基于STM32的步进电机控制系统

基于STM32的步进电机控制系统
基于STM32的步进电机控制系统

基于STM32的步进电机控制系统

沈阳航空航天大学

2010年6月

摘要

本文的主要工作是基于STM32步进电机控制系统的设计。随着越来越多的高科技产品逐渐融入了日常生活中,步进电机控制系统发生了巨大的变化。单片机、C 语言等前沿学科的技术的日趋成熟与实用化,使得步进电机的控制系统有了新的的研究方向与意义。本文描述了一个由STM32微处理器、步进电机、LCD显示器、键盘等模块构成的,提供基于STM32的PWM细分技术的步进电机控制系统。该系统采用STM32微处理器为核心,在MDK的环境下进行编程,根据键盘的输入,使STM32产生周期性PWM信号,用此信号对步进电机的速度及转动方向进行控制,并且通过LCD显示出数据。结果表明该系统具有结构简单、工作可靠、精度高等特点.

关键词:STM32微处理器;步进电机;LCD显示;PWM信号;细分技术

Abstract

As well as the high-tech products gradually integrated into the daily life,servo control system has undergone tremendous changes.SCM and C language of the frontier disciplines such mature technology and practical,steering control system is a new research direction and meaning.This paper describes a STM32 microprocessors, steering, LCD display and keyboard, Based on the STM32 servo control system of PWM signal,This system uses STM32 microprocessor as the core, MDK in the environment, according to the keyboard input , STM32 produce periodic PWM signal, with this signal to the velocity and Angle of steering gear control, and through the LCD display data. The features of the simple hardware, stable operation and high precision are incarnated in the proposed system.

Keywords:STM32 microprocessors; Steering system; LCD display;pulse width modulation signal;Subdivide technology

目录

第1章绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 课题目标及意义 (2)

1.3 课题任务及要求 (3)

1.4 课题内容分析与实现 (3)

1.5 课题论文安排介绍 (3)

第2章步进电机控制系统的总体方案论证 (5)

2.1 总体方案 (5)

2.2 步进电机控制系统硬件方案 (5)

2.3 步进电机控制系统软件方案 (6)

第3章系统的硬件设计 (7)

3.1 STM32开发板简介 (7)

3.2 步进电机模块 (8)

3.2.1 步进电机驱动模块 (8)

3.2.2 步进电机驱动控制模块 (10)

3.2.3 步进电机的一些特点 (11)

3.2.4 步进电机的一些基本参数 (12)

3.2.5 步进电机的驱动方法 (13)

3.3 A/D转换模块 (13)

3.3.1 模拟/数字转换(ADC)介绍 (13)

3.3.2 模拟/数字转换(ADC)主要特性 (13)

3.3.3 模拟/数字转换(ADC)功能描述 (14)

3.4 LCD显示模块 (16)

3.5 硬件电路 (17)

第4章控制系统软件设计 (18)

4.1 控制系统软件设计步骤 (18)

4.2 Keil for ARM软件开发环境 (19)

4.3 PWM细分技术简介 (20)

4.3.1 PWM细分技术简介 (20)

4.3.2 PWM细分技术驱动原理 (20)

4.3.3 PWM细分调压调速原理 (22)

4.4 主程序设计 (23)

4.5 各模块程序设计 (25)

4.5.1系统初始化 (25)

4.5.2A/D转换程序设计 (26)

4.5.3 PWM细分程序设计 (29)

4.5.4电机控制程序设计 (30)

4.5.5 LCD显示程序设计 (32)

第5章步进电机控制系统综合调试与分析 (33)

5.1 硬件电路调试 (33)

5.2 软件电路调试 (34)

5.3 系统联调结果与分析 (34)

结论 (35)

社会经济效益分析 (36)

参考文献 (37)

致谢 (38)

附录I 电路原理图 (39)

附录Ⅱ程序清单 (41)

附录IV 元器件清单.......................................................................... 错误!未定义书签。

第1章绪论

随着电力电子技术、微电子技术、控制理论以及永磁材料的快速发展,步进电机得以迅速发展。在现代工业生产中,生产机械一般都用电动机拖动。随着现代化的发展,工业自动化水平不断提高,各种自动控制系统中也日益广泛地应用各种控制电机。为了提高生产率和保证产品质量,大量的生产机械要求步进电机以不同的速度工作。这就要求人们采用一定的方法来改变机组的转速,即对步进电机进行调速。对电机的转速不仅要能调节,而且要求调节的范围宽广,过程平滑,调节的方法要简单、经济。步进电机在上述方面都具有独到的优点,使它得到广泛的应用。本文针对步进电机具有起动转距大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制以及效率高等十分优良的特点, 根据自动控制原理, 采用PWM细分控制方式, 设计了一个步进电机控制系统,以更好地对步进电机进行精确而又迅速的控制。

1.1课题背景

STM32系列32位闪存微控制器使用来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核,该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。Cortex-M3在系统结构上的增强,让STM32受益无穷;Thumb-2?指令集带来了更高的指令效率和更强的性能;通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器,对中断事件的响应比以往更迅速;所有这些又都融入了业界领先的功耗水准。STM32系列给MCU用户带来了前所未有的自由空间,提供了全新的32位产品选项,结合了高性能、实时、低功耗、低电压等特性,同时保持了高集成度和易于开发的优势。由于集成了更丰富的资源、方便使用的架构以及低功耗的特性,加上有竞争力的价格,使得从16位升级到32位变得容易。

在工业生产中,常常要用到步进电机在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中,传统电机如步进电机仍有很大的优势,而要对其进行精确而又迅速的控制,就需要复杂的控制系统。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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(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和加速度,从而达到调速的目的。通过细分来控制步进电机可以更加精确。细分的基本概念为:步进电机通过细分驱动器的驱动,其步距角变小了。如驱动器工作在10细分状态时,其步距角只为‘电机固有步距角’的十分之一,也就是:当驱动器工作在不细分的整步状态时,控制系统每发一个步进脉冲,电机转动1.8°;而用细分驱动器工作在10细分状态时,电机只转动了0.18°。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的,与电机无关。

步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术,其主要目的是提高电机的运转精度,实现步进电机步距角的高精度细分。其次,细分技术的附带功能是减弱或消除步进电机的低频振动,低频振荡是步进电机(尤其是反应式电机)的固有特性,而细分是消除它的唯一途径,如果步进电机有时要在共振区工作(如走圆弧),选择细分驱动器是唯一的选择。

