步进控制器范文

步进控制器范文（精选12篇）

步进控制器 第1篇

步进电机也叫步进器,它利用电磁学原理,将电能转换为机械能,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。步进电机可以归为两类:可变磁阻步进电机和永磁步进电机。本文重点讨论永磁步进电机[1]。

1 步进电机的工作原理

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;同时可以通过脉冲频率来控制电机转动的速度,从而达到调速的目的。

图1为四相步进电机,采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。该四相反应式步进电机工作步骤为:开始时,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,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的时序与波形如图2 a)、b)、c)所示。

2 控制器模块结构的总体设计

本文采用STMicroelectronics公司生产的ARM Cortex TM-M3 32-bit RISC内核的STM32F103RBT6作为控制芯片,并采用该公司生产的L6208作为步进电机的驱动芯片。采用直接数字式频率合成器(DDS)AD9833为驱动芯片提供输入脉冲。同时采用按键及红外线接收器TSOP34836来控制电机转动的步数和速度,并利用液晶显示所采取的操作和电机所处的状态等。

步进电机驱动器的总体设计框图如图3所示。

系统中采用直接数字式频率合成器(DDS)AD9833为驱动芯片L6208提供时钟。AD9833的作用是尽可能连续地改变所产生波形的频率和占空比,可以连续改变步进电机转动的转速。虽然STM32F103RBT6内部已经包含PWM控制器,但是PWM控制器输出的波形仍然是阶梯状的,不能连续改变其频率值及占空比,因此本设计决定使用DDS芯片来代替处理器内部的PWM控制器。

3 硬件电路设计

3.1 ARM微处理器和外围电路设计

本系统使用微处理器STM32F103RBT6,它包括128 KB FLASH存储器,16 KB SRAM存储器,7通道DMA控制器,1个12位ADC,2个SPI同步串行接口,2个I2C接口和3个USART接口,6路PWM输出,3个16位定时器,其中每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道等,这些资源完全满足该设计的需求。

本系统提供的用户接口包括按键和红外线遥控器。其中按键采用A/D转换的方式,从而节省了通用GPIO口的数量,同时可以采用红外线遥控器代替按键的功能。

按键与红外线接收器的电路如图4所示。

其中,KEY0连到微处理器的ADC接口PA0上,由于PA0用作ADC接口时内部没有上拉或下拉电阻,因此在外部加一个较大的47 kΩ的下拉电阻。KEY1连到定时器4的通道3(PB8)上,用定时器捕获方式来接收TSOP34836发送的数据。

同时,外围电路还包括电源接口、JTAG口、串口和LCD接口。其中电源用到可编程稳压电源芯片LT1940,通过外部12 V电源转换为3.3 V。12 V电源同时为步进电机驱动器的供电电源,3.3 V为处理器及外围器件的供电电源。

3.2 驱动电路设计

系统中采用L6208作为步进电机的驱动芯片。它是一个由DMOS集成的,具有非热耗散过流保护功能,包括一个双DMOS全桥,能产生步进序列的恒定关断时间PWM电流控制电路。L6208为每个全桥集成一个关断时间恒定的PWM电流控制器,通过检测连接在两个小功率MOS晶体管的源极与接地之间的外部敏感电阻器的压降来决定全桥的开关。当敏感电阻器上的压降大于参考输入(VREFA或VREFB)的电压时,敏感比较器就会触发单稳态电路,关闭全桥。功率MOS晶体管保持关断,关断时间长度由单稳态电路设置,电机电流按照所选的衰减模式定义重新循环。当单稳态时间结束时,全桥将重新导通。驱动硬件电路如图5所示。

其中AD9833为DDS芯片,FSYNC(控制输入,低电平有效)与控制器的PB10连接;SCLK(串行时钟输入)和SDATA(串行数据输入)与控制器的SPI1总线连接;X2晶振为AD9833提供时钟。三个可编程管脚都可用软件编程实现数据的传送,来产生任意波形。

SM_CLK是DDS提供的脉冲输入;SM_DIR是正反转选择,由PB15控制;SM_ENA是使能端,由PB12控制;SM_HALF是全步进/半步进选择,由PB14控制;SM_RST是重启芯片信号,由PB12控制;SM_CTRL是快速/慢速衰减模式选择,由PB13控制;OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B为芯片输出端,分别接入步进电机的两相绕组。另一个创新为:使用控制器的一路PWM来为外部敏感电阻器提供参考电压,由此可以通过软件来设置参考电压值,用来控制输出峰值电流。

4 软件设计

系统的人机接口控制信号,如键盘、遥控器信号,都是通过中断功能来实现的。键盘是通过ADC全局中断来接收按键信息。遥控器信号时通过定时器4的捕获/比较通道3来实现的。此系统的总体软件流程如图6所示。

4.1 通电换相顺序的控制

L6208驱动芯片上的相位序列发生器可生成三种不同的步进序列:半步模式、两相全步模式、单相全步模式。通过这三种不同的步进序列可以实现对步进电机的换相控制。HALF/FULL信号用来设置步进序列的模式。

1)半步模式的设置

HALF/FULL输入高电平,即可设置为半步模式。这种模式采用两相、单相交替激励的两相八拍方式来驱动步进电机。

2)两相全步模式的设置

当相位序列发生器处于奇数状态(状态1、状态3、状态5等)时,HALF/FULL输入低电平则可以设置为两相全步模式。设置这种模式最简便方法是RESET和HALF/FULL同时为低电平。

3)单相全步模式的设置

当相位序列发生器处于偶数状态(状态2、状态4、状态6等)时,HALF/FULL为低电平则可以设置为单相全步模式。设置这种模式最常用的方法是使RESET为低电平来复位相位序列发生器使其处于状态1,HALF/FULL为高电平,并保持一个脉冲时间,在第二个脉冲开始时,HALF/FULL为低电平[2]。

4.2 步进电动机转向的控制

CW/CCW用来控制步进电机的转向,输入高电平时,电机正转;为低电平时,电机反转。

4.3 步进电动机速度的控制

CLOCK信号作为相位序列发生器的时钟,CLOCK脉冲的上升沿触发相位序列发生器,使其跳转到下一个状态。因此,可以通过调整CLOCK脉冲的频率来控制相位序列发生器产生的步进序列的频率,以实现对步进电机速度的控制。本系统的CLOCK由直接数字式频率合成器(DDS)AD9833产生。由SPI1来控制CLOCK的频率及占空比。AD9833内部有5个可编程寄存器,其中包括1个16位控制寄存器,2个28位频率寄存器和2个12位相位寄存器。控制寄存器供用户设置所需的功能,主要是模式选择,输出波形选择及指定频率和相位寄存器等;频率寄存器和相位寄存器是设置输出波形的频率和相位,如公式(1)所示,输出频率为:

在公式(1)中,FREQEG为所选频率寄存器中的频率字;输出波形的相位为:

在公式(2)中,PHASEREC为所选相位寄存器中的相位字。

5 结语

如今ARM在电子产品中的应用越来越广泛,而且生产成本已经越来越低,因此本文采用性价比较高的STM32F103RBT6微处理器取代51单片机来设计此控制器。

STM32F103RBT6微处理器能够为L6208提供实时控制信号。AD9833根据控制信号来产生步进电机所需步进脉冲信号,来控制L6208以控制步进电机的正反转、速度等。该控制系统能实时、准确、可靠地控制步进电机。

摘要：介绍了步进电机的基本工作原理及控制方法,分析了微处理器STM32F103RBT6和步进电机驱动芯片L6208的性能和驱动原理。设计了一种新型步进电机控制器,其驱动芯片的输入脉冲由直接数字式频率合成器(DDS)提供。给出了系统的软件流程图及通过软件控制步进电机工作的转速、转向和转动位移的方法,该系统能够实时、准确、可靠地控制四相步进电机。

关键词：步进电机,控制器,直接数字式频率合成器

参考文献

[1]廖高华.高性能步进电机控制系统的研制[M].西安:西安科技大学出版社,2004.

