嵌入式控制系统工程设计课程设计

目录

1.引言 (2)

2.基本原理 (2)

2.1步进电机概况 (2)

2.2步进电机工作原理 (4)

2.3步进电机分类 (6)

3.硬件系统选择 (7)

3.1核心处理器选择 (7)

3.2元器件选择及接口设置 (8)

4.硬件原理结构框图 (12)

5.任务划分及程序大框图 (13)

6.PCB设计及成本估算 (15)

7.总结 (17)

参考文献 (19)

1.引言

步进电机是一种控制电机，由于不使用反馈电路就能进行速度控制及定位控制，既所谓的电机开环控制，故越来越多的被应用于现代工业控制系统中。其应用主要以处理办公业务能力很强的OA（Office Automation，办公自动化）机器和FA（Factory Automation，工厂自动化）机器为核心，并广泛应用于医疗器械、计量仪器、汽车、游戏机等[1]。

传统工业中的步进电机控制系统大多数采用的是8位单片机如89C51系列作为控制内核，其设计简单、价格低廉且能满足一般的控制要求，但是由于单片机本身存储空间小，外设资源较少，往往需要与PC机联机控制才能实现更高级的功能，这就带来了实时性能较差，人际交互较为复杂，操作麻烦等问题[2]。如果采用功能强大的32位ARM处理器作为核心，集成电源、电机控制板、步进电机和人机界面于一体，形成一个完整的嵌入式一体化工业控制机，可以使得控制系统对步进电机的控制具有更高的实时性和可靠性、更友好的人机界面、更高的可操作性、更低的总成本和更高的控制精度。本文基于这样一种设想，采用ARM7内核的LPC2131处理器为核心，设计了一个具有实时操作性和人机界面的步进电机控制器。

2.基本原理

2.1步进电机概况[1]

步进电机属于DC驱动的同步电机，但无法直接用DC或AC电源来驱动，需配备驱动器才能使用，所以步进电机的运行需要驱动电路。

步进电机驱动电路的任务，是按顺序指令切换DC电源的电流流入步进电机的各相线圈。图2.1为三相VR型步进电机的绕组外加电源示意图，其中驱动电路用开关来表示。

图2.1中，开关S1为ON时，第1相的绕组导通，如切换第2相绕组电流的指令，S1将打开变为OFF状态，S2变成ON状态。如此，电机转子就旋转一个固定角度，此只由定子极数与转子齿数的关系来决定的旋转角度，即为电机转动固

有的步距角。同样，S3顺序打开为ON状态，S2转为OFF状态，电机转子又转过一个步距角。依次进行，电路每切换一次，电机就以固有的角度转动一步。

图2.1 步进电机驱动电路原理图

若切换n次，转子就旋转步距角的n倍角度；如果没有发出指令，转子则停止转动。电机以步距角为一步，此旋转角度的大小由电机结构来决定，如果将负载连接在电机轴上，就可以对负载进行旋转角度的位置控制；改变开关切换速度（即脉冲频率）就可改变旋转速度，故改变速度，就是要改变图 2.1中的开关S1、S2、S3的切换频率，即开关S1、S2、S3的切换频率与转子转速成正比。

开关的切换频率向来是由驱动电路的指令脉冲频率来决定的。此种脉冲频率以pps（pulse per second）为单位。pps为每秒脉冲数。图2.2为步进电机与驱动电路的功能框图。

图2.2 步进电机与驱动电路的功能框图

2.2步进电机工作原理

以两相步进电机为例对步进电机的工作原理进行阐述。

（1）两相电机的单相通电步进顺序

在图 2.3中我们很清晰的展示了在单相通电时一个两相步进电机的典型的步进顺序。在第1步中，两相定子的A相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位置。当A相关闭、B相通电时，转子顺时针旋转90°。在第3步中，B 相关闭、A相通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90°。在第4步中，A相关闭、B相通电，极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转。

图2.3 两相电机的单相通电步进顺序

（2）两相电机的双相通电步进顺序

图2.3中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。更常用的步进方法是“双相激励”，其中电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性，见图2.4所示。在第1步中，两相定子的A相和B相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step1位置。在第2步中，两相定子的A相关闭，而B和a相（此时的a相通电极性与第1步A相反）同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step2位置。在第3步中，两相定子的a相和b相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step3位置。在第4

步中，两相定子的b相和A相同时通电，因异性相吸，再加上力的相互作用关系，其磁场将转子固定在图示step4位置。按照这样的通电方式电机就转过了一周。

两相步进时，转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电，本方法比“单相通电”步进多提供了41.1%的力矩，但输入功率却为2倍。

图2.4 两相电机的双相通电步进顺序

（3）步进电机的半步工作方式

电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，一个90°的步进电机将每半步移动45°，见图2.5。但是，与“两相通电”相比，半步进通常导致15%～30%的力矩损失（取决于步进速率）。在每交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，所以作用在转子上的电磁力要小，造成了力矩的净损失。

从原理图我们很容易看到半步工作方式其实就是将两相电机的单相通电工作方式和两相电机的双相通电工作方式相互结合起来。

两相步进电机的工作模式有两相四拍和两相八拍等两种，其中我们在图2.3和图2.4中展示的都叫做两相四拍工作模式，而下面的2.5图展示的就是两相八拍工作模式。