驱动器细分后的主要优点为:完全消除了电机的低频振荡;提高了电机的输出转矩,尤其是对三相反应式电机,其力矩比不细分时提高约30-40% ;提高了电机的分辨率,由于减小了步距角、提高了步距的均匀度,‘提高电机的分辨率’是不言而喻的。

1.2课题目标及意义

STM32是近年来发展非常迅速的处理器,有很好的应用前景。将其应用于步进电机的调速控制,有极大的使用价值。以脉宽调制技术为代表的电机数字驱动技术也在迅猛发展,将计算机应用于这一领域正好可以发挥其在数字控制方面的优势.微电子技术和计算机技术的发展,为计算机控制技术的发展和应用奠定了坚实的基础。可以这样说,没有微处理器的仪器不能称其为仪器,没有微型机的控制系统更谈不上现代工业控制系统。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电力电子开关器件和传感器的出现,以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展,电气传动装置日新月异地更新换代,直流传动系统也在不断地更新和发展。

步进电机是常用的动力提供元件,在日常生活中占据着重要的地位。步进电机是最常见的一种电机,在各领域中得到广泛应用。研究步进电机的速度控制,有着

非常重要的意义。研究直流电机的控制方法,对提高控制精度、节约能源等都具有重要意义。本方案以STM32为控制核心,实现普通步进电机的转速、正反转调节功能,为进一步研究和优化步进电机控制方法提供基础。

1.3课题任务及要求

通过STM32实现对步进电机的精确控制,通过按键实现正转、反转、加速、减速,并将这些信息通过TFT彩色LCD显示出来。

1.4课题内容分析与实现

本设计是一种采用STM32 为核心实现步进电机控制系统。基于设计目标的要求,本设计需要实现的硬件部分是系统的SPGT62C19B电机控制模组以及整个控制系统的编程。

首先,根据课题背景综合成本和控制精度指标等因素,选择需要的步进电机。

其次,基于成本和结构复杂的原因,本设计通过A/D转换代替键盘输入,将电压模拟信号转换为数字信号并通过LCD显示出来。

再次,设计SPGT62C19B电机控制模组,并完成硬件搭建。

最后,整体硬件和软件联调,实现任务要求。

1.5课题论文安排介绍

本文的主要工作是基于STM32的步进电机控制系统的设计,介绍了整个控制系统的设计思想、主要模块的电路原理、程序结构以及测试结果等内容,整体上分为软件和硬件的两大部分来设计。本次课题设计内容安排可分为三部分:第一部分是硬件设计,包括方案主要模块的电路设计、元器件的选择等。具体的硬件电路是SPGT62C19B电机控制模组步进电机驱动模块和STM32开发板两大电路模块。先对每一个模块的各个芯片测试成功后,再焊接其对应的整个模块电路,且每一部分都要进行单独调试,各个部分调试成功后,联接调试整个硬件电路,对在途中出现的错误进行分析和改正,最后得出结论。

第二部分是软件设计,软件采用C语言编写,软件设计的思想主要是自顶向下,模块化设计,逐一设计各个子模块,分别进行调试,最后的连调整个程序,判断是

否达到预期的要求,做出结论。

第三部分在软硬件模块调试都成功的前提下,进行硬、软件连调,这是整个控制系统设计的关键,也是设计的重点、难点所在。

本文对步进电机控制系统的设计进行了详细的介绍,共分五章。第1章简要介绍了整个课题的研究背景、目的、意义及整个任务的要求安排;第2章是针对此次课题的任务进行总体方案介绍;第3章具体介绍了步进电机控制系统的硬件设计,包括SPGT62C19B电机控制模块电路的设计;第4章阐述了步进电机控制系统的软件设计,包括PWM细分等子程序的设计;第5章是针对硬件调试、软件调试和整机连调的结果进行了具体的分析和说明。

第2章步进电机控制系统的总体方案论证

步进电机控制系统的整个设计中最重要的部分是利用PWM细分实现步进电机调速的处理,虽然PWM调速很早就开始研究应用,但如何用PWM细分调速的快速性和准确性至今仍是生产和科研的课题。随着微电子技术的发展与普及,更多高性能的单片机应用使得PWM细分实现步进电机PWM调速的快速性和准确性都有了极大的提高。

2.1总体方案

根据课题要求,本设计采用STM32cortex-M3处理器,由SPGT62C19B电机控制模块作为直流电机的驱动芯片,由ADC输入电位器产生调速命令,用TFT彩色LCD作为显示模块。

2.2步进电机控制系统硬件方案

本系统主要由一块STM32平台、SPGT62C19B型步进电机驱动模块构成,以STM32为核心,包括电机驱动、电机、A/D转换、LCD显示等模块。系统的结构框图如图 2.1所示。

STM32作为主控芯片,通过I/O端口来控制SPGT62C19B型步进电机驱动芯片,从而实现对步进电机的控制。通过ADC输入电位器产生调速命令反馈给STM32,STM32调节SPGT62C19B型步进电机驱动模块的状态,从而使电机改变转速和方向。同时,电机转速可由彩色液晶LCD显示出来,用ADC输入电位器来对步进电机的转动方向和转速等进行设定。

主控制器STM32 ADC输入电位器

LCD显示SPGT62C19B 驱动电路

图2.1控制系统结构框图

2.3步进电机控制系统软件方案

硬件功能的实现离不开软件的设计与完成。软件设计是步进电机控制系统设计中最重要、最关键的部分,也是本次毕业设计的难点之处。由于本系统使用STM32平台,运用Keil for ARM开发环境,在Keil u Vision软件平台进行开发。本课题软件设计的思想主要是自顶向下,模块化设计,逐一设计各个子模块,分别进行调试,最后的连调整个程序,判断是否达到预期的要求,做出结论。各个部分函数都可相互调用又相对独立可调,保证调试的便利与程序的可读性。

第3章系统的硬件设计

本系统采用STM32作为主控制器,采用ADC输入电位器作为输入部分,步进电机及其驱动电路采用SPGT62C19B型步进电机驱动模块。下面分别对STM32以及相关模块的特性进行具体介绍。

3.1STM32开发板简介

根据本课题设计的任务要求,须采用STM32作为开发平台,因此本课题设的控制电路由采用 ST 的STM32F103RB 芯片及其外围电路组成。芯片的引脚图如图3.1所示。