步进电机 控制原理 第2篇

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。

步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：

(1)控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配，

例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。

(2)控制步进电机的转向

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

步进控制器 第3篇

过去的电气控制技术主要以低压继电触器为主，控制方便简单，但很难大范围深度地使用。目前，先进的电气控制技术主要有现场总线技术、伺服系统技术、人机界面技术、PLC控制技术等，控制方式及其系统有PLC控制系统、自动控制系统、DCS集散系统、FCS现场总线控制系统等。其中伺服系统是自动控制系统中的一类，它是伴随控制论、微电子、和电力电子等技术应用而发展起来的，最早出现于20世纪。近十几年，新技术革命使伺服系统及其技术突飞猛进，其应用几乎遍及社会各个领域，所以其重要性不言自明。

二、步进伺服系统

电气控制中伺服系统有速度伺服控制和位置伺服控制，可以有交流伺服、直流伺服、步进伺服、液压伺服、气压伺服等。采用步进电机控制的伺服系统称为步进伺服系统，是一种将电脉冲信号转换成角位移的系统。可在宽广的范围内调速。特别适合于开环控制。又因步进电动机输出轴的角位移与输入脉冲成正比，转速与脉冲频率成正比，转向与通电相序有关，当它转一周后，没有积累误差，具有良好的跟随性，因此步进伺服系统具有很好的实用性。

（一）步进伺服系统的组成

步进伺服系统主要由指令脉冲信号、步进电动机驱动电路、步进电机、步进电机扭矩放大器、执行机构、反馈环节等组成。

（二）步进伺服系统的分类及基本特征

没有反馈环节的部分叫做开环控制，因为其没有位置和速度反馈回路，因此省去了检测装置，系统简单可靠，具有结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低等一系列优点，在中小型机床和速度、精度要求不十分高的场合得到了广泛的应用，并适合于发展功能简化的经济型数控机床和对现有的普通机床进行数控化技术改造。

在整个控制环节里，有部分反馈环节的伺服控制系统称为半闭环伺服系统；如果角度、位置和速度反馈形成封闭的系统，就称为闭环控制伺服系统，闭环系统是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当处理自动给出驱动脉冲串。因此采用闭环控制可以获得更加精确的位置控制和更高更平稳的转速，从而提高步进电机的性能指标，可以具有更大的通用性。其控制方案主要有核步法、延迟时间法、用位置传感器等。

三、步进伺服系统的控制

（一）步进伺服系统的控制元件

步进伺服系统的控制元件为步进电动机，工作时，步进电动机的控制绕组受电脉冲信号控制，靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大后使控制绕组按规定顺序轮流接通直流电源。

步进电机主要分为转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进电机，用永久磁铁做转子的“永磁式”步进电机，感应子式步进的混合式步进电机，目前反应式步进电机用得最多。步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应角位移或直线位移的机电执行元件，步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。步进电机的运动状态是步进形式的，故称为“步进电动机”。

其通电方式有“拍”、“单”、“双”，其中相数、拍数、步距角为其主要参数。

步进电机动态特性主要有步距角精度，失步，失调角，最大空载起动频率，最大空载的运行频率，运行矩频特性。矩频特性是电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

（二）步进伺服系统的控制原理

步進伺服系统主要分为开环、半闭环、闭环控制系统，其控制基本要求为：精度高（0.01—0.001mm)，响应快（小的跟踪误差），调速范围宽（1：100，1：1000），低速大转距(电机可以直接连丝杠)，较强的过载能力(数分钟内,电枢电流大于额定值4—6倍)，能频繁起停，正反向运动。步进伺服系统控制的驱动电源包括环形分配器和功率放大器两部分。其中环形分配器是按一定的顺序导通和截止功率放大器，使相应的绕组通电或断电，它由门电路、触发器等基本逻辑功能元件组成，目前有硬件环形分配器和软件环形分配器。其通电顺序为AB-B-ABC-C-BC-A.

功率放大器的输出直接驱动电动机的控制绕组，由于从环形分配器输出的电流只有几个毫安，而一般步进电机的励磁电流需要几安到几十安，因此需要功率放大器进行功率放大和电流放大。功率放大器的性能对步进电动机的运行状态有很大影响。关键是要提高电动机的快速性和平稳性。目前国内使用的步进电机的驱动电路主要有单电压恒流功放电路、高低压（双电压）功率放大电路、调频调压功放电路。其中斩波型功放电路克服了电压恒流功放电路、高低压（双电压）功率放大电路谷点现象，得到广泛应用。

四、步进伺服系统的应用及其发展前景

因为步进伺服系统具有快速起停、精确步进以及能直接接受数字量等特点，其在各种应用场合得到广泛应用。例如军事上，雷达天线的自动瞄准跟踪控制，冶金行业，运输行业绘图机、打印机及光学仪器等，在工业工程控制的位置控制系统中PLC应用，在机械制造行业中，应用最多最广泛，如各种高性能机床运动部件的速度控制、运动轨迹控制等。未来随着工业以太、现场总线技、先进控制技术的PCS的发展将向着通信自动化、智能化、电子化快速发展。

五、结语

电气控制中伺服系统在现在社会技术发展中的重要作用促使其快速发展和应用，其中以步进电机为控制元件的步进伺服系统更在各种位置和速度控制中体现了其重要性，通过本文的介绍，可以比较清楚地了解和认识到步进伺服系统的组成及其特征还有其控制原理等方面的知识，可以为这方面的研究提供一定的参考和指导作用。

参考文献：

[1]敖荣庆，袁坤．伺服系统[M]．航天工业出版社，2006.

步进电机控制器的设计 第4篇

1 硬件系统的设计

设计本系统中, 硬件系统主要由电机驱动电路, 电源电路, 串口通信电路, 单片机电路, 下面就具体的电路进行分析设计介绍。

1.1 电机驱动电路

主要由驱动芯片组成, 该系统的驱动部分采用了UC3717A芯片, UC3717A芯片使用非常简单, 它通过3个输入管脚 (Phase、I1和I0) 接受输入的参数, 在2个输出管脚 (AOUT和BOUT) 上输出相应的控制信号。

利用外部逻辑电路构成的逻辑分配器或微处理器分配信号, 由若干片这种电路和少量无源元件可组成一个完整的多相步进电动机驱动系统, 可实现整步 (基本步距) 、半步或微步距控制。在这里我们使用的是MSP430单片机来分配信号, 控制方式是双极性、固定OFF (关断) 时间的斩波电流控制。它们是16脚双列直插塑料封装, 4、5、12、13脚为地.UC3717A是UC3717的改进型, 其驱动能力是双向电流1A, 步进电动机供电电压范围宽, 为10-46V。H桥的功率晶体管有低饱和压降, 并附有快速恢复续流二极管 (见图2) 。

