基于单片机的步进电机控制系统.pdf
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1、第 2 1 卷第 1 期 2 0 o 9 年2 月 宁德师专学报(自然科学版)J o u rna l o f N i n g d e T e a c h e m C o U e g e(N a t u r a l S c i e n c e)Vo 1 2 l No 1 F e b 2 0 o 9 基于单片机的步进电机控制系统 陈 石 龙(宁德师范高等专科学校现代教育技术室,福建 宁德3 5 2 1 0 0)摘要:采用基于 A T 8 9 C 5 1 单片机为核心,包 括系统硬件设 计和系统软件设计,来实现对步进 电机 的控制 系统为一 自动控制系统,通过按键向单片机输 送控制信号,控制步进电机
2、的转 速和正反转,以及控制悬挂物体 在做 自行运动 采 用 A T 8 9 C 5 1 单片机指令系统进行编程来实现软件部分 经测试,系统能实现上述功能 关键词:A T 8 9 C 5 1;步进 电机;控制系统 中图分类号:T P 3 6 8 1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 4 2 9 1 1(2 0 0 9)0 1 0 0 1 6-0 4 在电气时代的今天,电动机一直在现代的生产和生活起着十分重要 的作用 据资料统计,现在有 9 0 以上的动力源来 自于电动机,我国生产的电能大约有 6 0 用于电动机 电动机与人们 的生活密切相关 步进电动机作为机电一体化的关键产品之一,是一种专门
3、用于位置和速度精确控制的特种电机 其最大 特点是“数字性”,在控制器的推动下运转一个角度,称为一步或步矩角,非常适合微机和单片机控制 随 着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与 日俱增,在国民经济各个领域都有应用 鉴此,设计 开发了一种基于单片机的步进电机控制系统 1 设 计方案 本控制系统采用 A T ME L公司 MC S 一 5 1系列单片机 A T 8 9 C 5 1 作为微处理器 A T 8 9 C 5 1内部有 4 K的 可编程 E P R O M、1 2 8字节的 R A M(其 中有 l 6个字节既可以作一般的 R A M单元使用,又可对 1 2 8位进 行位操作)、2
4、 1 个特殊功能寄存器、2个 1 6位的定时计数器 以及一个全双工 串行 口,对外有 4个端 口、3 2 条 I O线,它们都具有位寻址功能,使用非常方便 系统采用的步进电机为 Q H 4-4 1 1 9型两相永磁式步进电机,每相线圈的电阻约为 7 0 Q 笔者采用单 电压驱动电路来驱动步进电机,在本质上它是一个简单的反相器 该驱动电路一般适用于小功率步进 电 动机的驱动 本设计 中的步进电机都是小功率的步进电动机,通过对软件的控制来改变步进电机的转速 大小 和正 反转 向的要 求 电源电路采用单路 固定稳压 电源电路,并提供给硬件电路工作电源 使用加速键、减速键、启停键、正反转键、运动键控制
5、步进电机 其整体框图如图 1 所示 2硬 件结构 2 1 电源部分 2 1 1 工作原理将外界低压交流电通过 4个二极 管组 成 的整 流桥进行 整流,并 通过 电容滤波,最后经稳压器 7 8 1 2、7 8 0 5稳压 输 出+1 2 V、+5 V 的直 流稳 压 电源 由于稳 压 器 7 8 1 2所 能承受的电压范 围为 1 5 4 5 V,最佳输入电压取值为 1 5 2 0 V,所以选择比 较适合的 1 5 V交流电作为输入电源硬件 暮 l茧 臣 口 一 匝 一 臣 I 图 1 步进电机控制系统整体框图 收稿 日期:2 O 0 9 0 2 1 O 作者简介:陈(1 9 8 4 一),男
6、,见 习助理工程师,福建福安人,现从事高校现代教育技术工作及研究 E-ma i l:s h i l o n g 1 9 8 4 y a h o o c o rn c F I 第 1期 陈石龙:基于单 片机 的步进 电机控制系统 1 7 电路工作原理图见 图 2 图 2 硬件电路原理图 7 0 p,F 2 V 2 1 2参数计算 根据整流桥特性 RC 1 0 ms,R=了 U 为负载电阻),所 以 C I 1 U 本设计使用的步进电机型号为 Q H 4 4 l l 9,将两组线圈的中间抽头对接起来,形成四相线圈,每相 线 圈的电阻约为 3 5 Q 按本设计 的驱动电路计算,电路正常工作时流经每相
