步进电机速度控制系统设计.doc

1、目录1 总体方案的确定 .11.1 对步进电机的分析 .11.2 电机的控制方案 .21.3 控制算法的方案 .31.4 串口通讯的模拟 .32 硬件的设计与实现 .42.1 微处理器的选择 .42.2 控 制 电 路 的 实 现 .42.3 键盘和显示电路 .63 软 件 的 设 计 与 实 现 .73.1 控制信号输入程序 .73.2 步 进 电 机 控 制 程 序 设 计 .83.3 程 序 分 析 及 说 明 .104 系 统 的 仿 真 与 调 试 .114.1 程 序 的 调 试 .114.2 串 口 通 信 的 调 试 .114.3 调 试 结 果 及 分 析 .125 设 计

2、总 结 .13参考文献 .14附录 .151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

3、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（即步进角） 。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，即可达到调速的目的。本设计是用单片机输出可调脉冲作为单片机的控制信号，通过改

4、写脉冲频率调节单片机转速。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；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。单片机管脚输出电压一般不足以驱动步进电机转动，所以需要在单片机和步进电机之间加入驱动电路。21.2 电机的控制方案步进电机有三相、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

5、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软环形分配即采用微机控制取代脉冲分配器，直接将控制信号分管脚送到驱动电路，常用的办法是通过编

6、程输出内存中定义好的控制方式输出字。这样，当步进电机的相数和控制方式确定之后，以一定规律输出控制字就可以了。软环形分配用程序取代了脉冲分配器，一定程度上降低了成本。但如果要预存的控制字很多，就会占用单片机较多内存。此外，当所控制的步进电机相数较多，需要的输出管脚也会随之增加，这样就占用了单片机较多的数据口，降低接口的利用率的同时限制了单片机实现更多功能。由于任务要求系统有键盘、显示以及串口控制等多个部分，且要控制两部电机，为留出更多的数据接口实现上述功能，设计选择常规的电机控制电路。由脉冲分配器完成对电机绕组电平的时序控制（即脉冲分配） ，从而每个电机只需单片机对应输出一个触发信号（控制3方向

7、）和一组脉冲波（控制速度）即可。要注意的是，对脉冲波频率的计算和输出控制没有直接输出控制字的方法精确，响应效果也会因脉冲分配器的存在而稍差一些。1.3 控制算法的方案单片机对步进电机的控制算法也有多种，如上述的输出字法就是利用单片机内部的计时功能定时输出控制字，把对电机速度的控制转变为对两次输出时间间隔的控制。控制算法很大程度决定于电机的控制方案。上文选定的电机控制方案是要求单片机实时输出改变电机方向的触发信号和控制电机转速的脉冲信号。对于电机方向的控制，由按键或串口控制指令改写对应的标志量的值并由接口输出即可。对电机速度的控制就是对输出脉冲波频率的控制，而频率的大小是要有时间标尺衡量的。单片

8、机内部对输出频率的控制是通过两个中间变量的比较运算实现的：其中一个变量（以 A 代替）由单片机内部的计时器改写，表征时间量作为标尺；另一个变量（以B 代替）由按键或串口控制指令改写，表征速度值（其大小可通过算数运算与实际速度相统一） 。程序在每次执行计时中断程序时改变一次电平：原来是高电平则变为低电平，原来是低电平则变为高电平。显然，B 值的大小直接决定了比较结果产生的快慢，即输出端高低电平变化的快慢。改变 B 的大小就可以改变输出的脉冲频率，从而控制步进电机的速度。变量的使用不仅方便地实现了对输出脉冲频率的控制，还有利于实现多部步进电机的异步运行。针对每个电机定义一个速度变量，分别与时间标量

9、进行比较运算，比较结果控制各自的管脚电平变化。用取反运算或者位异或运算改写管脚电平，可以有效控制输出电平而不互相干扰。1.4 串口通讯的模拟单 片 机 上 有 通 用 异 步 接 收 /发 送 器 用 于 串 行 通 信 ， 发 送 时 数 据 由 TXD 端 送 出 ， 接收 时 数 据 由 RXD 端 输 入 。 有 两 个 缓 冲 器 SBUF， 一 个 作 发 送 缓 冲 器 ， 另 一 个 作 接 收 缓冲 器 。 短 距 离 的 机 间 通 讯 可 使 用 UART 的 TTL 电 平 ， 使 用 驱 动 芯 片 可 接 成 RS232C 与通 用 微 机 进 行 通 讯 。 波

