《步进电机调速系统设计（论文）》

基于单片机的步进电机调速系统设计TOC\o"1-3"\h\u14565第1章绪论 摘要本文介绍了步进电机和单片机的原理，系统的硬件电路和程序组成。设计步进电机速度控制系统，完成系统硬件电路的连接和调试，并通过编程实现步进电机系统的速度控制。电机的功能通过单片机，电机驱动芯片ULN2004及相应的按键实现，步进电机的工作状态应与显示二极管相对应。同时对软硬件进行了调试，并介绍了调试过程中出现的问题和解决问题的方法。该设计具有思路清晰，可靠性高，稳定性强的特点。关键词;步进电机；调速；驱动第1章绪论1.1研究现状20世纪90年代，在经济定位系统改造和机器人定位系统的应用领域，超过2/3的步进电机作为伺服控制系统的执行部件。由于步进电机伺服系统结构简单，制造容易，成本较低，迄今为止，它仍然广泛应用于经济型数控机床，具有转速低，输出转矩小的优点。因此，如何改进电机控制方法以提高定位系统的定位精度成为提高伺服系统性能的关键。21世纪以来，步进电机伺服控制系统主要以DSP为核心，实现对伺服控制系统速度环，位置环和电流环的全数字控制。主要优点是计算速度快，加速性能好，从静态加速到额定速度只有几个毫秒，适用于快速启动和停止情况。软件控制代替了硬件控制，简化了伺服系统的硬件结构，降低了硬件成本。与国外的伺服控制系统相比，我国伺服控制系统的研究开发较晚。20世纪60年代以前，我国早期伺服控制系统中使用的伺服控制系统产品从国外引进，伺服控制技术呈现空白。20世纪70年代，在国外伺服控制产品的压力下，中国华中数控，广州泰数控，时代科技等伺服厂商开始研发自主知识产权的伺服控制产品。时代科技有限公司主要针对中大功率异步电动机伺服控制器市场，其驱动技术，成本等方面具有明显优势。该公司自主研发的132KW大功率伺服控制器，国产品牌遥遥领先。20世纪80年代，中国在国家“75”，“85”和“95”国家重大科技攻关项目中，通过引进，消化和吸收国外先进的伺服控制技术，取得了很大成绩。但由于产品可靠性差，伺服控制系统在国内的应用受到限制，影响了伺服控制系统的普及。一些伺服制造商必须选择国外的伺服系统。自20世纪90年代以来，中国不断组织了伺服控制技术研讨会。一家民营高科技公司也为我们的伺服控制技术的发展注入了新的活力。北京中宝蓝自动化科技有限公司的PDC系统直流伺服控制系统是采用最新一代功率器件的代表性产品。PWM控制，调制频率15kHz，伺服控制水平显着提高，有效弥补了以往产品的缺陷和不足。在21世纪，国内的伺服控制系统与国外相比还有一定差距，特别是在驱动装置，定位速度，定位精度等方面，这些要求的要求主要与静态和动态特性有关的伺服系统。未来伺服产品将朝着更高的定位精度和更高效的驱动装置发展，以适应现代控制策略的发展趋势。1.2研究意义目前中国的伺服控制系统已经达到了产品开发的规模，但也存在以下问题，传统的伺服控制器产品大都由PLC和DSP控制。系统的高成本和复杂控制限制了中小企业的应用需求。采用单片机作为控制器，大大降低了系统成本，且可靠性高，控制灵活。在步进电机驱动控制中，上一步电机伺服控制产品仅由特定型号的步进电机驱动。驱动方式相对刚性和单一，而L297和L298N芯片则用于驱动步进电机，实现两相或四相步进电机的驱动工作。这种驾驶方式比较灵活，驾驶员成本低。在数控机床中，机床零件的加工过程存在加工精度低，仪表稳定性差等缺点，使加工零件出现一些次品，给数控企业带来经济损失。通过采用步进电机伺服系统对零件的加工精度和对加工位移的精确控制，机床可以有效地提高机床性能。零件的加工精度和加工零件的表面质量可以为企业恢复相应的损失。第2章步进电机及调速系统简介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。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。2.2步进电机调速系统步进电机的速度通常是改变步进电机的脉冲频率以实现步进电机的速度，因为步进电机对于每个脉冲旋转固定的角度，从而可以改变脉冲的频率通过将步进电机的脉冲控制到下一个脉冲的时间间隔，延迟时间延迟。改变长度以控制改变的步距角达到电机的转速，从而实现步进调速。具体的延迟时间可以通过软件来实现。有必要用单片机控制加减速步进电机。实际上，输出脉冲的时间间隔是变化的。微处理器控制步进电机的加减可以实现两种软硬件。软件方法是指时间延迟程序改变脉冲输出的频率，其中延迟的长度是运动。这使得单片机无法同时完成其他工作需要很长的CPU时间。硬件方法依靠单片机内部的定时器在每次中断后改变定时常数，从而增加脉冲的频率。减速使脉冲频率逐渐降低。这种方法占用更少的CPU时间，并且可以在各种单片机中实现。