7、的电流约为 2 0 0 mA(计算方 法参照步进电机驱动 电路的参数计算),设计 中用 的步进 电机共为四相,所以流经整流桥后端、供电极工 作的电流要求最少为 1。2 A,再加上后端控制电路的电流,估计输入 电流应大于 1 4 A 这样可算得 C 1至 少要 4 9 0 1 x F 为了安全起见,本设计设置 C 1为 1 0 0 0 1x F 2 5 V 2 2显示部分 显示部分采用单片机 A T 8 9 C 5 1 控制七段 B C D数码管驱动器 C D 4 5 1 1 芯片 A T 8 9 C 5 l的引脚 P 2 3 P 2 O输出数值至 C D 4 5 1 1的 A D输入端 口,经
8、过 C D 4 5 1 l 译码后,在四位数码管上输 出显示 通过单片 机 A T 8 9 C 5 1 控制其 P 2 4,P 2 5,P 2 6,P 2 7的引脚 电平,来选择对应的数码管 的输出显示 数码管采用动态 扫描方式显示,L E D的显示 时间选择在 1 0 2 5 ms 均可,扫描频率不能太高,否则,每位 L E D显示 的时间 过短,亮度太低 2 3 步进电机驱动部分 2 3 1 步进电机的结构步进驱动器接收到一个脉冲信号,就驱动步进 电机按设定的方向转动一个 固 定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行 的 可 以通过控制脉冲个数来控制角 位移量,从而达
9、到准确定位的 目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制 电机转动的速度,从而达到调速 的 目的 步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有 积累误差(精度为 1 0 0)的特点,广泛应 用 于各种开环控制 现在比较常用的步进电机包括反应式步进 电机(V R)、永磁式步进 电机(P M)、混合式 步进电机(H B)和单相式步进 电机等 2 3 2 步进 电机驱动电路原 理分析A T 8 9 C 5 1将控制脉冲从 P l口的 P 1 4 P 1 7输 出控制功率三极 管 2 S D 8 8 2,由功率管 2 S D 8 8 2将脉 冲信号进行 电压和电流放大,驱动步进 电机 的各相绕组,使步进
10、 电机 随 着不同的脉冲信号分别作相应的动作 图 3中 L 1 为步进电机的一相绕组 A r I 8 9 C 5 1选用频率 1 2 MH z的 晶振,选用较高晶振的 目的是为了尽量减小 A T 8 9 C 5 1 对上位机脉冲信号周期的影响 电阻 R1 3 R1 6是 一外接电阻,起 限流作用,也是一个改善回路时间常数的元件 DI D 4为续流二极管,使电机绕组产生的 反 电动势通过续流二极管(D 1 D 4)而衰减掉,从而保护了功率管 2 S D8 8 2不受损坏 在外接电阻上并联 一个电容,可以改善注入步进 电机绕组的电流脉冲前沿,提高了步进电机的高频性能 与续 流二极管串 联 的电阻可
11、减小 回路 的放电时间常数,使绕组 中电流脉冲的后沿变陡,电流下降时间变小,也起到提高 高频工作性能的作用 硬件电路原理图见 图 3 2-3 3 参数计算通过电机每相线圈 的电流的计算 用数字万用表测得每相电阻为 3 5-4 0,三极管集 l 8 宁德师专学报(自然科学版)2 0 0 9 年 2月 电极电压为 1 2 V,三极管饱和导通压降 约为 0 3 V,所 以通 过 每相 电流约 为:(1 2 0 3)3 5 f =3 3 4 m A 考虑到流过三极 管(T 卜T 8)基极 电流大约为 1 A,故 采用 2 S D 8 8 2,电阻(R1 一 R 8)采用普 通碳膜 电 阻,阻值 为 4
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