步进电机驱动控制器设计本科生毕业设计.docx
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步进电机驱动控制器设计本科生毕业设计
分类号:
TM383.6UDC:
D10621-408-(2013)1379-0
密级:
公开编号:
2009071053
步进电机驱动控制器设计
论文作者姓名:
申请学位专业:
测控技术与仪器
申请学位类别:
工学学士
指导教师姓名(职称):
论文提交日期:
分类号:
TM383.6UDC:
D10621-408-(2013)1378-0
密级:
公开编号:
成都信息工程学院
学位论文
步进电机驱动控制器设计
论文作者姓名:
申请学位专业:
测控技术与仪器
申请学位类别:
工学学士
指导教师姓名(职称):
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日期:
年月日
步进电机驱动控制器设计
摘要
目前我国已经成为了世界的生产工厂,每一样产品都要经过严格的检验,只有达到合格的标准,才能投入使用。
随着步进电机这日常生活生产的普遍应用,这个元件所占的市场比例也越来越高,而且经济效益也是非常可观。
当今这个全自动化生产线的过程中,步进电机大批量生产,尤为需要对步进电机的质量进行监测,以防止不合格的产品产生。
基于此,课题设计了一个步进电机驱动器装置。
该装置通过对步进电机的控制使其产生消耗,以此作为监测样本提供给质检部门作详细分析。
本设计中,通过AT89C52单片机控制液晶显示与步进电机工作模式的选择,8254可编程定时器/计数器作为脉冲分配器实现1Hz~2KHz步进式脉冲输出,A3967SLB实现对二相步进电机驱动器驱动。
步进电机的正转、反转和停止的时间通过按键设定,并通过LCD显示出来。
实验结果表明:
驱动器可以较准确实现对步进电机的正转、反转、停止时间、以及工作模式的控制,满足了设计要求。
本设计测试没有针对具体环境,有些结论仅供参考。
关键词:
AT89C52;A3967SLB;8254;液晶5110;步进电机
TheDesignOfStepMotorDrive
Abstract
Atpresent,Chinahasbecometheworld'smanufacturingplant,Everyproductmustgothrougharigorousinspection,onlythosemeetthequalityrequirementcanbeenputintouse.asthestepmotorbecamewidelyusedintheManufacturinganddailylife,Thiscomponentshareofthemarketisalsoincreasing,Andeconomicbenefitsisveryconsiderable.intheautomatedproductionlinethestepmotoriswidelyusedParticularlyneedtocheckthequalityofthestepmotor,Inordertopreventunqualifiedproductsproduced.
Basedonthis,IdesignaStepmotordrive,thedeviceiscontrolledbythestepmotortoproduceconsumption,asaqualitycontroldepartmenttomonitorthesampletobeanalyzedindetail.Inthisdesign,theATC89C52controlthemodeselectionofstepmotorandtheLCD.the8254programtimeractasthepulsedividertooutputa1Hz~2KHzpulsethentheA3967SLBwilldrivestepmotor.theforward,reverse,andthestoppingtimearesetbythekey-board,andshownbythemonitor.
ExperimentalresultsshowthattheDrivercanachieveaccuratelyincontrol.theforward,reverse,stoppingtimeandtheselectionworkingmode,meetthedesignrequirement.Thetestisnotdesignedforaspecificenvironment,Someconclusionsareforreferenceonly.
Keywords:
AT89C52;A3967SLB;8254;LCD5110;stepmotor
论文总页数:
46页
1引言
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。
为了使我们的生活更加美满,要求这些步进电机必须有一个可靠的使用周期,我们能获知它的使用寿命和一般规律,我们才能更好地了解他、使用它。
作为常用的执行元件,它是最容易损坏的元件之一,小的事故会影响到我们日常的生活与学习,大的事故就会导致灾难的到来,而且当今这个全自动化生产线的过程中,可以用到这个测试仪来测试步进电机的质量,以防止不合格的产品产生,这个测试仪在工业生产中会有很大的经济效益。
本设计中采用了单片机8052为主要控制芯片,因为这个芯片具有存储量大、体积小、总量轻、价格低等特点,在设计中要完成单片机对电机、键盘、及存储器等的功能,在设计中,要考虑到电机的速度和方向的控制,单片机的各种保护电路,分析到这个系统要完成包括对键盘输入数据和LCD显示数据的人机操作,要在系统试验前设定好所需要的参数,而且试验过程中这些参数可随时改动,改动后系统能完成任务。