图3.1STM32F103RB芯片引脚排列图

1.1.2 STM32F103RB开发板硬件资源特性

采用ST 的STM32F103RB 芯片*(72MHz,128KB Flash,20KB SRAM,2×SPI,2×I2C,USB,

CAN,PWM,2×ADC,3×USART,3 个16 位定时器-8 位/16 位单片机的终结者)

工业级设计,可稳定运行于-40 到85 摄氏度

1 个串口

1 个CAN 端口

1 个USB 接口

1 个SD 卡插槽

1 个160x128 图形点阵彩色TFT LCD

标准 20 针JTAG 口,用于下载与调试

1 个可调模拟电压控制用于ADC 输入,用来测试 STM32F103 的模数转换特性。

1 只扬声器用于测试PWM 输出。

1 只五向游戏杆,作为开关量输入用。

1 片I2C 器件24C02

已经将芯片所有信号引出,方便二次开发。

STM32 系列32 位闪存微控制器基于突破性的ARM Cortex-M3 内核,这是一款专为嵌入式应用而开发的内核。Cortex-M3 内核:英国ARM 公司力推内核,致力于替代8 位/16 位单片机。使用THUMB-2 指令集,32 位性能,16 位密度,与ARM7TDMI 相比,Cortex-M3 内核要快35%,代码减少45%。

STM32 系列产品得益于Cortex-M3 在架构上进行的多项改进,包括提升性能的同时又提高了代码密度的 Thumb-2 指令集,大幅度提高的中断响应,而且所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。

3.2步进电机模块

3.2.1步进电机驱动模块

本设计选用专用的电机驱动芯片SPGT62C19B。SPGT62C19B电机控制模组是为学生以及单片机爱好者学习步进电机和直流电机控制而设计的学习套件。模组采用凌阳SPGT62C19B电机驱动芯片,配置两相步进电机和直流电机各一台,并提供4位LED 数码管用来显示电机转速等信息。模组针对SPCE061A单片机设计,可以方便地用排

线与SPCE061A精简开发板(即“61板”)连接,可作为单片机教学、产品开发前期验证等辅助工具使用。

模组配备的步进电机为35BYJ26型永磁步进电机,工作方式为双极性两相四拍。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进电机接收到一个脉冲信号,它就按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)。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;同时可以通过控制脉冲频率实现步进电机的调速。

SPGT62C19B是低电压单片式步进电机驱动器集成电路芯片,可驱动一台两相步进电机,或者两台直流电机。它带有双路H桥,可分别驱动两个独立的PNP功率管。每一个H桥都有各自独立的使能引脚,因此非常适合于需要独立控制的步进电机驱动系统。SPGT62C19B输出电压可达40v,输出电流可达750mA,由输入的逻辑电平来决定输出脉冲的宽度及频率,所以由这款芯片组成的电机驱动系统将脉冲发生器、脉冲分配器、脉冲放大器合为一体,省去了很多外围器件。

SPGT62C19B的内部由两组完全相同的控制电路组成了两路输出通道。。输入控制信号经前级缓冲后送入片内控制器,然后由控制部分进行处理并驱动晶体管,最后由OUT端口输出驱动信号以控制电机的运行。

SPGT62C19B的控制脚有如下6个:

表3.2.1SPGT62C19B的控制引脚

引脚名称用途

20 I01 通道1的电流大小控制

17 I11 通道1的电流大小控制

16 PHASE1 通道1的电流方向控制

8 I02 通道2的电流大小控制

9 I12 通道2的电流大小控制

10 PHASE2 通道2的电流方向控制

以通道1为例,控制口I01与I11的不同逻辑组合可使通道1输出端产生不同大小的电流输出:

表3.2.2控制脚I01与I11逻辑组合与输出电流的关系

I01逻辑值I11逻辑值输出电流

0 0 Imax

1 0 2/3*Imax

0 1 1/3*Imax

1 1 0

上表中,Imax是输出电流的上限值,它与图 2.3中Vref和Rs的值有关。其关系式为:

Imax = Vref /10*Rs:

PHASE1的逻辑电平值决定了该通道的电流输出方向。PHASE1与电流方向的对应关系

表3.2.3 控制脚PHASE1与输出电流的关系

PHASE1逻辑值输出电流方向

0 OUT1B -> OUT1A

1 OUT1A -> OUT1B

3.2.2步进电机驱动控制模块

步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。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,在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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(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和加速度,从而达到调速的目的。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。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100%)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(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。

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7.5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1.5度,但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。

3.2.3步进电机的一些特点

1.一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。

2.步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。

4.步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。

3.2.4步进电机的一些基本参数

电机固有步距角:

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°),这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。

步进电机的相数:

是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器,则‘相数’将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。

保持转矩(HOLDING TORQUE):

是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成

为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

3.2.5步进电机的驱动方法

步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作,而必须使用专用的步进电动机驱动器,如图3.5.1所示,它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。

控制指令

脉冲发生控制

单元

功率驱动单元步进电机

反馈与保护单

图3.5.1 步进电机驱动控制器框图

3.3A/D转换模块

本次设计采用ADC输入电位器作为输入部分。

3.3.1模拟/数字转换(ADC)介绍

12 位ADC 是一种逐次逼近型模拟数字转换器。它有18 个通道,可测量16 个外部和2 个内部信号源。各通道的A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC 的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16 位数据寄存器中。

3.3.2模拟/数字转换(ADC)主要特性

● 12-位分辨率

●转换结束,注入转换结束和发生模拟看门狗事件时产生中断

●单次和连续转换模式

●从通道0 到通道n 的自动扫描模式

●自校准

●带内嵌数据一致的数据对齐

●通道之间采样间隔可编程

●规则转换和注入转换均有外部触发选项

●间断模式

●双重模式(带2 个ADC 的器件)

● ADC 转换时间:

? STM32F103xx 增强型产品:ADC 时钟为56MHz 时为1μs(ADC 时钟为

72MHz 为1.17μs)

? STM32F101xx 基本型产品:ADC 时钟为28MHz 时为1μs(ADC 时钟为

36MHz 为1.55μs)