10、特 率 时 钟 必 须 从 内 部 定 时 器 1 或 定 时 器 2 获 得 。4本 设 计 运 用 软 件 模 拟 上 位 机 控 制 端 ， 经 过 串 口 输 出 控 制 信 号 到 单 片 机 串 行 口 ，形 成 区 别 于 键 盘 的 另 一 种 控 制 方 式 。2 硬件的设计与实现2.1 微处理器的选择AT89C51 是 一 种 带 4K 字 节 闪 烁 可 编 程 可 擦 除 只 读 存 储 器 和 128bytes 随 机 存 取数 据 存 储 器 的 低 电 压 、 高 性 能 CMOS8 位 微 处 理 器 。 片 内 置 通 用 8 位 中 央 处 理 器 ， 采用

11、 ATMEL 公 司 的 高 密 度 、 非 易 失 性 存 储 技 术 的 生 产 ， 兼 容 标 准 MCS-51 指 令 系 统 。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

12、 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 次 硬 件 复 位 。 用 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

13、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。其内部主要部分是一组译码器，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，能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5距两相激励方式。脉冲分配器内部是一个 3bit 可逆计数器，加

14、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 取低电平，得到基本步距工作方式，即双四拍全阶梯工作方式。L297 另一个重要组成是由两个 PWM 斩波器来控制相绕组电流，实现恒流斩波控制以获得良好的矩频特性。每个斩波器由一个比较器、一个 RS 触发器和外接采样电阻组成，并设有一个公用振荡器，向两个斩波器提供触发脉冲信号。L298 是一种高压、大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准 TTL 逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器、圆筒形线圈、直流电动机和步进电动机等。L298 具有两抑制输入，可使器件不受输入信

15、号影响。每桥的三级管的射极是连接在一起的，相应外接线端可用来连接外设传感电阻，还可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作。L298 芯片是具有 15 个引出脚的多瓦数直插式封装的集成芯片。由 L297 和 L298 所组成的步进电机控制电路如图 3 所示。这种控制电路的优点是需要的元件较少，装配线路简单，成本低，可靠性高，占空间少。控制电路所需信号也比较简易，可以简化和减轻微型计算机的负担。另外，L297 和 L298 都是独立的芯片，所以组合和控制十分灵活。但缺点是，所控制的电机类型以及运行方式会受芯片限制。图 3 步进电机控制电路62.3 键盘和显示电路本 设 计 键 盘 采 用 低 电

16、 平 有 效 的 独 立 键 盘 ， 用 位 运 算 进 行 键 盘 扫 描 。 显 示 选 用LM016L 液 晶 显 示 器 ， 可 同 时 显 示 两 部 电 机 的 运 行 方 向 和 速 度 。加 入 通 信 串 口 ， 晶 振 以 及 相 关 配 件 后 的 系 统 总 电 路 图 如 下 ， （ 系 统 调 试 后 的 完 整电 路 图 见 附 录 ） :3 软 件 的 设 计 与 实 现单 片 机 是 系 统 的 核 心 ， 主 要 承 担 控 制 信 号 的 接 受 ， 逻 辑 分 析 和 运 算 ， 控 制 量 的 输出 和 显 示 的 运 算 和 输 出 等 功 能 。

17、本 程 序 采 用 模 块 化 设 计 ， 针 对 上 述 功 能 主 要 包 括 主 函数 、 键 盘 扫 描 、 串 口 中 断 、 计 时 中 断 和 显 示 程 序 几 个 模 块 。 其 中 ， 主 函 数 主 要 负 责 对中 断 允 许计 时 器 初 始 化串 口 通 讯 初 始 化显 示 器 初 始 化显 示 初 始 值进 入 输 入 扫 描结 束开 始7单 片 机 、 内 部 元 件 及 中 断 等 工 作 方 式 进 行 定 义 和 设 定 ， 并 协 调 好 各 模 块 之 间 的 运 行 时序 ， 其 流 程 图 如 下 ：图 5 主 函 数 流 程 图3.1 控制信号