设定这些参数的目的是去控制进步电机的次数和速度,在键盘中要用到的一些功能键与数字键的区别,所以,在程序部分应有相应的处理。
整个系统由键盘输入模块、数据显示模块、电机控制模块、数据存储模块,整个系统要达到必须在全自动化下进行,只有改变输入参数时,可人为操作。
必须要有存储功能,以实现测完数据之后能自动存储,以便以后调用。
要有键盘与显示功能,要求软件的编写出步进电机、键盘与显示功能的程序,并且设计参数可以人为随时更改。
2步进电机应用背景
步进电机的应用场合如下:
1)步进电机主要用于一些有定位要求的场合。
例如:
线切割的工作台拖动,植毛机工作台(毛孔定位),包装机(定长度)。
基本上涉及到定位的场合都用得到。
2).广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。
特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。
3)步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用,这类步进电机的特点是保持转矩不高,频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。
目前用于电脑绣花机的步进电机多数为五相混合式步进电机,目的是通过采用高相数的步进电机来减小步矩角和提高控制精度,但是采用该种方式获得的性能上的提高是有限的.而且成本也相对较高。
采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质,减少转矩波动,抑制振荡,降低噪音,提高步矩分辨率。
若采用反应式步进电机,在性能明显提高的同时还能大大降低产品的成本[1]。
2.1步进电机驱动器的重要性
各种各样的步进电机被应用在机械、电子、纺织及一般工业或民用领域,比如包装机、医疗仪器及设备、机器人等等。
因此任何步进电机都存在使用寿命。
运用在一般工业及民用领域的步进电机,对电机的使用寿命没有严格的要求,但如果电机被应用到医疗、航天和精密仪器等领域时,电机是否良好直接关系到病人、机器人外空探测和精确操作时的安全及经济效益,所以必须对电机的使用寿命提出严格的要求,要求电机制造商务必把控电机的质量,因此电机制造商在电机出场之前有必要对同一批号的产品进行抽查测试,以掌握电机的确切寿命系数。
电机的寿命通常取决于轴承寿命,质量合格的步进电机可达上万至数万小时,除了轴承损耗,还有电机温度高导致的磁衰减和线圈老化等问题。
另外有的步进电机应用环境温度高,或者有油污、粉尘、水等污染,也会缩短使用寿命[2]。
用传统的测试方法完成电机的测试至少存在以下两点不足:
意识测试效率极低,因为要使测试人员能够正确观察到多组被测电机(通常要同时测试多个电机),步进电机磨损测试时间较长,耗费人力物力,特别是对于精度要求高的电机来说,人为地定时计数等不准确因素都会额外造成误差;二是对于要求步长精确的电机,人工调试不准确。
由于这些不足,电机的生产厂迫切需要开关寿命的自动测试系统来取代传统的测试系统。
3设计的分析
这一章主要研究步进电机驱动器的整体设计方案,因为现在电器元件种类比较多,只有选择一个合理的设计方案,才能充分发挥这些元件的作用,争取不浪费资源,做到经济又合理,根据所选的主控元件,设计一套具体的系统组合。
3.1主控电路的设计与分析
经过分析此设计是用软件设定步进电机来代替人为操作。
用给定的8254来作为脉冲控制器产生脉冲信号来控制电机。
利用52单片机内部定时计数器即可实现定时的功能完成;A3967SLB是美国Allegro公司生产的PWM恒流控制微步距驱动二相步进电机专用驱动器,性能好,价格低廉,用它作为步进电机的驱动器。
以上述主要器件即完成主控电路的设计,如图3-1所示:
图3-1主控电路流程图
3.2方案的具体组成
在设计中要完成单片机对电机、键盘、及存储器等的功能,在设计中,要考虑到电机的速度和方向的控制,单片机的各种保护电路,分析到这个系统要完成包括对键盘输入数据和LCD显示数据的人机操作,要在系统试验前设定好所需要的参数,而且试验过程中这些参数可随时改动,改动后系统能完成任务。
设定这些参数的目的是去控制进步电机的次数和速度,在键盘中要用到的一些功能键与数字键的区别,所以,在程序部分应有相应的处理。
整个系统由键盘输入模块、数据显示模块、电机控制模块、数据存储模块,整个系统要达到必须在全自动化下进行,只有改变输入参数时,可人为操作。
必须要有存储功能,以实现测完数据之后能自动存储,以便以后调用。
要有键盘与显示功能,要求软件的编写出步进电机、键盘与显示功能的程序,并且设计参数
可以人为随时更改。
系统的具体方案是由于此系统中要用到多个输入、输出口,52单片机有4个8位I/O,4*4的键盘占用P2端口的8根线来实现,液晶显示部分则利用P0.3~P0.7,总共5个I/O,另一个芯片A3967SLB的控制引脚分别连接P1端口的6个I/O。
单片机最小系统上设有复位键,设定参数有误时,可按下重置。
具体芯片引脚的连接在后面第四章硬件部分详细介绍。
方案设计的结构图如下所示:
图3-2电路结构图
4电路的硬件设计
本章主要是测试仪的硬件电路设计,这一章讲到了从主控制器到显示、键盘、数据存储、步进电机等所有的电路设计,介绍了各个组成部分实现的功能,可以更加深入了解测试仪的工作原理。
4.1AT89C52单片机