● ADC 供电要求:2.4V 到3.6V

● ADC 输入范围:VREF- ≤ VIN ≤ VREF+

●规则通道转换期间有DMA 请求产生。

3.3.3模拟/数字转换(ADC)功能描述

ADC开关控制

通过设置ADC_CR1 寄存器的ADON 位可给ADC 上电。当第一次设置ADON 位时,它将ADC 从断电状态下唤醒。

ADC 上电延迟一段时间后(tSTAB),再次设置ADON 位时开始进行转换。

通过清除ADON 位可以停止转换,并将ADC 置于断电模式。在这个模式中,ADC 几乎不耗电(仅几个μA)。

单次转换模式

单次转换模式里,ADC 只执行一次转换。这个模式既可通过设置ADC_CR2 寄存器的ADON 位(只适用于规则通道)启动也可通过外部触发启动(适用于规则通道或

注入通道),这时CONT 位为0。

一旦选择通道的转换完成:

●如果一个规则通道被转换:

?转换数据被储存在 16 位ADC_DR 寄存器中

?EOC(转换结束)标志被设置

?如果设置了 EOCIE,则产生中断。

●如果一个注入通道被转换:

?转换数据被储存在 16 位的ADC_DRJ1 寄存器中

?JEOC(注入转换结束)标志被设置

?如果设置了 JEOCIE 位,则产生中断。

然后ADC 停止。

连续转换模式

在连续转换模式中,当前面ADC 转换一结束马上就启动另一次转换。此模式可通

过外部触发启动或通过设置ADC_CR2 寄存器上的ADON 位启动,此时CONT 位是1。

每个转换后:

●如果一个规则通道被转换:

?转换数据被储存在 16 位的ADC_DR 寄存器中

?EOC(转换结束)标志被设置

?如果设置了 EOCIE,则产生中断。

●如果一个注入通道被转换:

?转换数据被储存在 16 位的ADC_DRJ1 寄存器中

?JEOC(注入转换结束)标志被设置

?如果设置了 JEOCIE 位,则产生中断。

ADC 管脚:

名称信号类型注解

VREF+ 输入,模拟参考正极ADC使用的高端/正极参

考电压,2.4V ≤ VREF+ ≤

VDDA

VDDA 输入,模拟电源等效于VDD的模拟电源

且:2.4V ≤ VDDA ≤

单片机基于80C51单片机的步进电机控制系统

中国地质大学长城学院 本科课程设计题目:基于80C51单片机的步进电机控制系统 系别信息工程系 学生姓名 专业电气工程及其自动化 学号 指导教师 职称讲师 2014 年6 月11 日

摘要 本文研究基于51系列单片机的步进电机控制系统设计,该系统包括以下几个部分:数据采集、数据处理、终端接收,该系统以汇编语言为单片机的驱动程序语言,单片机控制步进电机,主要任务是把二进制数变成脉冲序列,按相序输入脉冲以实现电机转动方向控制,利用单片机实现对步进电机的远距离实时监控,从而达到高效、节能的控制步进电机工作的目的,该系统具有成本低、控制方便的特点。使用单片机驱动四相步进电机,控制步进电机以四相八拍的方式运行,来实现步进电机正向/反向旋转,P1.0~P1.3分别控制步进电机;P1.5~P1.7分别控制步进电机的停止、正转、反转。 关键词:51单片机;步进电机;数据采集;汇编语言;

目录 摘要 0 1 设计目的 (1) 2设计内容与要求 (1) 3 总体设计方案 (1) 3.1整体方案 (1) 3.2具体方案实现 (1) 4系统硬件设计 (2) 4.1复位电路 (2) 4.2晶振电路 (2) 4.3按键电路 (3) 4.4指示灯电路 (3) 4.5驱动电路 (4) 4.6步进电机 (4) 5程序软件设计 (5) 5.1程序流程图 (5) 5.2源程序 (6) 6系统调试与仿真 (7) 7总结 (8)

1设计目的 1.掌握单片机控制步进电机的硬件接口电路。 2.掌握步进电机驱动程序的设计和调试方法。 3.熟悉步进电动机的工作特性。 2设计内容与要求 1.查阅资料,了解步进电机的工作原理。 2.通过单片机给定参数控制电机转动。 3.通过按钮控制正转、反转和停止。 3总体设计方案 3.1整体方案 本系统主要是由AT89C51,步进电机控制器ULN2004,步进电机,通过单片机编程,实现步进电机控制的脉冲分配,使电机实现正转,反转以及停止等功能 3.2具体实现方案 根据系统要求画出单片机控制步进电机的控制框图,见下图。系统包括单片机、按键、驱动电路和步进电机。 键盘80c51单片机 步进电机 驱动电路

步进电机控制系统

目录 一、设计任务: (2) 二、步进电机概述: (2) 三、题目分析与整体构思: (4) 四、硬件电路设计: (7) 五、硬件验证: (10) 六、程序设计: (10) 七、系统仿真: (15) 八、感应子式步进电机工作原理: (17) 九、心得体会: (24) 参考文献: (25)

一、系统设计要求 步进电机作为一种电脉冲—角位移的转换元件,由于具有价格低廉、易于控、制、无积累误差和计算机接口方面等优点,在机械、仪表、工业控制等领域中获得了广泛的应用。本设计的具体要求是: 1. 设计制作一个步进电机控制电路,可以细分驱动和常规驱动。 2. 常规驱动状态转速四档可调并可实现正反转。 二、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。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(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和加速度,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100%)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(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。 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7.5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 1.5度,但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为 1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 (一)步进电机的一些基本参数: 1.电机固有步距角: 电机固有步距角表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°,整步工作时为1.8°),这个步距角可以称之为“电机固有步距角”,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。 2.步进电机的相数: 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同,它们的步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°

四相步进电机控制系统设计资料讲解

四相步进电机控制系 统设计

课题:四相五线单4拍步进制电动机的正反转控制专业:机械电子工程 班级:2班 学号: 20110259 姓名:周后银 指导教师:李立成 设计日期: 2014.6.9~2014.6.20 成绩:

1概述 本实验旨在通过控制STC89C52芯片,实现对四相步进电机的转动控制。具体功能主要是控制电机正转10s、反转10s,连续运行1分钟,并用1602液晶显示屏显示出来。 具体工作过程是:给系统上电后,按下启动开关,步进电机按照预先 实验具体用到的仪器:STC89C52芯片、开关单元、四项步进电机、等硬件设 备。 实验具体电路单元有:单片机最小系统、步进电机连接电路、开关连接电路、1602液晶显示屏显示电路。 2四相步进电机 2.1步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。 2.2步进电机的控制 1.换相顺序控制:通电换相这一过程称为脉冲分配。 2.控制步进电机的转向控制:如果给定工作方式正序换相通电,步进 电机正转,如果按反序通电换相,则电机就反转。

