动器的正常工作产生不利的影响，特别是在系统高频工作的时候会更加明显，因此它适合用在对系统性能指标要求不高的场合。 (2)上下压驱动21：每相绕组的电机，应用高电压，使电流迅速增加，当电流上升到额定值，会切断高压，回路电流在低电
37、压电源保持。这种方式由于电流波形得到了很大改善，电机的矩频特性较好，起动和运行频率得到了较大提高。然而，由于系统工作频率所产生的反电动势、绕组的互感等因素影响，电流波形的顶部是凹形的，使得电机的输出转矩减少，此时为了维护系统的定位要求，就需要进行增加供电电压，弥补电流减损，所以这里就需要双电源供电。(3)调频调压驱动：主要工作原理就是施加在绕组的电压，会随着运行频率的大小而发生线性变化，当步进电机工作频率处于低维状态时，系统工作电压此时就会处于低压，抑制电流波动，从而压制系统震荡。当步进电机工作频率处于高维状态时，所施加的电压也会随之增加，满足电机有着足够的负载力矩。这样的设计使得系统运行效率
38、与稳定性能得以明显提高。这样的驱动方式使得施加在绕组的电压跟随着脉冲信号频率发生线性变化22，如下列图所示： 图3-4 输出调压与脉冲频率的关系这就保证了在系统工作频率较低时，施加在绕组的电压也比拟低，这样会使绕组电流的上升趋势变得平缓，而在系统工作频率较高时，施加在绕组的供电电压也会线性提高，使得绕组电流得以线性上升，既提高了稳定性，又有效解决了系统负载力矩的要求。以上三种驱动方式的控制对象皆是施加在绕组的电压。然而，目前23采用电流作为独立变量的传动控制相比而言优点更多。由于使用在大局部电气设备的交流变频电源，输出的电流幅值变化范围会很小，用这类变频器给步进电机供电，会显现出独有的优势，即
39、电机的转矩会在固定转速范围内恒定不变，这样对于系统而言，工作效率会得到保证。对于步进电机而言，绕组电流的波形起主导控制作用，施加在绕组的电压容易受其他因素影响，其波形缺乏以完全控制步进电机。下面这个驱动方式就是以绕组电流为控制对象的。 (4)斩波恒流驱动：为补偿高、低电压驱动电路下凹的电流波形，从而提高转矩的输出，这里就设计出斩波恒流驱动电路。绕组电流利用斩波技术形成额定值的锯齿形波动。当绕组的电流增加后，电机的电磁转矩增大30。利用此驱动方式，系统的功率消耗得以降低，效率相应提高。 对以上的步进电机驱动方式进行比拟之后，发现斩波恒流驱动电路是性能较好的、目前使用较多的一种驱动方式。其根本思路
40、就是：始终保持绕组电流为额定电流值，而不管在步进电机此时运行的状态。这样可以使整个系统的功耗下降，稳定性较高，同时由于保持工作额定电流，使得工作效率也能极大的提高。所以本课题的系统选择基于斩波恒流驱动方式的步进电机驱动器L297&L298组合。L297是步进电机专用控制器，具有广泛的用途。它可产生4相控制信号，能够实现诸多对步进电机不同形式的驱动控制。L298是驱动芯片，作用是将控制芯片L297输出的信号进行放大，输出相应的电流电压，常用于驱动步进电机。3.4.3最终方案确定因本次设计的要求，选用四相八拍步进电机，默认步距角为45，单片机选用AT89C51作为控制器，选用步进电机驱动器L297
41、&L298。单片机CPU输出的脉冲信号通过步进电机驱动器进行调控与放大，从而稳定可靠驱动步进电机。选用LCD LM041L作为系统显示器，LED发光二极管作为系统显示灯，按键作为系统参数的操作入口，对系统进行功能控制。第四章 步进电机控制系统硬件设计本课题仿真设计的硬件电路主要包括单片机最小系统、系统控制电路、步进电机驱动电路、系统状态显示电路构成。单片机最小系统是指可以使单片机正常工作的最小系统。系统控制电路由按键组成，根据相应的系统工作要求进行相应操作。步进电机驱动电路的作用主要是对单片机输出的脉冲产生四相控制信号，然后进行功率放大，从而驱动电机运行。显示电路的设计目的是显示整个控制系统的