1.2 电源电路

在本设计中, 整个系统要求电源既有稳压性能, 和纹波小等特点, 还有是硬件系统的低功耗等特点, 因此本系统的电源部分选用了TI公司芯片TPS76033来实现, 该芯片能很好的满足硬件系统的要求, TPS760XX芯片是针对电池供电应用的50m A输出的低压差线性稳压器, 使用Bicmos工艺, 使其在电池供电中显示出杰出的性能。芯片采用小体积的SOT-23封装, 工作温度范围宽。其特性是50m A电流输出, 多种固定电压可选:5V, 3.8V, 3.3V, 3.2V和3V, 典型压差:120m V/50m A, 过温保护, 关断时静态电流小于1u A, 工作温度范围-45℃~+125℃, 5管脚SOT-23封装, 1.SKV ESD保护, 专门设计用于电池供电的系统.低压降稳压器, 具有热保护功能, 具有较低的功耗, 关闭状态静态电流仅为1μA。并且该芯片具有很小的封装, 在电路的设计分配中, 因此能有效地节约PCB版的面积 (见图3) 。

1.3 串口通信电路

本系统中采用的SP3220, 来实现接口电平的转换。SP3220芯片具有功耗低、封装小等特点, 是一款低功耗的RS232驱动芯片, 在介绍具体电路之前先介绍一下SP3220芯片, SP3220芯片具有以下特点:满足RS232协议操作;宽电压供电, 工作电压为+3.0V到5V;满载最小数据速率:120Kbps, 上传速率可以达到235Kb/s;1μA的低功耗关断模式, 接收器有效;处于低功耗模式下, 仍然可以接收数据;可与RS-232器件共同工作, 电源低至+2.7V (见图4) 。

1.4 MPS430单片机电路

单片机与UC3717A芯片的接口主要是通过单片机的一般I/O口与UC3717A芯片的输出管脚进行连接。虽然单片机与UC3717A芯片的供电电压不一致, 但是由于UC3717A芯片的输入高电平最小为2V, 而MSP430单片机的输出高点平大于2V, 因此在接口时不需要进行电平转换。单片机与上位机通信通过单片机的串口0 (UART) 实现, 由于单片机与上位机的接口电平不一致, 所以需要通过串口芯片 (SP3220) 来完成电平的转换。另外, 有与其他电路的接口, 如电源电路 (见图5) 。

2 软件设计

在本系统中, MPS单片机首先要确定好输出的逻辑关系, 要求电机执行的是三相六拍的运行, 要求单片机完成三相六拍的环形分配, 设计中主要用到了定时器的比较功能, 设置定时器每个模块比较器的比较值, 即第一个模块中断到来时, 预设下一个中断是哪一相, 并设置对应模块的比较值, 这样按照三相六拍的序列循环依次设置比较值, 来完成电机的脉冲的环形分配。

整个控制器系统的软件设计主要包括主程序、串口中断服务程序、数据处理程序和比较中断服务程序。在该系统中, 主程序主要完成时钟, 端口, 定时器, 串口的初始化, 及循环顺序检测串口发送数据、接收数据的标志和定时器中断标志, 及时调用发送数据中断服务程序、接收数据中断服务程序和定时中断服务程序;定时中断服务程序是整个控制器设计内容的核心。

2.1 主程序

在主程序中完成一系列的初始化, 包括时钟的分配, 主要是为进入中断做准备;而实实在在的事情在各自的中断服务程序中实现。系统的主程序主要是完成对各个模块 (I/O端口、定时器、串口) 的初始化, 并及时查询串口通信标志, 将接收到的数据及时写入存储器, 并调用子程序对数据进行处理, 如有上位机发送一个数据 (电机所要运行的步数) 到来要接受时, 根据串口通信标志接收数据, 为真接收写入存储器, 此时并调用数据处理子程序, 把步数转换成定时器的在各个转折点的比较值, 循环查询中断标志, 调用各个中断服务程序, 对相应电机进行相应的控制, 下面分别对各个模块的程序进行具体的设计 (见图6) 。

2.2 串口中断服务程序

串行通信主要是完成数据的发送和接收。在该软件系统中, 采用中断服务程序实现串口通信, 串行口的控制是通过地址070H的串行口控制寄存器进行的。串行口的数据由串行口缓冲寄存器URXBUF0、UTXBUF0负责收发。URXBUF0保存串行口接收到的数据, SUTXBUF0则用以暂存准备发送的数据。收发程序都处于等待状态, 一旦外面有数据到来, 则触发中断, 进入中断接收中断服务程序, 接收数据。中断程序从“RXBUF0”寄存器里读取数据, 将得到的数据放到“UART0_TX_BUF”里, 接收数据后设置一个标志, 来通知主程序。如果有数据在需要发送时, 主程序设置一个发送标志, 并且触发中断, 发送完数据后, 发送中断程序等待下一次中断的到来。

2.3 比较中断服务程序

比较中断服务程序是完成电机控制的核心内容, 主要是通过定时器实现在相应的管脚输出不同的状态逻辑来驱动电机芯片, 以使电机进行相应的工作, 该作用主要是使用定时器中的各个模块, 来执行中断服务程序, 进行相应的处理。定时器中断服务程序不仅根据相应的状态向电机驱动芯片输出相应的值, 从而实现电机的不同工作, 而且还控制频率的增加和减少, 实现控制电机升减速。

比较中断服务程序主要完成系统的脉冲环形分配和频率的加减, 即电机绕组的换相, 三相六拍的换相顺序是A-AB-B-BC-C-CA-A, 这里三相绕组对应的是定时器的三个比较器, 因为timer A带有三个比较输出单元, 三个输出单元正好连接三相绕组, 这里通过设定三个比较器的比较值来确定换相时间间隔, 即在第一个中断到来时, 就要确定好, 是通过计算来确定下中断的时间, 同时确定好输出的高低电平;另外, 通过中断时间的大小来确定电机的加减速, 这样来确定电机的各个状态 (见图7) 。

2.4 数据处理程序

数据处理程序主要是完成定时器的控制频率与定时器的比较值之间的转换, 以及由给定的步数, 转换成为最高频率, 相应的比较值的设定, 之间的换算的程序实现。

这个程序主要是处理一些数据, 通过一个给定的步数, 先是通过公式运算, 计算出其所能达到最大频率值, 然后把这个值与给定的最高频率相比较, 判断是属于哪一种情况, 如果是小于, 即是没有达到最高频率就开始减速了, 按照对应的算法设定比较值, 如果是等于, 则要继续判断下一步, 如果此时下一步的频率也是大于等于最高频率时, 即为第一种情况, 能够进行完整运行, 包括三个状态启动、稳定、停车三个状态, 按照前面对应的算法设定定时器比较值, 如果此时下一步的频率小于最高运行频率, 则为第二种情况, 即刚刚达到最高运行频率没就开始减速停车, 按照前面对应的算法设定定时器比较值。

摘要：研究mps430单片机构成步进电机的控制系统, 控制步进电机实现三相六拍运行, 启动、升减速、停车定位, 以及与上位机的通信, 采用串行通信模块、单片机模块和电机驱动模块来构成电机的控制系统;用定时器中断来控制I/O输出高低电平, 控制驱动的通断, 实现脉冲的环形分配完成三相六拍运行;控制定时时间, 来控制频率的增加和减少, 实现升减速。电机的启动频率达到1000hz, 最高运行频率达到20000hz。

关键词：MPS430单片机,步进电机,通信

参考文献

[1]陈隆昌, 等.控制电机[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2000.

[2]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2001.

单片机控制步进电机论文致谢 第5篇

转眼间，我的研巧生生涯就要结束了。回首这大半年来，对这篇论文的定题、理论研究、方案设计、数据收集以及各种细节的探讨，直至论文最终的完成，我的导师陈静教授师始终给予我最重要的的指导与帮助，我要向我的导师表达最诚掌的谢意。论文中的每个字、词、句的使用，图表中的数据是否正确，都包含了导师的心血。陈老师严谨的治学态度、渊博的知识、孜孜不倦的工作精神以及平易近人的工作作风，深深地影响着我，也必将使我终身受益。祝愿导师在今后工作顺利，身体健康，家庭幸福，在后的科研中取得更大的成就。陈老师在进行系统设计的时候，提供了非常大的帮助，包括电路的设计，器件的选型，大方向和细节上都提供了非常大的帮助。同时感谢和我一起在实验室完成论文的同学们在课题研究过程中给予的指导和帮助，感谢你们的鼓励与支持!