3.控制步进电机的速度控制:如果给步进电机发一个控制脉冲,它就 转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。两个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。 2.3步进电机的驱动模块 ABCD四相工作指示灯指示四相五线步进电机的工作状态 2.4步进电机的工作过程 开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动, 1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,

步进电机脉冲数量与运动距离的计算 (1)

步进电机一个脉冲运动距离怎么算? 步进电机一个脉冲运动距离怎么算?能不能给个公式在举个例子? 答案: 用360度去除以步距角,就是电机转一圈的脉冲数,当然如果细分的话,还要乘以细分倍数。电机转一圈丝杠前进一个导程,用导程除以一圈的脉冲数就是脉冲运动距离。 第一步确定步进电机的步距角,这个电机上会标明的。比如说,1.8度,则一个圆周360/1.8=200,也就是说电机旋转一周需要200个脉冲。 第二步确定电机驱动器设了细分细分没有,查清细分数,可以看驱动器上的拨码。比如说4细分,则承上所述,200*4=800,等于说800个脉冲电机才旋转一周。第三步确定电机轴一周的长度或者说导程:如果是丝杠,螺距*螺纹头数=导程,如果是齿轮齿条传动,分度圆直径(m*z)即为导程,导程/脉冲个数=一个脉冲的线位移。 什么是细分呢?和几相是一个意思吗?和几相没关系吗? 细分和相数没关系。以1.8度为例,原来一个脉冲走1.8度,现在改为4细分,那么现在一个脉冲只能走1.8/4度了。细分越多,每个脉冲的步进长度越短。细分的多少可由驱动器设置。 控制步进电机转多少最主要你得通过步进电机步距角度计算出电机转一圈需要多少脉冲,比如步距角度为0.9°则电机转一圈需要给步进电机驱动器360/0.9=400个脉冲,转半圈就是200个脉冲。步进电机驱动器资料你先了解下! 步进电机转速则通过改变脉冲频率来控制,用plc的pwm输出控制是比较方便的,速度的快慢不影响步进电机的行程,行程多少取决于脉冲数量。 注意一点步进电机速度越快转矩越小,请根据你的应用调节速度以防失步,造成走位不准确。步进电机是接收步进驱动器给过来的脉冲信号,比如两相的步进,AB相分别轮流输出正反脉冲(按一定顺序),步进电机就可以运行了,相当于一定的脉冲步进马达对应走一定旋转角度。而PLC也可以发出脉冲,但脉冲电压不够,所以需要把PLC输出的脉冲给步进驱动器放大来驱动步进驱动器,相当于PLC的脉冲就是指令脉冲。一般PLC驱动步进时候有两路信号,一路是角度脉冲,另外一路是方向脉冲,PLC里边一般配所谓位移指令,发梯形脉冲给步进驱动器,这样可以缓冲启动带来的力冲击。 51单片机控制两相四线步进电机的问题 单片机为AT89S52。。步进电机为:57HS5630A4步进电机。链接:Error! Hyperlink reference not valid.步进电机驱动器为:M542中性步进电机驱动器。链接:Error! Hyperlink reference not valid. 现在的问题是:步进电机我已经和驱动器连接好了,现在步进电机驱动器有6 个线和51单片机相连,分别是PUL+、PUL-、DIR+、DIR-、ENA+、ENA- 。我想知道的是,比如这六个和单片机的P1.X口相连。怎么在单片机上控制步进电机正转反转,转的角度,转的速度。 答案: 首先,六根线的三根负线可以全部接地..和单片机P1相连的只需三根即可..这三根线为了保证能驱动起步进电机驱动器,应该分别上拉2K电阻.. 然后,在驱动器上的拨码处设置细分,,所谓细分是指电机转一圈所需多少脉冲..例如设置为800细分,即为电机转一圈需要800个脉冲..那么一个脉冲就会对应0.45度..单片机发出的脉冲频率高,那么电机转的就快..让电机转多少角度,就发出相应的脉冲数即可,例如转45度,就发出100个脉冲即可,在0.125s内发出100个脉冲,那转速就为1转/s。。

步进电机驱动控制系统设计(有程序)

目录 一前言 (1) 二总体方案设计 (1) 1工作原理 (1) 2方案选择 (1) 2.1时钟脉冲 (1) 2.2脉冲分配器 (1) 2.3驱动器 (1) 3 总的框架 (2) 三单元模块设计 (2) 1单片机模块 (2) 1.1复位控制 (3) 1.2单片机频率 (3) 2接口 (3) 3驱动器ULN2003 (4) 4按键模块 (5) 5步进电机 (5) 5.1工作原理 (5) 5.2 28BYJ48型四相八拍 (7) 四整机调试与技术指标测量 (8) 五设计总结 (8) 参考文献 (9) 附录1电路原理图 (10) 附录2 源程序 (11)

一、前言 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。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,在各个国民经济领域都有应用。 二、总体方案设计 1、工作原理 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)。您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;同时您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、方案选择 (1)时钟脉冲 通常有两种方法实现: 方案一直接有硬件组成如:多谐振荡器 LC 等。 方案二用软件的方式形成优点便于随时更改,调整。 为了方便我们选用软件方式有单片机实现。 (2)脉冲分配器 方案一硬件环形分配器:由计数器等数字电路组成的。有较好的响应速度,且具有直观、维护方便等优点。 方案二软件环分:由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型计算机运算速度的限制,有时难以满足高速实时控制的要求。由软件完成脉冲分配工作,不仅使线路简化,成本下降,而且可根据应用系统的需要,灵活地改变步进电机的控制方案。 考虑到硬件设备的有限和对步进电机的控制我们选择软件环分可以有单片机实现。 (3)驱动器 方案一使用功率场效应管的单电压功放电路。

步进电机控制系统设计

文理学院芙蓉学院课程设计报告 课程名称:专业综合课程设计 专业班级:自动化1001班学号:40 学生:志航 指导教师:建英 完成时间: 2013年 6月13 日 报告成绩: 芙蓉学院教学工作部制

摘要 本文先介绍了混合式步进电机的结构和工作原理,分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用,论述了正弦波细分驱动可以实现等步距角、等力矩均匀细分驱动的原理,提出了一种基于H桥和其他分立元件分配脉冲的驱动技术,该方案可实现步进电机的单拍、半拍、双拍三种工作方式。本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、液晶显示电路组成,单片机是控制系统的核心。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍。 关键词:单片机;正弦脉宽调制;混合式步进电机;细分驱动

