1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 步进电机控制系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件，特点是定位精度高且具有较高的重复定位精度，对转矩要求不高而对定位敏感的场合 比如打印机步进电机是理想之选。 PSoC 英文全称 Programmable System on Chip，意思就是可编程片上系统。相比于传统单片机， PSoC 不仅仅是一颗 MCU，它是综合了模拟，数字和混合信号的可编程系统。我们常用的 ADCs， DACs，过滤器，比较器等等都包含在这
2、颗芯片的内部， 所以当用 PSoC 进行系统设计的时候可以简化外围电路。 采用 PSoC 进行步进电机控制系统的设计，需要用到软件 PSoC Designer 进行 PSoC 的配置，设计工作主要在视窗环境完成，只需要编写少量的代码就可以完成对 PSoC 的 配置，这也是 PSoC 的优点之一，开发周期较短，外围电路少，容易控制成本。本文所讨论的步进电机控制器可以进行步进电机的正反转和微步控制，步进电机主要优势就是控制精度高，定位准确误差不累加。而微步控制就是发挥步进电机优势的动力。并且步进电机无电刷、寿命长，在打印机，咖啡机等对位置敏感的场合步进电机是理想之选。 关键词： PSoC；步进电机
3、； PSoC Designer；微步控制 - 2 - Abstract Stepper motor is the electric pulse signals into angular displacement or linear displacement of the control elements, characterized by high positioning accuracy and repeatability with high precision positioning of the torque is sufficient and sensitive occasions s
4、uch as printer, the stepper motor Is the ideal choice. English name PSoC Programmable System on Chip, which means programmable system on chip. Compared to conventional single chip, PSoC is not just an MCU, it is a combination of analog, digital and mixed-signal programmable system. We used ADCs, DAC
5、s, filters, comparators, etc. are included in this chip inside, so when the system design with the PSoC can be simplified when the external circuit. Stepper Motor Control using PSoC for system design, need to use the PSoC PSoC Designer software configuration, design work is mainly done in the Window
6、s environment, only a small amount of code written to complete the configuration of the PSoC, which is also the advantage of PSoC First, the development cycle is shorter, less peripheral circuit, easy to control costs. Discussed in this article can be stepper motor controller stepper motor reversing
7、 and micro-step control, the main advantage is the control of stepping motor and high precision, accurate positioning error is not cumulative. The micro-step stepping motor control is to play a dominant power. And brushless stepper motor, long life, in the printer, coffee and other sensitive places
8、on the position of the stepper motor is ideal. Key words:PSoC; Stepper Motor; PSoC Designer; Micro-step Control - 3 - 目 录 1 绪论 .1 1.1 研究背景和意义 .1 1.2 国内外研究现状 .2 1.3 主要研究内容 .3 1.4 论文内容概述 .3 2 步进电机概述 .5 2.1 步进电机的应用 .5 2.2 步进电机的结构和特点 .5 2.2.1 步进电机的结构 .5 2.2.2 步进电机的特点 .7 2.3 可变磁阻步进电机的工作原理 .8 2.4 步进电机的常用控
9、制方法 .9 2.4.1 单相通电的整步步进模式 .9 2.4.2 双相通电的整步步进模式 .10 2.4.3 半步步进模式 .10 2.4.4 微步步进模式 . 11 3 PSOC 单片机 概述 .12 3.1 PSOC的结构和特点 .12 3.1.1 PSoC 的结构 .12 3.1.2 PSoC 的特点 .14 3.2 PSOC的应用与设计优势 .15 3.2.1 PSoC 的应用 .15 3.2.2 PSoC 的设计优势 .16 3.3 PSOC的开发工具 .17 4 系统硬件设计 .23 4.1 步进电机控制系统组成 .23 4.2 用户接口 .23 4.3 驱动电路 .24 4.4
10、 检测电路 .25 4.5 电源 .25 5 系统软件设计 .27 5.1 使用 PSOC DESIGNER 5.0 新建工程 .27 5.2 模拟用户模块的配置 .28 5.2.1 PGA 模块的配置 .29 5.2.2 DAC 模块的配置 .30 5.2.3 CMP 模块的配置 .31 5.3 数字用户模块的配置 .32 - 4 - 5.3.1 PWM 模块配置 .32 5.3.2 其他数字模块配置 .33 5.4 程序编写 .34 6 总结 .36 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .37 附录 1 PSOC 用户模块配置图 .38 附录 2 主电路图 .39 附录 3 驱动电