感谢我的父母，是你们在我遇到困难的时候给我鼓励和安慰，在我取得成功时给我鞭策，你们深深的爱和无私的奉献始终是我学习与工作的巨大动力。

单片机对仪表步进电机的细分控制 第6篇

关键词：组合仪表；仪表步进电机；细分；单片机

仪表步进电机

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，即给电机某相线圈加一脉冲信号，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得非常简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不像普通的直流电机、交流电机那样在常规下使用。它必须在双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统下使用。

仪表步进电机属于步进电机中体积、功耗较小的类别，可以由单片机或专用芯片的引脚直接驱动，不需外接驱动器，因而在仪表中被用于指针的旋转控制。

需求分析

本方案中使用的仪表具有如下特点和设计参数：

·指针响应灵敏、走位准确，即收到驱动脉冲后不能丢步：

·指针转动平稳，即指针从当前位置到目标位置之间的走位要平稳，正、反转都不能出现抖动；

·两相、步距角10°、转动范围300°。

根据技术参数可知，采用两相四拍和两相八拍时的步距角为10°和5°、在300°的范围内只能作30和60个刻度划分，在实际应用中，会发现指针步距角不能满足要求而且抖动不可避免。为了实现指针高精度的准确走位和平稳运转，要对步进电机步距进行高分辨率细分，这也是设计的难点所在。

步进电机的细分技术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。以两相四拍为例：当电机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10°；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了1°。细分功能完全是由驱动器或

单片机靠精确控制电机的相电流所宴现的，与电机本身无关。

细分原理

两相四拍A、B、／A、／B的驱动状态表如表1所示。

两相八拍A、B、／A、／B的驱动状态表如表2所示。

从以上的分析可知，两相四拍是整步运转不细分，两相八拍其实是2细分。合成的磁场和电流矢量夹角以90°和45°的方式变化，如此往复循环。

参考相关资料后不难发现：细分驱动技术常用近似正弦波的阶梯型电流代替矩形波电流，产生一个微步旋转磁场，从而带动电机以更小的步距角转动，其电流波形和旋转磁场矢量如图1所示。同时由于正弦波电流变化平滑，使电机运行更平稳、噪声更小。即通过改变相邻两相(A，B)电流的大小和方向(A相正弦波和B相余弦波矢量叠加)，以改变合成磁场的夹角，通过电流矢量合成的方式来控制步进电机运转。

硬件设计和软件编程

根据细分原理可知，对于两相步进电机，需要同时控制两组线圈的电压大小和方向才能达到合成电流矢量控制的目的，控制线圈的电流大小有两种方案：其一是通过单片机写入数字量，由数模转换器件输出模拟电压，控

制线圈电流大小：其二是通过某些单片机自带的PWM引脚输出占空比可控的方波，用其交流有效值控制线圈电流大小。很显然，按照正弦规律变化的占空比决定了线圈电流大小也按照相同的正弦规律变化。线圈的电压施加方向可以通过逻辑门电路来实现。

综上，选用具有两路16位精度PWM功能的ATMEGA48单片机，外围硬件电路设计如图2。

使用该单片机具有PWM功能的PB1和PB2连接PWM_A和PWM_B、使用两个普通引脚连接DIR_A和DIR_B即可实现对电机的控制。原理说明如下：电机的A、／A、B、／B分别对应四输入与门电路的3、6、8、11引脚。在DIR_A和DIR_B为低电平时，门电路的1、9引脚为0状态，三极管Q3、Q4截止，门电路的4、12引脚由于上拉处于1状态，这样，与门电路的3、8输出为0，即A、B为Q；此时与门电路的6、11输出与PWM_A和PWM_B保持一致，即／A、／B由PWM_A和PWM_B决定。在其他状态下，也具有同类特点：A和／A之间、B和／B之间的通电极性由DIR_A和DIR_B决定：A和／A之间、B和／B之间的电流大小由PWM_A和PWM_B的占空比决定。而且只要三极管Q3、Q4工作正常，与门电路就不会出现逻辑混乱的情况。

配合硬件的设计，软件上编写了一个由64个数据组成的数组，分别对应了0～90°正弦波幅度变化的8位数字量化值(以阶梯波的方式模拟了64点正弦波抽样)，每个值用来控制输出波形占空比，实际上参与了电流矢量夹角转动90°过程中其电流大小的计算。众所周知，正弦、余弦波相位相差90°，在已知0～90°正弦波幅度变化表后，同样可以得出90°～180°、180°～270°、270°～360°(0。)的正弦波、余弦波幅度变化表，所以通过0-90°正弦波幅度变化的8位数字量化表的演化，就可以在两相八拍(二细分)的基础上把电流矢量夹角分成四个象限，配合极性的控制，在每个象限中把A或／A的正弦波和B或／B的余弦波作8种组合，在每种组合中完成电流大小的变化，最终作到两相64拍(16细分)的控制。而且，最巧妙的一点就在于：通过选择64个数据对应每90°范围的正弦波的64个点，就可以用一个字节的大小来作为区分4个象限的标志，便于对正、余弦的角度进行演化，即0～63对应0～90°，64～127对应90°～180°，128～191对应180°～270°，192～255对应270°～360°。

两相64拍A、B、／A、／B的驱动状态表如表3(以B为起始状态)。

由于仪表指针从当前角指向目标角时，变化量会有不同。为保证指针响应灵敏、无抖动、必须在正、反转时考虑加、减速控制。程序中，可以根据变化量的大小和正负设定几个控制区间，分别写入不同的延时参数，根据此延时参数来控制电流大小、方向(改变PWM_A和PWM_B、DIR_A和DIR_B)变化时间，就达到了加、减速的控制的目的。

结语

步进电机的加速控制 第7篇

为了实现缓慢加速和缓慢减速, 我们是通过改变输出脉冲的周期来实现的, 具体有两种方法:软件和硬件方法都可以实现。软件方法和硬件方法的主要区别在于运行时占用CPU的时间的长短, 因为软件方法是靠设置延时子程序来实现的, 需要不停地产生控制脉冲, 所以这个过程占用了大量的CPU时间, 硬件方法是通过定义定时器来实现的, 通过定义中断, 每次进入中断后改变定时器初始值, 从而来改变控制脉冲的周期, 这种方法占用CPU时间较少, 所以这种硬件的方法速度要快, 效率要高, 所以这种方法是我们现在普遍使用的步进电机变频调速的方法。具体的设计方法是如图1所示, 为了编程方便, 我们把加减速的过程分成几个离散的点来定义它的速度, 把加速过程分为t1~t4四个过程;减速的过程也分为t6~t9四个过程。这种离散化的频率在每个频率上都会保持一段时间, 用来克服步进电机转动时的惯性引起的速度不同步, 这也是运行速度误差的自动纠正过程。而要使步进电机启动和停止时不因为脉冲频率太高而丟步, 则需要采用PWM控制来实现平稳过渡。

COS-II的各种服务都是以任务的形式来出现的。每个任务都有一个唯一的优先级, 并且它的优先级是剥夺型的, 在需要的场合可以强制, 因此适合应用在对实时性要求较高的地方。在STM32中移植COS-II的过程中, 只需根据芯片的结构和运行时钟等具体项修改系统的内核文件如OS_CPU_C.C、OS_CPU.H和OS_CPU_A.ASM这三个文件。内核头文件 (OS_CPU.H) 的移植过程在OS_CPU.H中, 主要声明了一些与微处理器相关的常量、宏和类型定义。