Abstract In this paper, the working principle and configuration of three-phase hybrid Stepper are introduced, then based on technologies such as stepper motor controller, PWM inverter and microcontroller. In the thesis, we develop a single chip computer -based digital controlling system for a three-phase hybrid stepper motor that is mainly constructed from a AT89C51 single chip computer and ST7920IC which is used as the core of control parts. The system's whole architecture, the design of hardware and software are introduced in detail. KEY WORDS: Microcontroller,SPWM,Hybrid stepper motor,Micro-stepping driver

基于单片机的步进电机控制系统的设计_毕业设计

本科毕业设计 基于单片机的步进电机控制系统的设计

摘要 随着自动控制系统的发展和对高精度控制的要求,步进电机在自动化控制中扮演着越来越重要的角色,区别于普通的直流电机和交流电机,步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为控制执行元件,是机电一体化的关键组成之一,广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。 本系统介绍了一种基于单片机的步进电机控制系统的设计,包括了硬件设计和软件设计两部分。其中,硬件设计包括单片机最小系统、键盘控制模块、LCD显示模块、步进电机驱动模块、位置检测模块共5个功能模块的设计。系统软件设计采用C语言编写,包括主程序、数字键处理程序、功能键处理程序、电机驱动处理程序、显示模块、位置采集模块。 本设计采用STC89C52单片机作为主控制器,4*4矩阵键盘作为输入,LCD1602液晶作为显示,ULN2003A芯片驱动步进电机。系统具有良好的操作界面,键盘输入步进电机的运行距离;步进电机能以不同的速度运行,可以在不超过最大转速内准确运行到任意设定的位置,可调性较强;显示设定的运行距离和实际运行距离;方便操作者使用。关键词:单片机步进电机液晶显示键盘驱动

Design of the Stepping Motor Control System Based on SCM Qiu Haizhao (College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China) Abstract:With the development of automatic control system and the requirements of high-precision control, stepping motor control in automation is playing an increasingly important role, different from the common DC and AC motor, stepper motor rotation angle and rotational speed can be high-precision controlled. Stepper motor as a control actuator is a key component of mechanical and electrical integration, widely used in a variety of automated control systems and precision machinery and other fields. Stepper motor is the open-loop control components changing electric pulse signals into angular displacement or linear displacement .In the case of non-overloaded, the motor speed, stop position depends only on the pulse frequency and pulse number, regardless of load changes, that is, to add a pulse motor, the motor is turned a step angle. This system introduces a design of stepper motor control system based on single chip microcomputer, including hardware design and software design in two parts. Among them, the hardware design, including single chip minimal system, keyboard control module, LCD display module, the stepper motor drive module, position detection module five functional modules. System software design using C language, including the main program, process number keys, the key of function processes, motor driver handler, the display module, position acquisition module. This design uses STC89C52 microcontroller as the main controller, 4 * 4 matrix keyboard as an input, LCD1602 LCD as a display, ULN2003A chip as stepper motor driver. System has a good user interface, keyboard input stepper motor running distance; Stepper motor can run at different speed, and run to any given position accurately in any speed without exceeding the maximum speed, with a strong adjustable ; Display the running distance and the actual running distance, which is more convenient for the operator to use. Key words: SCM stepper LCD keyboard driver

步进电机的控制电路和程序

步进电机的控制电路和程序 先看一下我们将要使用的51单片机综合学习系统能完成哪些实验与产品开发工作:分别有流水灯,数码管显示,液晶显示,按键开关,蜂鸣器奏乐,继电器控制,IIC总线,SPI总线,PS/2实验,AD模数转换,光耦实验,串口通信,红外线遥控,无线遥控,温度传感,步进电机控制等等。 上图是我们将要使用的51单片机综合学习系统硬件平台,本期实验我们用到了综合系统主机、步进电机,综合系统其它功能模块原理与使用详见前几期《电子制作》杂志及后期连载教程介绍。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,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(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和加速度,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100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。 步进电机分类与结构 现在比较常用的步进电机分为三种:反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)。本章节以反应式步进电机为例,介绍其基本原理与应用方法。反应式步进电机可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。常用小型步进电机的实物如图1 所示。 图1步进电机实物图 图 2 步进电机内部图 步进电机现场应用驱动电路 综合系统使用的是小型步进电机,对电压和电流 要求不是很高,为了说明应用原理,故采用最简单 的驱动电路,目的在于验证步进电机的使用,在正 式工业控制中还需在此基础上改进。一般的驱动电 路可以用图3的形式。 图3 一般驱动电路 在实际应用中一般驱动路数不止一路,用上图的分立电路体积大,很多 场合用现成的集成电路作为多路驱动。常用的小型步进电机驱动电路可以用 ULN2003或ULN2803。本书配套实验板上用的是ULN2003。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成,具有同时驱动7组负载的能力,为单片双极型大功率高速集成电路。ULN2003内部结构及等效电路图如图4:

步进电机全闭环控制

半导体器件应用网 https://www.360docs.net/doc/c52131904.html,/news/194498.html 步进电机全闭环控制 【大比特导读】步进电机由于体积精巧、价格低廉、运行稳定,在低端行业 应用广泛,步进电机运动控制实现全闭环,是工控行业的一大难题。 步进电机由于体积精巧、价格低廉、运行稳定,在低端行业应用广泛,步进电机运动控 制实现全闭环,是工控行业的一大难题。 主要问题有两个,原点的不确定性和失步,目前,采用高速光电开关作为步进系统的原点,这个误差在毫米级,所以在精确控制领域,是不能接受的。另外,为了提高运行精度, 步进系统的驱动采用多细分,有的大于16,假如用在往复运动过程中,误差大的惊人。已 经不能适应加工领域。 为此,提出步进电机全闭环控制系统,以适应目前运动控制领域的需求。 1、硬件连接 硬件连接加装编码器,根据细分要求,采用不同等级的解析度编码器进行实时反馈。 2、原点控制 根据编码器的Z信号,识别、计算坐标原点,同数控系统相同,精度可以达到2/编码器解 析度×4。 3、失步控制 根据编码器的反馈数据,实时调整输出脉冲,根据失步调整程度,采取相应办法。 下图是电路原理 4、电路原理描述

