步进电机调速系统.doc
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1、摘要步进电机是一种由脉冲控制转速的执行机构。其驱动简单,控制精确度高,是日常使用的定位和驱动的工具。控制好步进电机,可以提高定位的精确性,对日常生产有较大的研究意义和应用前景。本文采用51单片机作为主控芯片,L297为电机驱动芯片,L298N为步进电机控制芯片,设计了一个步进电机控制系统。首先介绍了步进电机的转动和控制原理,然后对单片机和驱动芯片做介绍。然后编写控制系统软件。最后采用Proteus进行仿真,并对结果进行分析。关键词:步进电机,单片机,控制系统AbstractStepper motor is controlled by pulse actuators. It is easy to
2、 drive and have high control accuracy, and is a tool for daily use of positioning and driver. Making good control of stepping motor, can improve the accuracy of positioning, so the study of daily production has great significance and application prospect. The 51 single chip microcomputer is used as
3、main control chip, L297 and L298N are used for stepper motor control chip, a stepping motor control system is designed. Firstly introduces the rotation of the stepper motor and control principle, and then introduces MCU and driver chip. Then write control system software. Finally uses Proteus simula
4、tion, and analyze the results. Key words: step motor, single-chip microcomputer, control system 目录摘要1Abstract2目录3第一章 绪论51.1步进电机简介51.2步进电机驱动系统61.3步进电机研究的国内外状况6第二章 51单片机原理82.1 51单片机发展82.2 51单片机介绍82.3单片机最小系统9第三章 步进电机调速系统电路设计113.1 L297步进电机控制器113.2 L298N电机驱动芯片133.3 显示电路设计143.3.1 LM016L液晶模块143.4 按钮163.5 电
5、源电路16第4章 软件设计174.1 主程序设计174.2 速度运算子程序184.3 显示子程序18第五章 Proteus仿真205.1 Proteus简介205.2 Proteus仿真20结论25参考文献26致谢28第一章 绪论1.1步进电机简介步进电机是一种由脉冲控制转速的执行机构。它由转子和定子组成。定子是由硅钢片叠成,装上绕组。转子也是由硅钢片叠成,做成突级结构。常用的三相反应式步进电机的定子有6个磁极,转子有4个突齿。其工作的原理是电磁工作原理。当ABC相分别导电时,转子的凸齿与相应的相的绕组相对,这样来控制转子的转动。只要改变绕组的通电顺序就能改变步进电机的转动顺序。绕组的通电方式
6、有:单三拍、六拍和双三拍等。其中单三拍是指每次只有一相通电,双是两相通电,拍是指通电的次数。拍数越少步距角越大,否则越小。输入的脉冲数越多,步进电机转动的角度就越多。同时,输入频率越高,则步进电机的转速就越快。同时,通过控制脉冲数量,就可以控制步进电机的转动的位置,因此还能使用步进电机进行定位。步进电机具有以下特点(1) 控制简便步进电机可以根据输入脉冲的数量控制旋转的角度,因此控制转动角度十分方便;还可以通过控制脉冲的频率控制步进电机的转速。而对于数字控制,对数量和频率的控制十分便利,因此步进电机的控制十分简单。(2) 可以开环控制由于步进电机的转速误差不会累计,因此只要步进电机能正常工作,