STM32主控芯片所产生的PWM脉冲的频率主要由系统的时钟频率、锁相环 (PLL) 的系数、预分频器 (AHB和APB) 的设定值以及内部寄存器TIMx_CR1的值所定。

时钟频率和计数周期通常固定不变, 而是通过修改预分频值来调整输出脉冲频率。分别由端口初始化和寄存器配置组成。

摘要：步进电机是机电控制领域中使用较为广泛的设备之一, 它的工作原理主要是将脉冲电信号转变为电机转子的固定角度和转动速度, 通过输出特定的脉冲电信号可以实现电机较精准的控制, 从而使步进电机的联动设备完成预定的运动轨迹。而要使步进电机启动和停止时不因为脉冲频率太高而丟步, 则需要采用PWM控制来实现平稳过渡。

关键词：步进电机,PWM

参考文献

[1]库少平, 刘晶.基于STM32F10x和MDK的步进电机控制系统设计[J].武汉理工大学学报, 2009, 31 (3) :21-27

基于PIC的步进电机细分控制器 第8篇

步进电机作为数字化执行元件,是机电一体化的关键产品之一。由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差和计算机接口方便等优点;它被广泛地应用于工业自动控制、机器人、卫星天线定位系统、医疗器械、条码扫描仪以及各种可控机械工具等等。随着经济的发展、技术的进步和电子技术的发展,步进电机的应用领域更加广阔,同时也对步时电机的运行性能提出了更高的要求[1,2,3,4]。但是由于其结构上的特点使它存在着以下缺点:

(1) 不能像直流电机以及交流电机那样自动平稳地升降速,在转速较高、变化较大的场合下有可能会出现失步或堵转的现象;

(2) 转速不够平稳,步距角较大,特别是在低速时,甚至会出现震荡现象。

这些问题都是由于难以预测和研究的负载、电机、控制系统三者之间的非线性组合产生的。但是,细分控制系统提供了解决问题的方法和更好的运动稳定性。

考虑上述因素,本研究提出以美国Microchip公司的PIC18F2331以及意大利SGS公司的L298作为主要元件的细分电路设计方案。

1 硬件设计

如图1所示,本系统主要包括电源部分、单片机部分、功率驱动部分和串口通信部分。作为步进电机控制器的电源部分,使用78系列的三端集成稳压器7 805,产生+5 V的电源就可以满足系统的光电耦合器、功率驱动器以及串口通信的要求。在单片机输入端使用光电耦合器,目的是实现电路保护,防止外部高幅值电源正负极颠倒,烧毁单片机,使整个电路瘫痪。电容是用来组成滤波电路,过滤干扰信号,防止信号失真,尽量缩短电容引线,尤其是晶振的旁路电容。外部PWM信号经过光电耦合器6N137实现电平转换,产生满足单片机输入要求的PWM信号。然后,单片机使用查表计算方式输出一定占空比的PWM,经过L298功率驱动电路实现对步进电动机的细分驱动功能。

1.1 光电隔离电路设计

使用光电耦合元件可以避免干扰从输出通道传入控制微机,同时努力吸收尖峰干扰信号,所以具有很强的抑制噪声干扰能力,而且耐用,可靠性高。

如图2所示,本设计中选用的是6N137光电耦合器,速度可以达到10 Mbit/s。

在外部PWM信号输入CPU之前,首先用电容对其进行滤波,抑制信号中的高频分量。光耦隔离实现了输入信号和控制器之间的电平转换,并实现了两个不同回路间的隔离,保证了控制器电路不受来自开关信号电路的干扰。

CON2为外部PWM信号输入端口,接6N137的2,3端口。6N137的6,7端口输出满足单片机I/O口输入要求的PWM信号。

1.2 单片机外围电路设计

PIC18F2331是美国微芯公司生产的单片机。采用HS震荡模式,查找数据手册,选择两个15 pF电容C4,C5作为旁路电容。

如图3所示,在PIC单片机输入端加设二极管D1的目的是实现电路保护,防止外部高幅值电源正、负极颠倒而烧毁单片机,使整个电路瘫痪。

单片机EN1,EN2是控制功率驱动电路的使能端;CNT1,CNT2是控制电机转动方向;CCP1,CCP2能够在控制下输出一定占空比的PWM信号。单片机通过检测外部输入PWM的占空比及其变化快慢,判断步进电机的工作状态,然后各端口按照查表方式输出相应的PWM信号占空比,实现电机的细分驱动。

1.3 功率驱动电路设计

如图4所示,74HC04与74HC08的使用,确保了L298的input信号是互补的,消除了信号干扰,以免出现信号混乱而导致电路无法正常运行。L298其实就是两个全桥电路,实现步进电机线圈中电流的通/断。在功率驱动器的输出端放置快速二极管或者肖特基二极管,用来把电机线圈里由线圈产生的反向电势释放掉,防止电机产生的反向感应电压烧毁芯片。

1.4 RS-232通信接口电路设计

为了使运动控制器的适用范围更加广泛,配合PC的现有接口,选用RS-232标准总线来实现控制器和PC的通信,其接口电路如图5所示。在图5中,选用MAX232作为系统的通信接口芯片。MAX232是MAXIM公司生产的低功耗、单电源双RS-232收发器,适用于各种EIA-232E和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片可以把输入的+5 V电源变换成RS-232输出电平所需的±10 V电压,所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5 V电源即可。

MAX232外围需要的4个电解电容C30,C31,C32,C34是内部电源转换所需电容,其取值均为0.1 μF/25 V。C33为0.1 μF的去耦电容。MAX232的引脚T1IN,R1OUT为接TTL/CMOS电平的引脚。引脚T1OUT,R1IN为接RS-232C电平的引脚。因此TTL/CMOS电平的T1IN引脚应接PIC18F2331的串行发送引脚TX;R1OUT应接PIC18F2331的串行接收引脚RX。与之对应的RS-232C电平的T1OUT应接PC机的接收端RD;R1IN应接PC机的发送端。

2 软件设计

控制系统采用C语言编程[5],程序流程图如图6所示。按照功能要求具有一定的细分驱动控制功能,初始化阶段就设置驱动控制的细分数n。单片机主要完成读取外界的单通道PWM控制信号,计算出输入PWM信号的占空比,根据要求输出电机的方向控制信号以及产生和输出PWM驱动信号。PIC18F2331单片机PWM输出信号的占空比计算公式如下:

PWM占空因数=(CCPRxL∶CCPxCON

<5∶4>)TOSC

(TMR2预分频值) (1)

PWM占空比undefined

理论上,细分的数目可以超过32,但实际上并不能改善电机性能。系统在细分模式下按照正弦和余弦函数规律改变线圈中的电流来驱动电机。

3 实验结果

利用PIC18F2331产生的脉宽调制(PWM)信号实现对2/4相永磁式步进电机的1/2,1/4,1/8细分控制。理论上,细分的数目可以超过32,但实际上并不能改善电机性能[6,7,8]。本研究首先尝试了1/2细分控制,步进电机线圈电流测量值如图7所示。从图7中可以看出,线圈具有阶梯形的正弦曲线特征,初步实现步进电机的细分控制。

4 结束语

以上介绍的2/4相永磁式步进电机细分控制器能够利用PIC18F2331产生的脉宽调制(PWM)信号,使原来的一个矩形脉冲波分解成一个阶梯波形,实现细分驱动控制电路。

采用细分驱动后,可以降低步进电机的转速,增加步进精确性,同时也减小了谐振问题,在低速时,更能改善步进电机的性能,是步进电机驱动的一种较好选择。USART是用来和主机交流的,以便于系统的调试和监控。

参考文献

[1]BALUTA G,COTEATA M.Precision Microstepping Systemfor Bipolar Stepper Motor Control[C]//The Aegean Confer-ence on Electrical Machines and Power Electronics(ACEMP).Turkey:[s.n],2007:291-296

[2]YEDAMALE P,CHATTOPADHYAY S.Stepper Motor Mi-crostepping with PIC18C452[EB/OL].[2002-03-21].http://www.microchip.com.