半导体器件应用网 电路采用超大规模电路FPGA,输入、输出可以达到兆级的相应频率,电源3.3V,利用2596 开关电源,将24V转为3.3V,方便实用。输入脉冲与反馈脉冲进行4倍频正交解码后计算,及时修正输出脉冲量和频率。 5、应用描述 本电路有两种模式,返回原点模式和运行模式。当原点使能开关置位时,进入原点模式,反之,进入运行模式。 在原点模式,以同步于输入脉冲的频率输出脉冲,当碰到原点开关后,降低输出脉冲频率,根据编码器的Z信号,识别、计算坐标原点。返回原点完成后,输出信号。此信号及其数据在不断电的情况下,永远保持。 在运行模式,以同步于输入脉冲的频率输出脉冲,同时计算反馈数据,假如出现误差,及时修正。另外,大惯量运行时,加减速设置不合理的情况下,可能会及时反向修正。 6、技术指标 (1)输入输出相应频率:≤1M; (2)脉冲同步时间误差:≤10ms;(主要延误在反向修正,不考虑反向修正,≤10us) (3)重定位电气精度:≥2/编码器解析度×4/马达解析度×细分) (4)重定位原点电气精度≥2/编码器解析度×4/马达解析度×细分) (5)适应PNP,NPN接口 (6)适应伺服脉冲控制 (7)适应各种编码其接口 步进电机运动控制一旦解决上述问题,增加数百元成本的情况下可以实现全闭环控制,毫不逊色于伺服系统。特别是其价格低廉、控制简单、寿命长久的特点在某些场合,可能优于伺服系统。

步进电机工作原理、驱动控制系统与选型

步进电机工作原理、驱动控制系统与选型 一、感应子式步进电机工作原理 (一)反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、结构: 电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,A'与齿5相对齐,(A'就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图: 2、旋转: 如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。 如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3て,此时齿3与C偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。 如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3て。 这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A 相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A……通电,

电机就每步(每脉冲)1/3て,向右旋转。如按A,C,B,A……通电,电机就反转。 由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3て变为1/12て,1/24て,这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出:电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。 3、力矩: 电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力 F与(dФ/dθ)成正比 其磁通量Ф=Br*S ;Br为磁密;S为导磁面积; F与L*D*Br成正比;L为铁芯有效长度;D为转子直径;Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻。 力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比(只考虑线性状态) 因此,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。 (二)感应子式步进电机

步进电机控制系统设计.

毕业设计论文 论文题目:基于单片机的步进电机控制电路板设计 摘要 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,它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中,其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。 本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制,通过IO口输出的时序方波作为步进电机的控制信号,信号经过芯片ULN2003驱动步进电机;同时,用 4个按键来对电机的状态进行控制,并用数码管动态显示电机的转速。 系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中,硬件设计包括AT89C51单片机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动(集成达林顿ULN2003)模块、数码显示(SM420361K数码管)模块、测速模块(含霍尔片UGN3020)6个功能模块的设计,以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序,最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制,并将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上,对速度进行实时监控显示。软件采用在Keil软件环境下编辑

************* 第1章绪论 1.1 课题背景 当今社会,电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机,在各领域中得到广泛应用。步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。 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,在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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(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和加速度,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,其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点,给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品(打印机、照相机、雕刻机)、工业控制(数控机床、工业机器人)、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。控制核心采用C51芯片,它以其独特的低成本,小体积广受欢迎,当然其易编程也是不可多得的优点为此,本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统,可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。 1.2 设计目的及系统功能 本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用AT89C51作为控制单元,通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制,并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。 1

STM32F107+ULN2003+步进电机

STM32F107+ULN2003+步进电机,主要是步进电机部分,只写了正转,控制转速靠延时函数delayl(),反转的话还要写一个函数,将那把个数倒过来送过去,先送9,最后送8. int main(void) { /*!< At this stage the microcontroller clock setting is already configured, this is done through SystemInit() function which is called from startup file (startup_stm32f10x_xx.s) before to branch to application main. To reconfigure the default setting of SystemInit() function, refer to system_stm32f10x.c file */ uint32_t Times = 0; uint8_t ucStr[80] = {0}; uint32_t num = 0; /* 3?ê??ˉ°???LED??ê?μ? */ SZ_STM32_LEDInit(LED1); SZ_STM32_LEDInit(LED2); SZ_STM32_LEDInit(LED3); SZ_STM32_LEDInit(LED4); SZ_STM32_SysTickInit(1000); SZ_STM32_COMInit(COM1, 115200); COTR_Init(); /* Infinite loop ?÷?-?· */ while (1) { /* LED1??ê?μ?×′ì?è?·′ */ LED1OBB = !LED1OBB; */ Zhengzhuan(); } } /*********μ??ú**********************/ void delayl(unsigned int dl) { unsigned int i,y; for(i = 0; i < 5000; i++)

步进电机运动控制器设计

一、项目概述: 用步进电机作为X-Y移动平台的执行机构,实现开环位置控制。采用四相步进电机,一相激励时步距角为1.8°,由步进电机驱动器接受控制器的控制信号,采用单四拍方式,每拍为一步,可正反转。步进电机的转动带动丝杆,将旋转运动转换为直线运动,步进电机的每一走步传递到X或Y方向的移动距离为0.02mm.系统中步进电机工作频率为500Hz--4KHz。运动要求是: (1)当按键K1按下时,X方向步进电机正向运转,X正向移动1mm; 当按键K2按下时,X方向步进电机反向运转,X反向移动1mm; 当按键K3按下时,Y方向步进电机正向运转,Y正向移动1mm; 当按键K4按下时,Y方向步进电机反向运转,Y反向移动1mm;(2)按键按住不放,连续运动直到按键释放,停止运转。 (3)控制器实时显示步进电机转过的步数和X或Y向移动的距离。(4)系统供电电源为36 VDC。 二、系统设计: 设计思想: 1、用两台步进电机分别控制x、y方向的运动; 2、采用动态显示方式,实时显示步数和距离; 3、采用4个并行口输出控制信号以及采集开关输入信号。 总体方案: 采用AT89C51作为控制器: P0口读入开关输入信号;P1口接步进电机驱动器ULN2003A;P2、

