步进电机速度控制系统的设计.docVIP

目录 1 总体方案的确定 1 1.1 对步进电机的分析 1 1.2 电机的控制方案 2 1.3 控制算法的方案 3 1.4 串口通讯的模拟 3 2 硬件的设计与实现 4 2.1 微处理器的选择 4 2.2 控制电路的实现 4 2.3 键盘和显示电路 6 3 软件的设计与实现 7 3.1 控制信号输入程序 7 3.2 步进电机控制程序设计 8 3.3 程序分析及说明 10 4 系统的仿真与调试 11 4.1 程序的调试 11 4.2 串口通信的调试 11 4.3 调试结果及分析 12 5 设计总结 13 参考文献 14 附录 15 步进电机速度控制系统设计报告 1 总体方案的确定 系统以单片机为核心，接收并分析来自键盘或串口的控制指令，经过CPU的逻辑计算输出控制信息，让步进电机按要求转动。由于步进电机是开环元件，系统不需反馈环节，但也同时要求控制信号足够精确。此外，为实现单片机与电机之间信号对接，需要加入步进电机驱动单元。 1.1 对步进电机的分析 步进电机又叫脉冲电机，它是一种将电脉冲信号转化为角位移的机电式数模转换器。在开环数字程序控制系统中，输出控制部分常采用步进电机作为驱动元件。步进电机控制线路接收计算机发来的指令脉冲，控制步进电机做相应的转动，步进电机驱动数控系统的工作台或刀具。很明显，指令脉冲的总数就决定了数控系统的工作台或刀具的总位移量，指令脉冲的频率决定了移动的速度。因此，指令脉冲能否被可靠地执行，基本上取决于步进电机的性能。 步进电机的工作就是步进转动。在一般的步进电机工作中，其电源都是采用单极性的直流电源。要是步进电机转动，就必须对步进电机定子的各相绕组以适当的时序进行通电。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，达到调速的目的。常见的步进电机分三种：永磁式（），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；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，但噪声和振动都很大。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应用最为广泛。步进电机有三相、四相、五相、六相等多种，不同的电机又各有很多工作方式。由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专用设备-步进电机控制驱动器典型步进电机控制系统如图1所示控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端，以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大以达到驱动步进电机目的图1 典型步进电机控制框图 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压高性能CMOS8位微处理器AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪存存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器；一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM定时/计数器串行通信及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一硬件复位。AT89C51足以实现对步进电机的简单控制。 2.2 控制电路的实现 常规步进电机的驱动是用ULN达林顿驱动器实现的，其内部含有多个达林顿管，适于感性负载的驱动。本文所设计的步进电机控制驱动器的框路图如图2： 图2 步进电机控制驱动器框图L297芯片是一种硬件环分集成芯片可产生四相驱动信号，用于计算机控制的两相双极或四相单极步进电机部分是一组译码器能产生各种所需的相序这一部分是由两种输入模式控制，方向控制(CW/CCW)和HALF/FULL以及步进式时钟CLOCK将译码器从一阶梯推进至另一阶梯。译码器有四个输出点连接到输出逻辑部分，提供抑制和斩波功能所需的相序。因此L297能产生三种相序信号，对应于三种不同的工作方式：即半步方式(HALF STEP)基本步距(FULL STEP，整步)一相激励方式基本步距两相激励方式。脉冲分配器内部是一个3bit可逆计数器，加上组合逻辑产生每周期8步格雷码时序信号，就是半步工作方式的时序信号此时HALF/FULL信号为高电。若HALF/FULL取低