[3]丁学恭.步进电动机高精度矢量细分法微步距控制的设计与实现[J].机械制造与自动化,2006,35(4):183-185,188.

[4]宋受俊,刘景林,韩英桃,等.二相混合式步进电机驱动器的优化设计[J].电气传动,2006,36(2):59-64.

[5]冯博琴.微型计算机原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社,2002.

[6]温鹏俊,戴终勇.步进电机驱动系统细分驱动波形修正[J].机电工程,2007,24(10):1-3,13.

[7]李智强,周杰,任胜杰.基于单片机的步进电机细分驱动控制系统[J].机电工程,2007,24(7):67-69.

一种步进电机控制器检测仪设计 第9篇

步进电机是数字控制的一种执行元件,由输入的脉冲信号来加以控制[2],给步进电机一个电脉冲信号,就能使步进电机沿着一定方向转动一个角度,不断地给步进电机电脉冲信号,步进电机就能一步一步地转动。因此,只要控制电脉冲的个数就能控制步进电机转动的角位移量(转动角度),如果脉冲信号间隔的时间短,频率高,电机转动就快,可以通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度[3];步进电机控制器一般由电机驱动器及运动控制器( 控制卡)组成,电机驱动器将控制卡产生脉冲信号进行分配和放大后驱动电机转动,是运动控制系统的重要组成部分,驱动器的性能直接决定了系统的稳定性和可靠性[4]。文中设计了一种步进电机控制器检测仪,通过检测电机驱动器的脉冲输出状态及对脉冲数量及持续时间的计算解析,实现了对步进电机控制器状态、电机转动角度及转动时间等运动控制系统主要性能指标的检测,同时,也可以根据检测数据,对系统故障进行初步的定位和隔离。

1硬件设计

检测仪硬件是以AT89C52(主CPU)单片机为核心的智能信号检测处理电路[5],包括步进电机驱动器脉冲检测电路、键盘接口电路、通信接口电路、显示电路等。

检测仪硬件电路原理框图如图1所示。

电机驱动器脉冲检测电路是由光耦隔离电路、 脉冲整形电路、脉冲计数电路组成。首先通过光耦隔离电路将电机驱动器送过来的具有较高电位差的脉冲序列转换为TTL电平[6],然后送给脉冲整形电路进行整形处理,整形后的脉冲序列(如图2所示) 再送给脉冲计数电路及计时电路,进而计算出电机驱动器输出的脉冲数及脉冲持续时间,从而获得电机相应转过的角度及转动时间[7]。

键盘接口电路主要由422接口芯片以及一片AT89C52(辅CPU)单片机组成[8],这片辅CPU主要有以下两个功能:1用软件实现对键盘定时扫描和去抖,进而获取键盘输入信息;2通过并口与主CPU进行通信。

通信接口电路主要由通信接口芯片及通信接口控制电路组成[9]。通信芯片针对不同设备,包括RS422接口芯片及RS232接口芯片两种,主CPU通过通信接口控制电路对不同接口芯片进行选通,实现和具有不同通信接口芯片设备通信。

显示电路为240×64液晶显示模块,完成对检测结果进行显示的功能。

2软件

2.1主CPU软件

主CPU软件采用模块化设计,包括设备初始化模块、检测控制模块、显示控制模块、通信模块等。

设备初始化软件由主程序完成,包括单片机自身初始化、硬件控制初始化、显示初始化等。单片机自身初始化主要有存储器初始化、定时器初始化、中断初始化、内部标志位的初始化、串口设置等,是单片机正常工作的前提。硬件电路控制初始化是对检测控制电路中的计数器定时器进行初始状态设置,启动电路工作。显示初始化是指对显示液晶进行初始化设置,以便液晶工作在预定的工作方式下。

检测控制软件的功能是对电机驱动器送来的步进脉冲序列的数量、频率进行正确的录入和控制,也就是对相应计数器执行清零、读入等操作。 同时把测量结果存储及送给显示模块进行显示处理。

转动时间检测程序段[10]如下:

显示控制软件是把检测控制软件送来的各种信息送显。

写液晶子程序如下:

通信软件包括两部分:一个是与辅CPU通信软件,主要用来录取键盘信息;一个是检测仪与被测设备通信软件,主要用来检测被测设备的串口通信状态。

2.2辅CPU软件

辅CPU软件也采用模块化设计,包括设备初始化模块、键盘扫描去抖模块、通信模块等。

设备初始化软件主要是单片机自身初始化,主要有存储器初始化、定时器初始化、中断初始化、内部标志位的初始化,串口设置等,是单片机正常工作的前提。

键盘扫描去抖软件的功能是完成对键盘状态进行定时扫描去抖,当发现有按键时,读入键值并将键值送主CPU进行处理。

键盘扫描去抖部分程序如下:

通信软件是与主CPU通信软件,主要用来将按键键值送主CPU进行处理。

3应用举例

检测仪用来对某型装备中步进电机驱动转台控制器进行检测,检测仪与被测设备间接口包括接收驱动脉冲的转台接口及通信接口,通信接口采用标准RS232异步全双工串行通信接口,传输速率为4 800 bps。检测仪与被测设备转台接口采用光耦器件隔离。

按提示步骤执行对应操作,测量转台控制器调转时间。对应显示界面如图3所示。

按提示步骤执行对应操作,测量转台控制器串口通信状态。对应显示界面如图4所示。

4结束语

文中介绍的步进电机控制器检测仪不仅在具体装备的检测中得到了很好的应用,而且只要更换相应的测试接口和测试电缆,也可以应用在比较通用的步进电机驱动器的检测上。

摘要：针对步进电机控制器性能检测及故障定位等测试需求,介绍了一种步进电机控制器检测仪的设计方法,实现了对步进电机控制器状态、转动角度及转动时间的检测,重点阐述了基于单片机AT89C52的硬件组成及基于C51语言的软件设计。

步进电动机的PLC控制 第10篇

步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移 (或线位移) 的执行元件。普通电动机是连续运转的, 而步进电动机是一步一步转动的。它在数控机床、电脑绣花机、绘图机、轧钢机自动控制以及检测仪表等方面获得了广泛的应用。PLC的应用和普及, 对于步进电动机应用技术的发展有着十分重要的意义。因此, 步进电动机与微处理器的结合将使其应用更为合理而高效。

2. 反应式步进电动机的运行原理

图1所示为三相反应式步进电动机的工作台原理图。在定子上有六个磁极, 分别绕有A、B、C三相绕组, 构成三对磁极, 转子上有四个齿。当定子绕组按顺序轮流通电时, A、B、C三对磁极就依次产生磁场, 对转子上的齿产生电磁转矩, 并吸引它, 使它一步一步地转动。具体过程如下:

