基于单片机的步进电机的设计-毕设论文

基于单片机的步进电机的设计-毕设论文内容摘要：

技术的优秀部分，对 MCU系统将是一种扬弃，但在电子技术的设计操作和系统构成的整体上却发生了质的飞。 如果说 MCU在逻辑的实现上是无限的话，那么 CPLD/FPGA 不但包括了 MCU 这一特点 ， 而且还可触及硅片电路限度的物理极限，并兼有串行工作方式、高 速、高可靠性以及宽口径适用性等诸多方面的特点，不但如此，随着 EDA 技术的发展和 CPLD/FPGA 向深亚微米领域的进军，它们与 MCU、 MPU、 DSP、 A/D、 D/A、 RAM 和 ROM 等独立器件间的物理与功能界限将日益模糊。 特别是软 /硬 IP 芯核产业的迅速发展 ，嵌入式通用与标准 FPGA 器件呼之欲出，片上系统 (SOC)既将问世。 正越来越受到业内人士的密切关注。 由 MCU 为主构成的电子应用系统通常出现的问题可分为 2 类：一类是纯技术问题，如软件设计、接口器件的选择及抗干扰措施的应用问题，这些问题通常属于可解决之列；另一类 则直接与 MCU 本身相关，既与 MCU与生俱来的一些不可克服的弱点相关。 单片机还面临着 CPLD/FPGA 的严峻挑战。 单片机的发展趋势 进入 21 世纪之后，随着科学技术的日新月异，单片机向高速、高性能化、大容量、外电路内装化、片上系统（ SOC）等方向飞速发展。 今后相当一段时期内，单片机的发展趋势将具有以下一些特点。 1)低功耗 CMOS 化 MCS51 系列的 8031 推出时 功耗 630mW，而现在的单片机普遍都在 100mW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CMOS(互 补金属氧化物半导体工艺 )。 CMOS 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态 ， 在单片机领域 CMOS 正在逐渐取代 TTL 电路。 基于 Proteus 与 AT89C52 的步进电机控制设计 4 2)外围电路内装化 这也是单片机发展的主要方向。 随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。 除了一般必须具有的 CPU、 ROM、 RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模 /数转换器、 DMA 控制器、中断控制器、锁相环、频率合成器、声音发生器、 CRT 控制器、译码驱动器等。 3)SOC 嵌入式系统 随着集成技术的发展，单片机将 进一步发展成 SOC 嵌入式系统。 即一块芯片就是一个完整的以单片机为内核的嵌入式应用系统。 这个应用系统是具有明确的应用对象的系统，包括了传感器在内的所有硬件组织的全部应用软件。 这样系统体积更小，可靠性更高。 目前国内外正在加大投入，研究 SOC 系统芯片。 不久，单片机将进入 SOC 时代。 4)低噪声、高可靠性 提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施，使其具备低噪声与高可靠性。 5)高性能、大容量 进一步改变 CPU 的性能， 加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。 采用精简指令集（ RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。 现指令速度最高者已达 100MIPS（ Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理、中断和定时控制功能。 这类单片机的运算速度比标准的单片机高出 10 倍以上。 随着单片机性能的增强，可以使用在复杂控制的场合。 为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。 单片机的应用 由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活 的得力助手。 它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面： 1)智能仪器仪表 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 2)机电一体化领域 机电一体化是机械工业发展的方向，机电一体化产品是指集成机械技术、微基于 Proteus 与 AT89C52 的步进电机控制设计 5 电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。 单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。 3)实时控制领域 单 片机广泛地用于各种实时控制系统中。 例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。 单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。 4)分布式多机系统 在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。 多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。 单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。 单片机的高可靠性和强抗干扰能力， 使它可以置于恶劣环境的前端工作。 5)家电消费类产品 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。 单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。 综 上 所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。 单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。 从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。 这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统 控制技术的一次革命。 基于 Proteus 与 AT89C52 的步进电机控制设计 6 2 系统的总体方案设计 本系统将单片机 AT89C52 产生的驱动脉冲通过 功率放大器 放大，从而驱动步进电机。 通过 4 个按键，实现步进电机的正转、反转、加速、减速等功能，通过软件与硬件相结合的控制方法，实现了运用单片机对步进电机的稳定控制，实现 grade 0~grade 9 十级变速，转速分别是 3， 5， 8， 10， 12， 15， 30， 40， 60，120 转 /分钟，变速范围较广，并采用 LCD1602 显示屏即时显示控制电动机的转动信息。 系统软件编写遵循模块化设计的原则，代码具有良好的易维护性和可移植性。 本系统操作方便，可靠性高，其设计精度可以满足一般工业控制的要求，能够应用到实际的生产生活中，能满足现代化生产的需要，实现了对步进电机的良好控制。 系统分析 系统功能分析 本设计旨在实现一种 超声波测距壁障 系统，使得机器设备能够通过该系统 .