这是一种更实用的速度调节方法。一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。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。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。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。第3章系统硬件设计3.1单片机设计图3.1内部结构图SCM是集成在芯片上的完整计算机系统。尽管其大部分功能都集成在一个小芯片上，但它需要完成大部分计算机组件：CPU，内部和外部总线系统。微控制器是一种微控制器，它在单个芯片上集成了中央处理器，随机存取存储器，只读存储器，定时器芯片和I/O接口电路。单片机具有成本低，功耗低，运行可靠，可编程等优点，受到了应用的青睐。微控制器基于程序并可以修改。不同的功能可以通过不同的程序来实现，特别是特殊的和独特的功能。其他设备需要做很多工作，其中一些设备很难实现。微控制器通过编程可以实现高智能，高效率和高可靠性。3.2硬件电路设计（1）电源电路图3.2电源电路设计图根据传统的单片机控制方法，我们的设计致力于选择典型电路，为系统的标准化和模块化奠定基础，同时也考虑到整个电路设计的水平和性能之间的匹配。原理是软件可以通过软件来实现。软件实现的软件的功能比直接使用硬件所需的时间更长。因此，我们需要考虑软件消耗的CPU时间太多。另外，可靠性和抗干扰性是硬件和软件设计的组成部分。遵循上述原则，我们尝试使用高度集成的串行接口芯片作为核心硬件模块，以实现提高硬件集成度，简化电路和节省硬件资源的目标。因为单片机是5V电源，而电源输入是9-12V，所以我们需要这个9-12V到5V的稳压电路，电源电路采用7805线性稳压器设计，图中电容器是通过滤波效果发挥出来的，一个发光二极管作为电源指示灯。（2）控制电路控制电路板主要由两部分组成：操作控制电路和外围辅助模块电路。核心控制单元采用电机控制芯片TMS320F2407A。芯片运行速度很快（时钟周期40M），这可以提高控制器的采样频率。通过I/O端口接收开关命令信号，并且A-D转换部分接收外部控制以模拟给定信号的电流和位置信息以及反馈。主电路由基于核心控制单元TMS320F2407A芯片的矢量控制算法驱动，保证了系统的正常运行。3.3A/D转变工具ADC09是由美国国家半导体创建的一次一次逼近CMOS8通道8位A/D模数转变工具。它有一个8通道多通道开关，可根据地址码存储解码信号，并只选择8个通道来模拟A/D转变的录入信号之一。ADC09与MCS-51微管理工具之间的连接涉及两个主要问题。一个是模拟信号模拟选择8个通道，另一个是A/D转变完成后转变数据的传录。转变数据的传录涉及三种方法：按时交付，请求和取消。A，B，C和选定通道的值之间的关系是一个CMOS工具件，它不仅包含一个8位一次一次逼近ADC部分，还包括一个8通道进行仿造设置多路复用工具和通道寻址。因此Logic将其应用于简单的“数据采集系统”。它可以直接录入8路单端分时模拟信号进行A/D转变，并使用很多于多点测试，过程管理和运动管理。在与微机的接口中，可以通过两种手段选择录入通道：一个通过地址总线，另一个通过数据总线。当使用EOC信号产生停止请求时，必须特别注意EOC相对于起始信号推延2μm的推延。s+8个时钟周期以防止产生错误的停止请求。因此，最好使用EOC的上升沿产生停止请求，而不是依靠高电平来产生停止请求。3.4显示线路设计本设计选用4个数码管展现数据，每次数据传录完移用延时程序，使数据持续展现1秒。经过比较分析。LED展现数据总线a-dp由74LS245芯片B0-B7接口驱动。S0-S7分别是单片机的P2.4-P2.7脚。AT89C52单片机P1口送出数字的展现代码．数码管就能正常展现数字。LED展现线路如图。图3.3LED展现线路第4章系统软件设计4.1控制系统单片机控制模块是本设计的核心。其工作涉及处理键盘输入，响应PC字符串，串口中断，控制电机运转等。