文献综述-基于单片机的上下位步进电机控制设计.doc

（附表一）闽南师范大学毕业论文（设计）文 献 综 述 题 目： 上下位步进电机控制 姓 名： 学 号： 系 别： 物理与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2013级 指导教师： 2016年9月10日文献综述1、 前言由于实际工作和生产的需要，为了提高生产效率需要控制多台电机同时或协同工作，不仅需要控制电机平稳有效的工作，还要对其工作状况进行显示以及时了解系统的工况避免不必要的损失1。二维运动系统可以将被控对象传送到平面中的各个指定位置，并可以进行路径规划，控制其沿着一定的轨迹进行运动2。因为步进电机是说给一个电脉冲信号,电动机就转过一个角度或者前进一步,其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系3。一般的步进电机驱动电路较多采用斩波恒流驱动方式，由于这种方式利用逻辑环节控制器件的通断，采用的器件较多，所以电路设计较复杂，不易达到稳定4。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电,同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术5。运动控制技术的关键技术是新技术革命和新产业革命。“运动控制是指应用一个可控制的力的作用实现机电系统有效运动的技术,这个机电系统可以是以电气、液压、气动或其他形式驱动的6。步进电机最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。目前，在数控生产等应用领域，有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服控制系统的控制电机的。因此，步进电机的控制方法和定位传送是现今重要的研究课题。二、主体步进电机的驱动方式多种多样,不仅能应用专门的驱动器,该方法具有较好的可靠性,而且控制简单,能实现较高的细分等特点,但使用成本较高,适合于大功率步进电机的驱动7。1、ULN2003简介ULN2003其实就是一个单片集成电路，内部结构主要包括对大电流、高电压的达林顿晶体管阵列。有很强的低电平驱动能力，可用于微型步进电动机的相绕组驱动8步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的控制电机,它能够在不涉及复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度9。该电路的特点如下：1.ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。2.ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。3.ULN2003 采用DIP16 或SOP16 塑料封装。ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。 ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源中。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003是高耐压、大电流达林顿系列,由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下: ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。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。ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。2、STC89C52的结构与性能STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。2、1标准功能具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。2、2主要特性8K字节程序存储空间；512字节数据存储空间；内带4K字节EEPROM存储空间;可直接使用串口下载；2、3器件参数1. 增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051。2. 工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）。3.工作频率范围：040MHz，相当于普通8051 的080MHz，实际工作 频率可达48MHz。4. 用户应用程序空间为8K字节。5. 片上集成512 字节RAM。6. 通用I/O口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片。8. 具有EEPROM 功能。9. 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。10.外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒。11. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。12. 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）。13. PDIP封装。图2-1 stc89c52最小系统2、4串口完成TTL和RS-232C电平逻辑转换的方法很多，通常是选用集成电路芯片。选用了M AX232作为电平转换的器件，经MAX232转换出RS-232串行信号，便可建立与上位机的RS-232通信连接。RS-232是为点对点(即只用一对收、发设备)通信而设计的,其阻值为3 7 k,特别适合本地设备之间的通信,因此本系统采用该种通信方式11。3.步进电机3、1特点步进电机又称脉冲电机或阶跃电机,国外一般称或阶跃。目前,随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化,传统电机分类间的界面越来越模糊。就传统的步进电机来说,步进电机可以简单地定义为根据输入的脉冲信号,每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度,若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲,步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷直流电动机,也可看作是在一定频率范围内转速与脉冲频率同步的同步电动机。步进电机具有其自身的特色,归纳起来有1. 可以用数字信号直接进行开环控制,整个系统简单廉价；2. 直接接收数字信号,不必进行数模转换,使用方便。3. 位移与输入脉冲信号数相对应,步距误差不长期积累,可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统,也可以要求更高精度时组成闭环控制系统；4. 无刷,电动机本体部件少,可靠性高。5. 易于起动、停止、正反转及变速,响应性也好。6. 停止时,可有自锁功能。7. 步距角选择范围大,可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下,通常可以在越低速下以高转矩运行,因而可以不经减速器直接驱动负载工作。8. 速度可以相当宽范围内平滑调节。9. 同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步运行。10. 不能直接使用普通的交流电源驱动。3.2控制简介步进电机控制系统是一个有机的完整的整体,由运动控制系统和操作控制系统组成。由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号,运动控制系统随之作出反应,完成规定动作。运动控制是一门有关如何对物体位置和速度进行控制的技术。典型的运动控制系统应由三部份构成控制部分、驱动部分、执行部分。 在步进电机控制系统中运动执行部件为步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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,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。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动,这种装置就是步进电机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号,加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比,控制步进脉冲信号的频率,可以对电机精确调速控制步进脉冲的个数,可以对电机精确定位。因此典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成步进控制器、驱动器把控制器输出的脉冲加以放大,来驱动步进电机、步进电机。不同的控制方案,步进控制器、驱动器也有不同的类型。 步进电机是数控式电机,其最大特点是通过输入脉冲信号来进行控制,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。它具有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征,将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,因此非常适合于单片机控制。现在,脉冲分配器已经标准化、芯片化,市场上可以买到。但硬件方法结构复杂,成本也较高。使用单片机以软件方式驱动步进电机,不但可以通过编程方法,在一定范围内自由设定步进电机的转速、往返转动的角度以及转动次数等,而且还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态,以满足不同用户的要求。因此,常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。步进电机控制包括控制脉冲的产生和分配使用软件方法,即用单片机实现,这样既简化了电路,也降低了成本。步进电机是由步距角、静转矩、及电流三大要素组成10，11。 步进电机能够将脉冲信号转化为位移距离，它能够在简单的环路下实现准确的定位能力,性能与电路有着直接的关系12，13。步进电机在电脉冲作用下，每来一个脉冲转过一个角度。若脉冲的频率为，每分钟转过的角度为60。因此步进电机转速和脉冲频率的关系为 （2-1）式中 步距角，每一步转过的角度。14 三、总结通过查阅文献及对文献的学习，进一步了解上下位机步进电机控制。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。本设计拟用STC89C52作为系统控制核心，单片机STC89C52作为控制步进电机运行，发挥了其低耗高能的特点。总而言之，该设计结构简单，安装方便，操作界面友好，定位精度高，运行平稳，重复定位精度高，功能较强。以MAX232芯片为上下位通信串口模块，由上位机和下位机控制步进电机的运行状态，上位机发送信息，下位机处理信息并控制步进电机的运行。利用上位机配合单片机及ULN2003驱动步进电机的功能充分发挥步进电机的稳步运行和定点传送。步进电机使用28BYJ-48可以通过控制脉冲个来控制角位移量，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。主要参考文献：1 吴康，刘景林.多通道步进电机控制系统上位机设计J.微电机，2015，48（5）：66-69.2 刘鑫.基于单片机的双步进电机协调运动控制器设计J. 电气应用，2007，26（3）：65-68.3 毛制怒,冯浩,李宪章.基于上位机与MCS-51单片机的X-Y 轴定位驱动系统J.制冷与空调, 20054 方爱平.基于单片机的步进电机控制系统的设计和实现D,浙江：浙江工业大学.2008.5 赵晗.步进电机集成式驱动器的设计D,黑龙江：哈尔滨工业大学硕士论文.2006.6 刘兴辉,毕国玲步进电机的单片机控制系统研制J.辽宁大学学报.2007.第34卷.第4期.7 宋雪玲,刘朝英,宋哲英，步进电机绘图系统设计J河北工业科技.2008.25（2）.96-102.8 古志坚基于单片机的步进电机控制系统研究D广州：华南理工大学电子与通信工程，2013.119