7、就只需要调节脉冲来控制速度即可达到一定的精度。(3) 寿命长不用电刷,寿命取决于轴承。步进电机当然也有缺点:(1) 不适宜带惯性负载(2) 驱动需要使用脉冲,对驱动电路有要求。(3) 转速上升的同时,转矩下降步进电机在启动和停止时容易失步,在脉冲频率过高、负载过大时也会。1.2步进电机驱动系统步进电机的性能与驱动器的性能有很大关系。驱动器给步进电机的各相绕组提供一定规律的脉冲,使得步进电机转动。通过改变脉冲的规律便可以控制步进电机的转动方向。当步进电机和控制器的参数设计好后,系统的性能就取决于驱动器,因此驱动器的性能对于步进电机控制系统来说十分重要。驱动方式主要分为:单电压驱动,高低压驱动,斩
8、波恒流驱动,调频驱动等。(1) 单电压驱动:这种驱动方式的最大特点就是简单。它是通过在电路中串联电阻来改善电路时间常数。但是这种方法会产生大量的功耗,不利于节能。适用于小功率的要求不高的电机。 (2) 高低压驱动:电机每相绕组导通时,首先施加高电压,使电流快速上升,当电流上升到额定值时,将高电压切断,回路电流以低电压电源维持(3) 斩波恒流驱动:为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹,提高输出转矩,人们研制出斩波电路,采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动(4) 调频调压驱动:特点是施加在电机绕组的电压随工作频率的变化作相应的改变,步进电机在低频时工作在低压状态,减少能量的注入,从而抑
9、制振荡1.3步进电机研究的国内外状况目前在数控生产等定位领域,步进电机得到了大量的应用。如何改进步进的电机的控制方法,提高控制精度成为很多国家的研究方向。目前,我国在步进电机的精确控制方面和发达国家相比还有一定的距离。发达国家利用自己在步进电机精确控制上面的优势,不断开拓全球市场,因此国内的控制企业受到的冲击比较大。要掌控自己的市场,就需要投入更多的人力物力到步进电机的精确控制的研究上面。1983年,LINL实验室验证的精密机床的定位精度就已经达到0.025um的水平。日本也在这方面投入了大量的人力物力,进行精密机床的研制。各国在这方面的尖端技术都是保密的,并且技术还都没有对我国开放。而开放这
10、种技术是我国十分需要的。因此我们国家只能依靠自己,自力更生,投入大量资金进行研发,在这方面进行突破。步进电机驱动的研究主要集中在驱动方式和电路设计两个方面。其中驱动方式往斩波恒流、SPWM方向发展,能够提供控制精度。而驱动电路设计方面,很多采用了单片机加驱动芯片,或者是DSP加驱动芯片的电路设计方式。第二章 51单片机原理2.1 51单片机发展8051单片机诞生于20世纪80年代,由Intel公司开发。Intel公司成立于1968年,是世界上最大的PC中央处理器生产厂商,世界五百强企业。8051自诞生之后,不断地改进,很多公司均推出了以其为核心的单片机,这些公司有美国的Atmel,台湾的Win
11、ond,德国的siemens,日本的Fujutsu、OKI,他们生产的单片机集成了A/D、PWM、高速I/O等外设,但是其内核依然是8051,且相互间可以指令兼容。这样给全球各地的客户带了更广阔的的选择空间,也给技术开发人员的科研工作带来了便利。8051分为片内ROM和无片内ROM两种类型。无片内ROM的单片机需要在外部加上EPROM才能正常工作。带片内ROM的分为EPROM、FLASH和掩膜ROM。还有一些是带有OTP的芯片。片内EPROM和片内Flash多用于开发样机,等技术成熟,要进行生产后,会改为采用带掩膜片内ROM的单片机进行生产。8051采用哈佛结构,数据存储器和程序存储器在逻辑上
12、是相同的地址空间,但是物理空间确是不同的,访问时,采用不同的指令和寻址方式。片内具有32个通用寄存器,可以用于中断和子程序。另外,其RAM中还有一个位寻址区,专门用于各种开关控制问题,可以对每一位进行控制。8051内部包括一个CPU,ROM、RAM、定时器/计数器、并行接口、串行接口和中断系统。RAM用来存储数据,ROM存储程序,定时器/计数器可以用来定时或是计算事件的数目,中断系统处理中断事件。这些内部的结构都是通过总线连接。总线用来传输数据、地址和控制信号。2.2 51单片机介绍运算器由逻辑单元、累加器、暂存寄存器和程序状态字寄存器构成。逻辑单元ALU主要任务是完成二级制数据的运算,其结果