图4.1控制系统设计图PELCOD{PublicStaticconstbyteWQE=0xff;Publicconstbytebiaotiup=0x08;upperPublicconstbytebiaotidown=0x10;lower#areaThespeedofthelenstomoveupanddownPublicconstbytebiaotipeedmin=0x00;stopPublicconstbytetiltspeedmax=0x3f;highestspeed#coreendfixedpointPublicEnumerationTilt{=tiltup，down=tiltdown}Publicbyte[]cameratilt(deviceaddress，tiltaction，unitspeed){If(speed<tiltspeedmin)speed=TiltSpeedMin;If(speed<tiltspeedmax)speed=tiltspeedmax;ReturninfoemationGetMessage(deviceaddress，0x11，(byte)actionticity，0x00，(byte)peed);}ProtectedStructureMessage{Protectedconstzijieaddress;Protectedconstzijiecheck;Protectedconstzijiecommand1，Command2，data1，DATA2;Protectedconstzijie[]GetMessage(address，zijiecommand1，zijieCommand2，zijieDATA1，zijieData2){If(address<1andaddress>256)Putthenewexception("PELCODprotocolonlysupportsdevices");Address=bytes.Parse((address).tostring());DATA1=DATA1;DATA2=DATA2;

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PELCODPELTRCOD=newpeltrcod();SerialPort=newserialport(COM1，2400，parity.No，8);byteaddress=byte.Parsing(transformation.ToString(0x01));Bytesare=bytes.Parsing(transformation.ToString(0xFF));Byte[]messagetransmission;directioncontrol--downPrivatevoidbtndown_mousedown(ObjectSender，MouseEventArgsE){MessageTransmission=PELCOD.Cameratilt(address，PELCOD.Tiltdown，speed);open();serialport.SerialPort.Write(messagessent，0，7);SerialPort.();4.2中断程序图4.2中断程序设计图接收1个字节后，MCU执行1个串行中断服务程序。为了能让数据接收过程不终止，在终止程序中，需要首先清理掉串口接收终止标志RI，同时还要关闭系统终止，接下来接收系统指令包，最后终止系统并终止它。在接收指令分组的过程中，从指令分组的起始符号（同步字符）接收数据，并且指令数据的数量由指令分组的长度确定。键盘模块完成控制信息的输入。该系统使用独立键盘而不是矩阵键盘，可以简化硬件和软件设计并满足系统要求。电机驱动模块是本系统的执行器，用于控制监控摄像机的运动。在这个系统中，不需要PTZ电机的速度，所以在这个系统中没有特殊的步进电机驱动器，不仅节省了成本，而且减少了工作量。微控制器产生一个脉冲信号，使步进电机正常工作。脉冲信号通过主功放电路送至步进电机，实现电机控制。遥控模块设计用于控制微电脑手术室微电脑控制的步进电机。它通过RS485总线实现。PC从串口发送信息并通过RS485总线将信息发送给微控制器。MCU控制PC的控制命令并发布控制信息来控制步进电机的操作。系统评测系统评测是一种基于开发和测试系统的技术规范，是对软件整体功能以及重要性能的全面测试和评估。基于软件的通用性，软件测试应遵循通用软件的测试原则和方法。测试原理代表了软件测试活动的理论基础，测试方法是测量原理的实际应用和获取测试数据的可能性。同时，为软件的功能找到合适的测试方法。一旦该系统的设计完成，就可以根据稳定性，易用性和响应性来制定适当的评估计划，以满足系统安全性和可靠性要求。（1）测试环境：该测试环境不同于真实的运行环境和网络环境，但仿真是一个真实的运行环境。中间服务器使用IEExployer，操作系统使用Windows7/WindowsXP，网络环境基于局域网，数据库使用SQLServer。应用系统的负载能力是系统可承受的最大用户数量，即系统在正常响应时间内可支持的客户端数量。系统的响应时间是系统的响应时间处于不同的负载压力下，即客户端启动和响应服务器所需的时间，包括网络传输时间和服务器处理时间。应用系统的可靠性：即系统在连续几小时内正常运行的时间，即在连续工作时间内没有错误信息。（2）测试场景：首