18、输入程序控制信号可以通过独立键盘和串口通讯两种方式输入。键盘的输入主要是用扫描程序，即不停取键盘接口的逻辑值，与特定值进行位运算就可以识别键盘的控制信息。串口通讯控制信号的输入也是利用了扫描，不过单片机内软件所要做的，主要是定义计数器工作及串口协议，如波特率等。成功实现串口通讯后，对获得的数据编辑运算就可以形成对应的控制输出。为避免两种方式的控制信号冲突，程序通过外接开关选定控制方式。整个控制信号输入程序流程图如下：图 6 输入扫描程序流程图选 择 判 定关 闭 输 入 低 四 位 有键 按 下 ？速 度 控 制与 显 示高 位 有 键按 下 ？方 向 控 制与 显 示有 输 入 ？存 储 接

19、 收 的数 据 并 返 回指 令 分 析电 机 控 制 运算 与 显 示开 始串 口 输 入 键 盘 输 入是否 是 否 否是83.2 步 进 电 机 控 制 程 序 设 计确 定 方 案 的 时 候 已 经 提 到 ， 对 步 进 电 机 的 控 制 主 要 是 对 单 片 机 输 出 脉 冲 频 率 的 控制 。 频 率 的 快 慢 必 然 是 要 有 时 间 来 衡 量 的 ， 显 然 要 使 用 单 片 机 内 部 的 计 时 器 进 行 计 时 ，电 平 输 出 指 令 就 在 计 时 器 中 断 程 序 中 。 每 当 计 时 结 束 ， 就 执 行 一 次 比 较 运 算 并 改

20、 写 电平 与 原 来 相 反 。 值 得 注 意 的 是 ， 由 于 单 片 机 计 时 器 的 计 时 是 对 预 存 的 起 始 量 进 行 减 运算 。 这 样 ， 要 想 加 快 电 机 速 度 提 高 输 出 频 率 就 要 减 小 速 度 标 量 B， 以 减 少 两 者 比 较 次数 ， 更 频 繁 地 执 行 中 断 以 改 写 电 平 ， 从 而 达 到 提 高 频 率 的 目 的 。 频 率 控 制 原 理 图 如 图7 所 示 ：图 7 频 率 变 化 原 理由 图 可 以 明 显 地 看 出 ， 速 度 标 志 量 越 小 ， 输 出 波 形 的 频 率 越 快 。

21、由 此 可 以 确 定 键盘 控 制 和 串 口 控 制 下 ， 步 进 电 机 控 制 算 法 程 序 的 流 程 图 如 下 ：图 8 步 进 电 机 控 制 程 序 流 程 图3.3 程 序 分 析 及 说 明本 设 计 的 程 序 采 用 了 多 个 变 量 ， 其 中 Runspeed 变 量 在 控 制 输 入 和 控 制 输 出 之 间计 数 器 计 时cnt=RuSped?输 出 电 平 取 反 控 制 要 求RunSped+2计 时 结 束cnt+ RunSped-2有 控 制 量输 入 ？开 始 减 速 加 速否 是否是9起 枢 纽 作 用 ， 可 以 说 对 Runspe

22、ed 的 控 制 就 是 对 电 机 速 度 的 控 制 。 计 数 器 环 节 中 ，Cnt 变 量 的 使 用 让 计 时 器 解 放 出 来 成 为 独 立 的 走 时 ， 把 对 计 时 中 断 次 数 的 统 计 作 为 计算 量 ， 而 计 数 器 本 身 不 参 与 逻 辑 运 算 。 这 样 大 大 提 高 了 单 片 机 内 有 限 个 计 时 器 的 利 用率 ， 当 有 新 的 控 制 需 要 时 间 量 度 时 ， 只 需 增 加 变 量 即 可 。 此 外 ， 通 过 取 反 改 变 输 出 电平 的 算 法 简 单 方 便 ， 节 省 了 单 片 机 内 存 空 间 的 同 时 也 节 省 了 有 限 的 数 据 口 。 设 计 程 序从 多 方 面 充 分 提 高 单 片 机 的 利 用 率 ， 是 值 得 推 广 的 。4 系 统 的 仿 真 与 调 试仿 真 时 ， 先 完 成 由 键 盘 控 制 的 一 台 步 进 电 机 的 加 速 减 速 控 制 ， 确 定 键 盘 扫 描 、 电