11、路图 .40 附录 4 程序源代码 .41 - 1 - 1 绪论 1.1 研究背景和意义 步进电机又称为阶跃电动机或脉冲电动机，它是基于最基本的电磁感应作用， 是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 ，由于其具有的显著特点，使得它在电机的大家族中扮演着很重要的角色。 虽然步进电机是一种数控元件，易于同数字电路接口。但是，一般数字电路的信号远远不足以驱动步进电机，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机，步进电机和步进电机驱动电路两者组成步进电机系统。随着 电力电子技术、自动化控制技术以及计算机技术的发展，开始大量使用单片机、 FPGA、 CPLD、PLC 等对步进电机进行控制和驱动，结果是缩短
12、了驱动器的研发周期，明显提高了整机的性能和稳定性。图 1-1 是常见的步进电机外观。 图 1-1 步进电机的外观 PSoC 可编程片上系统比标准的固定功能的微控制器有明显的优势， 采用一个微控制器，一个 PSoC器件最多可集成 100种外设功能， PSoC系统集成有 MCU、FLASH 及可编程模拟和数字模块，与上面提到的方案相比通过 PSoC 单片机控制步进电机，可以实现低成本，小体积，单芯 片，高效率的开发，甚至可以在开发最后一刻根据突发状况而改变方案 1。 - 2 - 1.2 国内外研究现状 步进电机的原始模型起源于 1830 年至 1860 年，我国步进电机的研究及发展开始于上世纪 5
13、0 年代后期，最初主要是国家资助的高等院校和科研机构为研究一些装置开发的少量产品。至今，各种混合式步进电机及驱动器作为产品被广泛生产和应用。 1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到 20世纪 60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断 改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最
14、多。 70年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。 70年代中期至 80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能 电动机不断被开发。至 80年代中期以来，由于步进电机精确模 型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。 步进电机现应用于工业自动控制、组合机床、数控机床、机器人、计算机外围设备、大型望远镜、卫星天线定位系统等等。随着科技的发展、技术的进步和电子技术的更新，步进电机的应用领域变得更加的宽广，这样也对步进电机的运行性能提出了更加苛刻的要求 2。 目前在大功率的工业设备驱动上，很
15、少使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来看，优势不明显。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功 率的场合，还是主要使用步进电机，例如打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。 目前 ,国内生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。 - 3 - 1.3 主要研究内容 本设计主要是研究基于 PSoC(Programmable System on Chip)的步进电机控制，采用 PSoC 控制步进电机的启停控制
16、，正反转控制和微步控制。 1 研究步进电机控制系统 （ 1）研究步进电机的结构及其工作原理； （ 2）研究常用 步进电机控制的设计方案。 2 硬件系统及软件设计 （ 1） 分析基于 PSoC 的步进电机控制的解决方案，确定系统设计中需要用到 Cy8C29466 的内部结构、通用 I/O 数目、系统资源等参数 ； （ 2）系统的整体硬件结构设计，包括芯片使用和其他外围电路设计； （ 3）设计步进电机驱动模块电路、速度显示模块电路，并绘制原理图，制作 PCB 板； （ 4）应用 C 语言编写系统应用程序； （ 5）进行系统软硬件的最终调试。 1.4 论文内容概述 首先本文介绍了什么是步进电机，步进
17、电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机是一种感 应电机，由于具有显著的特点，使得它在电机的大家族中扮演着很重要的角色，它是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在 CNC 数控机床中，步进电机可以驱动加工平台做精确定位。在咖啡机中，步进电机可以控制液体流量及开关门仓。在汽车仪表中，步进电机控制已经取代了传统机械式表盘。打印机中，步进电机可以控制纸张的进出位置。 然后介绍了什么是 PSoC， PSoc 的整体结构包括 PSoc 内核（ PSoc Core）、数字系统（ Digital System）、模拟系统（ Analog System）、系统资源（ System Res
18、ource）四部分组成，包含时钟源， Flash， SRAM 和 MCU 本身。 PSoC 与传统单片机相比的优势正是可编程数字模块和模拟模块。 PSoC 与传统单片机优势颇多，接下来本文介绍了 PSoC 开发所需要的软件，然后结合 PSoC 的优势进行硬件设计和软件调试。 - 4 - 我们可以看出在基于 PSoC 步进电机微步控制方案中， PSoC 的价值在于，通过内部丰富的资源实现步进电机的高精度控制，它内部高度集成了普通单片机的结构，可编程模拟和数字模块，包括数模 /模数转换器，模拟运放器，模拟比较器。这样使得设计更加灵活，用户可以方便的修 改方案，而不必重新的排版。高度集成使得成本更低
19、，节省了外围电路装配等工艺流程，使得设计周期大幅缩短。 通过 PSoC 控制步进电机，可以实现低成本，高效率，二次开发相当简便，甚至可以在开发最后一刻根据突发状况改变设计完成设计方案，可以说 PSoC 在步进电机控制中的意义十分明显。 - 5 - 2 步进电机概述 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同 时我们也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 2.1 步进电机的应用 步进电机的转
20、矩较小，但定位精确，所以在对位置有较高要求且速度不快和转矩不高的应用中，步进电机大显伸手。无论是在工程控制还是消费领域，步进电机都几乎随处可见。例如，在 CNC 数控机床中，步进电机可以驱动加工平台做精确定位。在平时生活中，比如咖啡机，步进电机可以控制液体流量以及开关门仓。在数字探头里，步进电机可以用来调节镜头焦距以及调节探头做 360 度得旋转，在汽车仪表中，步进电机控制的表盘已经取代了传统机械式表盘 。在打印机中，步进电机可以控制纸张进给。在机器人中，关节的活动也是由步进电机来驱动 3。 2.2 步进电机的结构和特点 2.2.1 步进电机的结构 根据内部结构的不同，常用的步进电机又分为三类： 1 可变磁阻步进电机 （ VR） 如图 2-1所示，可变磁阻步进电机的存在历史十分悠久，也可称之为反应式步进电机。顾名思义，在其步进过程中，磁通经过的磁阻是在不断变化的。转子是由软磁材料组成，在其圆周上加工出许多的齿牙。而定子也由带有绕组的磁极构成。转子的齿数在设计时能被二整除，但不能被相数整除。