当A相通电时, 转子的1号、3号两齿在磁场力的作用下与AA磁极对齐。此时, 转子的2号、4号齿和B相、C相绕组磁极形成错齿状。当A相断电而B相通电时, 新磁场力又吸引转子2号、4号两齿与BB磁极对齐, 转子顺时针转动30°。如果控制线路不断地按ABCA的顺序控制步进电动机绕组的通、断电, 步进电动机的转子便会不停地顺时针转动, 很明显, A、B、C三相轮流能电一次, 转子的齿移动了一个齿距360°/4=90°。

若图1中的通电顺序变成ACBA, 同理可知, 步进电动机的转子将逆时针不停地转动。上述的这两种通电方式称为三相单三拍。

根据图2给出的A、B、C三相绕组通电的矢量图, 可以得到该步进电动机的运行多种方式。下面就以三相六拍步进电动机为例说明这一运行原理。

若步进电动机按图2顺时针方向通电, 当A相断电而A、B相同时通电时, 转子的齿将同时受到A相和B相产生的磁场的共同吸引力, 转的齿只能停在A相和B相磁极之间;当A、B相同时断电而B相通电时, 转子的齿沿顺时针转动, 并与B相磁极的齿对齐, 其余以此类推。这样, 步进电动机转动一个齿距, 需要六拍操作。即得到典型的三相六拍步进电动机正转的通电状态的变化规律是:AABBBCCCAA

3. P LC控制

为了得到上述三相六拍的步进电动机正转的通电规律, 我们选用了日本三菱公司FXos一20MR微型可编程控制器进行控制。

1) 为了编制、阅读程序方便, 这里给出输入输出接线端子的分配表1和各内部软元件的分配表2。

2) 由输入输出接线端子分配表, 完成PLC的外部接线图, 如图4所示。

3) 程序的编制及说明:

现在根据以上资料来编制该步进电动机的PLC控制程序, 程序清单如下:该程序第0～3条指令为程序运行初始化, 可设置步进电动机的转速参数, PLC上电以后就能运行;第4～6指令为该程序运行的开始、停止控制段, X000接通, 步进电动机开始运行, X001接通则步进电动机运行停止;第7～44条指令为对应步进电动机运行一个通电循环的6条步进指令, 由于第43条返回指令“RET”的作用, 该步进电动机能不停地运行下去, 直到X001接通。第44条指令为程序结束指令, 如要改变步进电动机的转速, 只要改变状态寄存器DO的参数。

4. 结束语

步进控制器 第11篇

单片机灵活、价低的特点，非常适合在控制步进电机方面使用。步进电机的停止位置与转速主要取决于脉冲数与脉冲信号频率，然而却对其负载的变化没有影响。所以，对于步进电机来说，在额定负载的影响下，其不存在累计误差。因而，也正是由于这个特点，单片机控制步进电机系统广泛的应用于数控机床、机器人等领域。智能家居是当前比较前沿的科学概念。智能家居将成为未来人类起居生活的发展趋势之一。使用步进电机对智能家居中的窗帘进行控制具有可行性、低成本以及便捷性等特点。本文将从控制系统的硬件电路设计和系统软件调试两方面进行研究，并最后通过ZigBee无线网络、以太网技术实现窗帘控制系统与家庭网关相连，从而形成完整、可远程操控的智能家居系统。

2 单片机控制步电系统的硬件设备

步电系统的运行机理。步电系统是通过转化电子脉冲信号，使之成为线距差和角距差通过控制的关键控制元件。通常情况下，在负荷低于设定值的时候，步电系统的电子脉冲信息的速率以及数量控制了转动的速度和停止运行的具体位置。换句话说，一个电子脉冲信息对于步电系统就相当于转动了一个步的距离。这样就意味着，可以通过精准的设定电子脉冲的数量来达到控制系统精准转停位置的目的。通电换相来实现控制步进电机正转和反转的目的。单片机发动到步进电机中步进电机的速度与位移主要是取决于脉冲的频率和个数。在这里，脉冲数愈大，这种情况下，那么位移相应的就愈大。同时频率愈大。步进电机转动的速度就越快。在实际的智能家居控制中，要选择合适的位移和速度来对智能家居进行控制。

控制系统的设计。步进电机控制系统的关键在于单片控制和中断的设置。整体的单片机控制步进电机设计。控制系统通过设备初始化，将控制信号是否达到作为判断标志。当控制信号到来时候，决定步进电机的正转或者反转。外部中断1则是强制命令步进电机正转。最后，当步进电机转到一定的程度后，就介绍，并告知用户，已经窗帘已经到达预期位置。

单片机模块。出于系统运转的需要，将89C52单片机设计成整个系统的关键制控组件是十分必要的。89C52单片机是一种超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，选择89C52单片机可以降低设计成本，提高了操作性能。这个元件应用了存储制造工艺加工而成，具有密度高不易损失的特点，尤其是与行业标准MCS-51命令组合和外输管件相匹配。P1口八位作为与LCM1602的数据段相连接，P2.5，P2.6，P2.7与液晶屏的RS，RW，EN相连接，控制液晶显示屏。P3口的高四位与四个独立按键相连接，读取独立按键输入的信号。P3.2口和与门74LS21相连接，使得四个独立按键任一个按键按下都会产生中断。P2.0，P2.1，P2.2分别与L297的EN，CW，CLOCK相连接，由单片机输出的信号控制L297中A，B，C，D四个输出端口的高低电频，从而由L298的四个输出端OUT1，OUT2，OUT3，OUT4的高低电频控制步进电机的转动。单片机的电路图在protel中绘制如下。

步电系统运行实验。在这个实验中，步电系统的驱动设备应用了L297+L298的优秀电子线路技术，具有外观简洁，运转性能优良稳定的特性。L297和L298组合模块是为驱动步电系统而特别创制的，其中L298是双H式驱动设备，其内在的功率输出元件被密封在一个独立的石英单片上，同时，由于使用的是一样的制造技术，这就造成了它的性能指标具有惊人的同一性，运转起来非常稳定。

电动机可由半阶梯、正常和斩波驱动模式驱动，并且设于晶片内的PWM斩波线路准许通过开关对电流进行控制。该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http：//www.ems86.com总第539期2014年第07期-----转载须注名来源在这里，这一个器件仅仅需要输入信号、模式、方向、时钟等几个部分即可。相位主要是来自于内部，所以能够在很大程度上降低微处理机和程序设计的工作量。

LCD显示模块。液晶显示器具有轻便、小体积、低能耗的优点，这使得它能广泛的应用于微型显示设备以及需要低耗能设备的系统当中。本设计显示模块采用是长沙太阳人电子有限公司生产的SMC1602 LCM。其中EN，RW和RS三个引脚分别于单片机的P2.5，P2.6，P2.7三个口相连接，八个数据口分别与单片机P1口得八个数据端口相连接。

3 软件调试

通过使用proteus7进行仿真，可以看到将原理图按照正确的顺序连接在一起，和设计程序一并送人仿真软件中，顾名思义，仿真就是用模拟的元器件代替实物进行实物器件所要执行的功能，通过正确的程序处理，我们希望得到的仿真结果是设计所需要的那样。