P3口控制动态显示电路。 三、硬件设计: 1、AT89C51晶振电路和手动复位电路: 晶振电路:采用12MHz的晶振,其中电容C1,C2可在5—60pF之间选择,这两个电容的大小对振荡频率有微小的影响,可起频率微调的作用。 复位电路:当按键弹起时,相当于一个上电复位电路;当按键压下时,相当于RST端通过电阻与+5V的电源相连,提供足够宽度的阈值电压完成复位。 2、开关量读入: 由P0口的低4位读入开关量信号。 3、步进电机控制电路:

步进电机及其驱动电路

第三节步进电动机及其驱动 一、步进电机的特点与种类 1.步进电机的特点 步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时,转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。 步进电动机具有以下特点: ?工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响; ?步进电动机的步距角有误差,转子转过一定步数以后也会出现累积误差,但转子转过一转以后,其累积误差变为“零” ; ?由于可以直接用数字信号控制,与微机接口比较容易; ?控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”; ?不需要传感器进行反馈,可以进行开环控制; ?缺点是能量效率较低。 就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说,可将其分为以下三种: (1)可变磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫反应式步进电动机 (2)永磁(PM-Permanent Magnet)型 (3)混合(HB-Hybrid)型 (1)可变磁阻(VR-Variable Reluctance) 结构原理:该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动,故又称作反应式步进电动机。其结构原理如图3.5定子1 上嵌有线圈,转子2朝定子与转子之间磁阻最小方向转动,并由此而得名可变磁阻型。

图3.6 可变式阻步进电机 可变磁阻步进电机的特点: 反应式电动机的定子与转子均不含永久磁铁,故无励磁时没有保持力; 需要将气隙作得尽可能小,例如几个微米; 结构简单,运行频率高,可产生中等转矩,步距角小(0.09~9°) 制造材料费用低; 有些数控机床及工业机器人上使用。 (3)混合(HB-Hybrid)型 结构原理 这类电机是PM式和VR式的复合形式。其定子与VR类似,表面制有小齿,转子由永磁铁和铁心构成,同样切有小齿,为了减小步距角可以在结构上增加转子和定子的齿数。其结构如图3.7所示。 混合式步进电机特点: HB兼有PM和VR式步进电机的特点: 步距角可以做得较小(0.9~3.6°); 无励磁时具有保持力; 可以产生较大转矩,应用较广。

步进电机控制系统课程设计

河北xxxxxx学院 课程设计说明 书 题目:步进电机控制系统 学院(系): 年级专业: 学号: 学生姓名: 同组学生: 指导教师:

步进电机控制系统 设计者:xxxxx 指导老师:xxxx 1摘要: 由于步进电机自身的特点、不需要位置、速度等信号反馈,只需要脉冲发生器产生足够的脉冲数和合适的脉冲频率,就可以控制步进电机移动的距离和速度。步进电机的运转方向的控制为输入电机各绕组的通电顺序。例如,一个三相步进电机的通电顺序为:a—ab—b—bc—c—ca—a--.....,此时点击正转,若通电顺序改为:a—ac—c—cb—b—ba—a--.....时点击反转。既可以通过改变环形分配器的脉冲输出顺序,也可以通过编程改变输出脉冲的顺序,来改变输入到各绕组的通电顺序,达到控制电击方向的目的。 关键词:步进电机 PLC 步进电机驱动器 引言步进电机是一种常用的电气执行原件,一种多相或单相同步点击,在数控机床、包装机械等自动控制及检测仪表等方面得到广泛运用。随着plc的不短发展。其功能越来越强大,除了有简单的逻辑功能和顺序控制外,运算功能的加入、pid和各类高速指令、使得plc对复杂和特殊系统的控制应用更加广泛。Plc与数控技术的结合产生了各种不同类型的数控设备。 2 任务与要求 (1) 了解步进电机的原理 (2) 熟练使用PLC控制步进电机,了解步进电机驱动器原理 3 装置原理介绍 3.1控制系统功能框图 在步进电机控制系统中,首先控制步进电机使之稳步启动,然后高速运动,接近制定位置时,减速之后低速运动一段时间,在准确地停在预定的位置上,最后步进电机停留2s后,按照前进时的加速—高速—减速—低速的步骤返回到起始点,其运动状态转换过程平稳,其功能框图如图3.1所以,其简单工作过程如图3.2所示。 由于步进电机本身的结构特性决定了它要实现高速运转必须有加速过程,如果在启动时突然加载高频脉冲,电机会产生啸叫、失步甚至不能启动,在停止阶段也是这样,当高频脉冲突然降到零时,电机会产生啸叫和振动,所以在启动和停止时,都必须有一个加速和减速过程。 3.2步进电机控制系统硬件设计 由于步进电机的硬件结构特性,所以对输入的脉冲的频率有所限制,对于低频的脉冲输出时,plc可以利用定时器来完成。若要求步进电机的速度较快时,就需要用plc的高速脉冲输出指令,这时就需要在程序中设置相应的步骤来完成对步进电机的控制。 3.21 组建器材 (1)主机plc 根据系统的控制要求,采用三菱FX系统系列的plc作为控制器。(2)限位开关此系统中共用了两个限位开关:左限位开关和右限位开关。这两个限位开关的作用是控制物体的位置,防止物体超出合理的工作范围。 (3)步进电机步进电机是该系统的执行机构

步进电机控制系统的研究

步进电机控制系统的研究 杨杰1李学佳2崔二华3韩永清4 英利能源(中国)有限公司河北省保定市071051 摘要:步进电动机由于用共组成的开环系统既简单、廉价,又非常可行,因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。 关键词:步进电机电机控制系统 中图分类号:TM3文献标识码:A文章编号: 前言 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 一、步进电机概述 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置,是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件,具有快速启动和停止的能力。当负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值时,它就可能在一瞬间实现启动和停止。它的步矩角和转速不受电压波动和负载变化的影响,也不受环境条件(如温度、气压、冲击和振动等)的影响,仅与脉冲频率有关。它每转l周都有固定的步数,在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。 正是因为步进电机具备上述优点,它已经被广泛地用于自动控制系统中作为执行元件。但大多数设计人员常常习惯于用逻辑电路实现复杂的步进电机的控制,虽然已经取得很大成效,但实现起来成本高、费时多,而且一旦组成了电路,就很难再改动,因此不得不完全重新设计控制器。 微处理器与微计算机的先进技术和低廉的价格,给步进电机的控制开创了一个新的局面。人们完全可以借助于软件来对步进电机实施控制,从而实现复杂而

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