基于以上目标，本设计实现的系统应当具备以下功能： 1)可通过按键控制步进电机的转速和转向。 2)在一定时间内驱动电动机到达设置的转速和转向。 3)采取一定策略保证电机控制系统的稳定性。 4)显示步进电机速度及转向。 系统原理结构 图 21 系统的原理结构框图 如图 21 所示，本系统的主要功能模块有： MCU 控制模块、步进电机驱动基于 Proteus 与 AT89C52 的步进电机控制设计 7 模块、显示模块、键盘模块。 单片机是本系统的中枢， 达林顿 功率驱动模块用来将 单片机脉冲 信号转换为电动机驱动信号，键盘和显示器是本系统的人机接口。 技术方案可行性研究 步进电机的选型 步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 度 或 15 度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 度，但噪声和振动都很大。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。 精确度高、转矩大、步进角度小。 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。 反应式（ VR） 永磁式（ PM） 混合式（ HB） 图 22 步进电机的结构 反应式步进电机（ VR）在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰。 而混合式步进电机（ HB）由于其步距角小、精确度高、功耗小等原因价格较贵，主要用于工业平台领域。 永磁式步进 电机具有启动频率低、控制功率小、断电时具有一定的转矩保持、步距角大等特点，多用于小型使用场合以及实验平台，且价格较便宜。 本系统在 Proteus 仿真中所使用的步进电机，由于步距角可调，可以设计为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机中任意一种。 而在后期硬件电路 的搭建中，考虑到以上的综合因素，选用了永磁式步进电机。 其型号为35BY48BH10。 具体参数如下表： 表 21 35BY48BH10 型步进电机参数 型号 步矩 角 相数 电压 电流 电阻 最大静转矩 定位转距 转动惯量 35BY48BH10 176。 4 12V 42Ω 基于 Proteus 与 AT89C52 的步进电机控制设计 8 图 23 永磁式步进电动机示意图 图 24 35BY48H10 型步进电机接线图 步进电机的控制方式 在步进电机的微机控制中，包括开环控制和闭环控制两大类。 步进电机开环控制中，不包含反馈通道，这样就使得控制系统的成本较低，但是为了保证控制系统少出错，在设计时必须要考虑一定得富裕度，即驱动脉冲的频率不宜过高，电机的负载不能太重。 开环控制的基本原理图如下，在有些系统中，也将脉冲分配由微机 软件来实现，即图中虚线框内的功能全部由单片机来实现。 图 25 开环控制的基本原理框图 在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的 CP 脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。 系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。 一种是延时，一种是定时。 延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的 CP 脉冲或换向周期。 延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是 CP 脉冲的周期，该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同 速度的运行。 但占用 CPU 时间长，不能在运行时处理其他工作。 因此只适合较简单的控制过程。 定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出 CP 脉冲的周期。 当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器基于 Proteus 与 AT89C52 的步进电机控制设计 9 产生中断，系统转去执行定时中断子程序。 将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。 由于从定时器装载完重新启动开始至定时器申请中断止，有一定的时间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误 差，实现精确定时，要对重装的计数初值作适当的调整。 调整的重装初值主要考虑两个因素一是中断响应所需的时间。 二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值前中断服务程序重的其他指令因。 综合这两个因素后，重装计数初值的修正量取 8 个机器周期，即要使定时时间缩短 8 个机器周期。 用定时中断方式来控制电动机变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小。 在控制过程中，采用离散办法来逼近理想的升降速曲线。 为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的ROM中，系统在运行中用查表法查出所需的装载值 ，这样可大幅度减少占用 CPU的时间，提高系统的响应速度。 大多数步进电机运动控制系统都运行在开环状态下，因为成本较低，并可提供运动控制技术固有的位置控制，无须反馈。 但是，在个别应用中，需要更多的可靠性、安全性或产品质量的保证，因此，闭环控制也是一种选择。 与开环控制不同的是，闭环控制具有反馈通道。 闭环控制的基本原理图如下 ： 图 26 闭环控制的基本原理框图 以下是一些实现步进电机闭环控制的方法： 1)步进确认，这是最简单的位移控制，使用光学编码器计算步进移动的数量。 一个简单的回路与指令校验的步进电机比较， 验证步进电机移动到预计的位置； 2)反电动势：一种无传感器的检测方法，使用步进电机的反电动势信号，测量和控制速度。 当反电动势电压降至监测探测水平时，闭环控制转为标准开环，完成最终的位移移动； 3)全伺服控制，指全时间的使用反馈设备，用于步进电机、编码器、解码器、基于 Proteus 与 AT89C52 的步进电机控制设计 10 或其它反馈传感器上，从而更为精确地控制步进电机位移和转矩。 其它的方法包括各种不同的反电动势控制电机参数测量和软件技术，一些制造企业都会使用这些方法。 这里，步进驱动监控和测量电机线圈，使用电压额电流信息提高步进电机控制。 正阻尼使用这一信息阻挡振动的速 度，产生更多的可用的转矩输出，降低转矩的机械振动损耗。 无编码器安装监测采用信息检测同步速度的损耗。 闭环控制由于具有反馈通道，因此，可以在失步时通过反馈回来的信号调整脉冲的输出，这样可以取得比较好的控制效果，但是，通常闭环系统成本过高，同时比较容易受到机械系统中的传动间隙等非线性因素引起机械振荡，若要保证优良的动态性能，不如选用直流或交流位置伺服系统。 在步进电机的控制中，一般不采用闭环控制，而更多的采用开环控制。 基于以上的综合考虑，在本系统的设计中，采用开环控制。