利用Zigbee无线模块与TTL/RS232电平转换电路进行串口通信，最终接受家庭网关的指令，在此基础上，并利用主控制器的调节完成开闭继电器等相关工作。

4 Zigbee模块与家庭网关的通信

本模块采用51单片机为主控器，通过TTL/RS232电平转换电路与Zigbee无线模块进行串口通信，从而接受家庭网关的指令。进而通过主控制器的控制实现对继电器开闭的操作。具体可以通过下面的步骤进行：SCON=0x50； /*模式 1，接收使能*/TMOD|=0x20； /*定时器 1，方式 2*/ TH1=0xFD； /*波特率 9600*/ TL1=0xFD； TR1=1； /*启动定时器 */EA =1； /*打开总中断*/ES =1； /*打开串口中断*/ 初始化串口后，利用C51中的printf（）函数将数据发至串口，在此基础上，利用读SBUF寄存器的方式自串口得到相应的信息。 利用串口通信可以完成远程或局域网控制窗帘的开关。外部中断中单片机的初始化如下：SCON =0x50； /*模式 1，接收使能*/TMOD |=0x20； /*定时器 1，方式 2*/ TH1 =0xFD； /*波特率设置为 9600*/ TR1 = 1； EA=1； /*全局中断开*/ EX0=1； /*外部中断 0 开*/IT0=0； /*电平触发*/EX1=1； /*外部中断 1 开*/IT1=0； /*电平触发*/ES=1； /*打开串口中断*/初始化结束，能够依次利用2个外部中断命令对其正反转进行调节，利用这种方式，最终达到手动控制窗帘的目的。

综上所述，本文通过对单片机控制步进电机的研究，分析了其在智能家居中窗帘中的应用。通过以智能家居控制系统为平台，将单片机控制步进电机的子系统接入主系统中。从而实现用户对家居窗帘的智能控制。虽然，在整体的设计上，已经实现了智能家居窗帘控制的基本功能，但是鉴于人力和时间等限制，不可否认该系统还有许多不完善的地方。下一步的工作重心在于测试系统的稳定性，从程序的鲁棒性和硬件封装等方面进行思考和改进。

步进电机控制系统的设计 第12篇

关键词：脉冲频率,转速,定时中断,外部中断

0 引言

随着自动化控制的不断发展, 运动控制技术已经成为推动新工业的重要技术, 而运动控制系统中的核心单元就是步进电机控制模块。步进电机是一种完成数字/角度转换的电磁机械装置, 可以利用电脉冲信号驱动步进电机按预设的方向转动并控制其转动到一个固定角度。综上分析可知, 步进电机的转动应该有一定的角度定位, 为了准确地定位, 就需要控制其角位移量, 而这一参数的控制可通过改变脉冲个数来实现;同时电机的转速大小也是可以改变的, 主要是通过改变脉冲的频率来实现[1]。

1 系统总体设计

1.1 系统的组成

本系统主要用AT89S52单片机来实现, 再配上四相八拍的步进电机。由单片机产生的数字脉冲信号通过驱动芯片ULN2003来控制电机, 同时电机还可以实现以下功能:加减速、正反转和液晶显示。其中, 显示主要是实时标明电机的转速, 加减速和正反转则通过按键来控制, 因此系统的主要组成部分是:ULN2003驱动电路、显示电路、按键电路、单片机最小系统、电源电路[2,3]。系统总体设计如图1所示。

1.2 按键电路

电路中设置四个按键, 主要用于输入控制完成顺时针旋转、逆时针旋转、加速、减速, 分别是由K1、K2、K3、K4这四个按键确定。电机的正反转由K1和K2的断开和闭合来实现, 而K1和K2分别与单片机的P1.0和P1.1相连, K1和K2按键的状态由P1.0和P1.1接口送入单片机, 单片机芯片再调用相应的方向转换程序。而步进电机的转速变化主要通过改变脉冲频率来实现。改变脉冲频率的方法有两种, 分别是软件延时和定时中断。本系统采用的是定时器中断, 通过K3、K4的断开和闭合控制电机加减速, 再通过外部中断控制改变存储区中的速度值, 步进电机的输出脉冲频率就随存储区中的数值做出相应的改变, 最终达到改变转速的效果。按键电路图如图2所示。

1.3 驱动电路

驱动电路主要是驱动芯片ULN2003, 该芯片由达林顿管组成。ULN2003的1B~4B口接收单片机P0.0~P0.3的输出脉冲, 而后从1C~4C口将放大后的信号输出到步进电机的A、B、C、D相。驱动电路如图3所示。

1.4 显示电路

由于电机具有换向和加减速的功能, 而电机转速又分为不同的等级, 因此为了实时观察电机的运行方向和运行速度, 系统设计了工作状态和电机转速的显示电路。显示电路采用LCD1602模块开发得到电机转速的实时显示。LCD1602的RS、R/W、E端口分别对接单片机的P0.5、P0.6、P0.7口, 而D0~D7端口则分别连接了单片机的P2.0~P2.7。显示电路如图4所示。

2 软件设计

由于系统主要是实现步进电机的转动和换向, 所以设计过程十分清晰。软件包含主程序部分、定时中断部分、外部中断部分和显示部分。其中主程序需要完成系统的初始化、系统状态的显示、开关按键的扫描并根据检测结果实施相应的处理[4]。特别地, 系统的初始化可分解为如下步骤:一是初始化定时器, 二是初始化外部中断。三是给单片机P1口送初始值以决定脉冲分配方式, 速度值存储区送初始值确定电机的启动速度, 给旋转方向值送初始值用以确定电机的初始旋转方向, 液晶显示初始化。

在此, 给出主程序的具体工作流程如下:首先是对液晶显示进行初始化, 然后进行按键状态的检测, 检测到有状态变化, 再调用步进电机的相关数据显示子函数。按键检测时先检测正反转按键, 再检测加减速按键。当K1按键按下时, P1.0口读回值为低, 电机开始以初始值 (若初始值设为5档) 顺时针旋转, 显示器上显示“CW5”, 再检测按键状态, 若K3按键按一次, 则电机转速加一档, 显示器上显示“CW6”, 若K3按键再按一次, 则电机转速再加一档, 显示器上显示“CW7”, 依次类推。若K4按键按一次, 则电机转速减一档, 显示器上显示“CW4”, 若K4按键再按一次, 则电机转速再减一档, 显示器上显示“CW3”, 依次类推。同理, 当K2按键按下时, P1.1口读回值为低, 电机开始以初始值 (若初始值设为5档) 逆时针旋转, 显示器上显示“CCW5”, 再检测K3、K4按键的状态并选做相应的处理。为了让电机正常运行, 程序中设置了电机转速的范围, 若电机转速在加减过程中使得转速超过预定范围, 则电机将停止转动。主程序流程图如图5所示。

定时中断部分主要设置脉冲频率从而决定电机的转速。电机定子上有绕组, 当绕组上通入电流, 而且电流是按一定的时间间隔接通, 电机就会转动起来。其中, 电流接通的时间间隔将直接影响电机转动的快慢, 电流接入时间越长, 转动速度越慢。定时中断程序主要是通过对电机的运行方向进行判断、发速度脉冲和保存当前的状态。

外部中断主要是用于改变转动速度, 而电机的转动速度又由电机的输出脉冲频率决定。具体实现是在硬件电路中设置按键, K3和K4按键每动作一次, 程序就调用一次中断, 存储区中的速度值就发生一次与其对应的变化, 这样电机的转动速度也就发生一定的相应变化。

显示部分采用1602液晶显示步进电机的实时运行状态, 不仅可以显示数据, 还可以显示相关的状态。

3 结束语

文中的系统是以单片机为硬件中心, 驱动芯片ULN2003操控电机完成相应的一系列工作, 并通过按键控制电机的运动状态和转动速度。该系统具有实时控制的特点, 尤其是功能还可以丰富扩展, 由此将进一步拓宽其使用范围, 因而本文的系统研究即具有重要的现实意义和实用价值。

参考文献

[1]孟武胜, 李亮.基于AT89C52单片机的步进电机控制系统设计[J].微电机, 2007, 40 (3) :64-66.

[2]徐益民.步进电机的单片机控制系统的设计[D].哈尔滨:黑龙江科技学院, 2005.

[3]王小明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002.