42、工作状态。 4.1单片机最小系统单片机24诞生于20世纪70年代，美国Intel公司1996年宣布1997年推出MCS-48单片机，随后单片机技术飞速开展，至今有30多年历史。单片机是单片微型计算机的简称，它是将CPU， ROM或EPROM， RAM，定时器/计数器，并行和串行口等电路集成在一块芯片上做成的微型计算机。其典型结构如图4-1：图4-1 典型结构图设计系统选用ATMEL公司的AT89C51单片机作为控制器，其引脚图如下：图4-2 单片机引脚图主要引脚25功能如下：1Vcc给单片机提供电源电压，GND接地 。2P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口。P0口也可作为通用的I/O
43、口使用，但要加上拉电阻。在本设计中就是作为通用I/O使用，控制脉冲的产生和电机旋转方向信号。3P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在本设计中应用于LCD显示器数据端的数据输入。4P2口：P2是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。5 P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。其引脚具有副功能，例如计数器以及外部中断功能，它们在本设计中发挥了非常大的作用。6RST：复位输入。当单片机在复位的时候，单片机的参数恢复初始设置7XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。8XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。单片机的最小系统包括单片机、晶振电路、复位电路、电源电路
44、。本设计的最小系统如下列图4-3所示： 图4-3 最小系统电路图晶振电路：单片机的工作频率就是由晶振电路控制。时钟信号的产生有两种方式，即内部与外部方式。这里选择的产生方式是外部方式。复位电路：当RST引脚是低电平时，那么表示系统复位，恢复到初始工作状态。这里系统选择手动复位的方式。主要工作过程是假设按键被按下，根据电容的特性，电容会立刻放电，RST此时就被输入低电平。按键按下之后总会等待弹起，当弹起的一瞬间，电容又会开始充电，此时RST引脚就会成为高电平，从而形成一个正脉冲，系统复位。电源电路：单片机供电电压为直流5V,用发光二极管作为供电正常指示灯，同时电容用于稳压。供电VCC实际电压一般
45、不是理想的5V，多数情况会有一个5V左右小幅度的波动，用220uF和100pF这样一大一小的电容26，分别用于过滤低频杂波和频率高点的杂波，这样供电电压的波形就相对平稳了。4.2 控制电路 根据系统的控制要求，按键输入单元设置了启动停止控制，换向控制，速度控制，角度及位移控制。控制电路如下图。按键控制局部主要由电阻，电压以及按键组成。当按下按键之前，即电路在默认状态下，控制电路的引脚是高电平；当按下按键之后，控制局部的线路瞬时导通，引脚局部成了低电平，就是通过这样的设计，然后经过相应的按键扫描函数进行检测，从而执行相应的功能。这里需要解决的一个问题是按键的抖动现象，即在一定时间内，按键在按下和
46、弹起的状态来回转换。一般情况下，解决方法有两种，一是硬件去抖，常见的方法就是用RC电路去抖动27。另外一种是软件去抖，考虑到硬件去抖显然会增加电路的复杂性，所以我们可以在软件上去抖。由于按键抖动时间一般是10-20ms，那么具体方法就是用延迟函数，让系统等待这段抖动时间，即可到达去抖动的效果。这里就分析一下主要工作过程。通过相应按键状态变化来实现电机的相应功能。当按下“启动按键时，整个系统开始运行，此时步进电机开始运行，并且把运行状态传送到显示器上。在系统运行过程中，随时可以通过“停止中断关闭系统。因为在步进电机运行过程中，加减速也需要随时性，所以这里系统用两个外部中断来实现加减速功能，由硬件图分析得出，当按键按下，在单片机中断引脚会形成一个负边沿脉冲，这样会触发中断功能，从而执行中断函数。图4-4 系统控制电路图方向调整在于改变步进电机绕组励滋电流的顺序，具体原理前面以介绍，此系统具体实现是通过控制驱动器L297的“CLOCK引脚电平，为高电平是正转，低电平是反转，通过扫描“方向调整按键状态，调用相应函数，控制与“CLOCK引脚相连的单片机引脚的电平，也就控制了“CLOCK引脚的电