13、会对PSW产生影响。运算器中最繁忙的是累加器ACC,因为ACC输出很多会成为ALU输入,而ALU的输出又会送到ACC。PSW是8位寄存器,用于存放运算结果。控制器包括定时控制逻辑、指令寄存器、译码器、计数器、数据指针,堆栈指针、地址寄存器和地址缓冲器。它的任务是对指令进行译码并发出内部和外部的控制信号。程序计数器用于存放下一个要运行的指令的地址。堆栈指针用于指示堆栈的起始地址。指令译码器,对进入其中的指令进行译码,CPU根据这些代码确定输出的控制信号。数据指针寄存器,它是16位寄存器,分为高位字节和低位字节,用来访问外部的RAM和ROM。其引脚和功能如下1 VCC(40):电源+5V。2VSS
14、(20):接地,也就是GND。3XTL1(19)和XTL2(18):振荡电路。 单片机是一种时序电路,必须有脉冲信号才能工作,在它的内部有一个时钟产生电路,有两种振荡方式,一种是内部振荡方式,只要接上两个电容和一个晶振即可;另一种是外部振荡方式,采用外部振荡方式时,需在XTL2上加外部时钟信号。4 PSEN(29):片外ROM选通信号,低电平有效.5ALE/PROG(30):地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。6RST/VPD(9):复位信号输入端/备用电源输入端。7 EA/VPP(31):内/外部ROM选择端。8P0口(39-32):双向I/O口。9P1口(1-8):准双向通用I/
15、0口。10 P2口(21-28):准双向I/0口。11P3口(10-17):多用途口。I/O就是英文IN/OUT的缩写,(就是输入/输出的意思),这32个I/O口就是留给我们作连接外围电路用的。2.3单片机最小系统单片机最小系统是指这样配置后的单片机能够正常工作,且其使用的元器件是最少的。单片机最小系统由单片机、电源电路、时钟振荡电路和复位电路构成。电源电路给单片机提供可靠的电源,由于单片机使用的是5V电,所以电源应该能将外部电源转换为5V电压。晶振电路是给单片机提供基本的时序,这个时序是单片机中各个部分统一协调工作、不发生混乱的保证。晶振的速度决定了单片机工作的速度,单片机中执行一条代码的时
16、间为一个机器周期,它包含了6个状态周期,而一个状态周期包含2个振荡周期,即执行一条代码需要12个周期。一般购买产品的时候大家都会选择速度最快的电子产品,认为速度越快越好,但是单片机工作时,越高的工作频率也意味越高的损耗,因此选择晶振频率时,以完成需要的功能为前提,选择最小的频率。复位电路的作用是给单片机回到一个初始状态,这样其中的寄存器等设备均有一个确定的起始状态,另外有时候程序写的不好,单片机程序跑飞的时候,也需要复位,使程序从头开始执行。复位电路分为上电复位和外部复位两种。第三章 步进电机调速系统电路设计3.1 L297步进电机控制器L297是步进电机专用控制器,能产生4相控制信号, 可用
17、于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机。其实物图如图所示。能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式 控制步进电机。这个芯片使用了SGS公司的AD兼容I2L技术。它的引脚图如图所示各个引脚的功能和说明如下:1脚(SYNC)斩波器输出端。如多个297同步控制,所有的SYNC端都要连在一起,共用一套振荡元件。如果使用外部时钟源,则时钟信号接到此引脚上。22脚(GND)接地端。3脚(HOME)集电极开路输出端。当L297在初始状态(ABCD=0101)时,此端有指示。当此引脚有效时,晶体管开路。4脚(A)A相驱动信号。5脚(INH1)控制A相和B相的驱动极。当此引脚为低电平时,A相、B相驱动控制被禁止;当
18、线圈级断电时,双极性桥用这个信号使负载电源快速衰减。若CONTROL端输入是低电平时,用斩波器调节负载电流。6脚(B)B相驱动信号。7脚(C)C相驱动信号。8脚(INH2)控制C相和D相的驱动级。作用同INH1相同。9脚(D)D相驱动信号。10脚(ENABLE)L297的使能输入端。当它为低电平时,INH1,INH2,A,B,C,D都为低电平。当系统被复位时用来阻止电机驱动。11脚(CONTROL)斩波器功能控制端。低电平时使INH1和INH2起作用,高电平时使A,B,C,D起作用。12脚(Vcc)+5V电源输入端。13脚(SENS2)C相、D相绕组电流检测电压反馈输入端。14脚(SENS1)
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