AT89C52是一种低功耗、高性能的8位单片机内带有一个8KB的Flash可编程、可擦除只读存储器(EPROM)技术,它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容,片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程,因此AT89C52是一种功能强、灵活性高、且价格合理的单片机,可以方便地应用在各种控制领域[3]。
主要性能如下:
1)8KB可编程Flash存储器(可经受大于1000次的写入擦除)
2)全静态工作:
0HZ-24MHZ
3)3级程序存储器保密
4)256*8字节内部RAM
5)32条可编程I/O线
6)3个16位定时器/计数器
7)6个中断源
8)可编程串行通道
9)片内时钟震荡器
另外,AT89C51是用静态逻辑来设计的其工作频率可下降到0HZ并提供两种可用软件来选择的省电方式之一空闲方式(IdleMode)和掉电方式(PowerDownMode)在空闲方式中CPU停止工作而RAM定时器/计数器串行口和中断系统都继续工作,在掉电方式中片内震荡器停止工作。
由于时钟被“冻结”使一切功能都暂停,故只保存片内RAM中的内容直到下一次硬件复位为止。
AT89C52优越的性能为我们控制的实现提供了保证。
本设计中采用了单片机的最小系统,如图4-1所示:
图4-1单片机最小系统
4.1.1单片机电源设计
方案论证:
1)方案1:
220V变压器后由4个二极管组成一个桥式整流电路,整流后就得到一个电压波动很大的直流电源,故后面接一个330uF/25V的电解电容。
变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波,在电容C1两端大约会有11V多一点的电压,因为我们要输出5V的电压,所以选用7805,三端稳压器后面接一个105的电容,这个电容有滤波和阻尼作用。
最后在C2两端接一个输出电源的插针,可用于与其它用电器连接。
此电路优点是:
方便实用,输出电压稳定,最大输出电流为1A,电路能带动一定的负载
2)方案2:
220V交流电通过电源变压器变换成交流低压,再经过桥式整流电路D1~D4和滤波电容C1的整流和滤波,在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)电路为输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。
它由电源变压器B,桥式整流电路D1~D4,滤波电容C1、C3,防止自激电容C2、C3和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便地搭成.
此电路优点是:
此直流电压经过LM7805(图4-3)的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。
本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。
三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路,以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点,成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件
结论:
综合方案一、方案2,LM7805以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点,故采用这个元件,另外,采用1117是一款低压差的线性稳压器,作为主要芯片,具体方案如下:
电源采用5V直流电压输出,稳压二极管VD2串接在7805的2引脚与地之间,可使输出电压得到提高,输出电压为稳压管输出电压与VD2输出电压之和。
VD1是输出保护二极管,一旦输出电压低于VD2稳压值时,VD1导通,将输出电流旁路,保护7805稳压管输出级不被损坏。
部分系统采用了LM1117三端稳压集成芯片,其外观如下图4-2所示,1117是一款低压差的线性稳压器,1117可以提供多个固定电压版本,如1.8V,2.5V3.3V还可以提供可调端输出,并且有完善的过流保护和过热保护功能,确保芯片和电源系统的稳定性。
同时应用修正技术,确保输出电压和参考精度在百分之一的精度范围,同时抱基准电压调整在百分之一点五以内,调整了电流限制,减少了因为稳压器和电源电路超载而造成的压力。
其输出精度是正负百分之一,最大输出电流为1A。
图4-2LM1117(左)LM7805(右)实物图
由于单片机需要的是5V电源,液晶需要的是3.3V的电源,因此就需要分压,当外接电源大于5V时候可以将外接电源接到P3同样可以满足内部芯片以及内部液晶显示的电压要求。
具体电路如下图4-3所示:
图4-3单片机电源模块
4.1.2单片机的定时/计数器
AT89C52的单片机内有三个独立的16位可编程的定时/计数器,它们具有四种工作方式,其控制字和状态均在相应的特殊功能寄存器中,通过对控制寄存器的编程,就可方便地选择适当的工作方式。
下面我们对它们的特性进行阐述。
定时/计数器的工作方式:
AT89C52单片机内部的定时/计数器,定时器T0特性功能寄存器TL0(低8位)和TH0(高8位)构成,定时器T1由特性功能寄存器TL1(低8位)和TH1(高8位)构成。
特殊功能寄存器TMOD控制定时寄存器的工作方式,TCON则用于控制定时器T0和T1的启动和停止计数,同时管理定时器T0和T1的溢出标志等。
程序开始时需对TL0、TH0、TL1和TH1进行初始化编程,以定义它们的工作方式和控制T0和T1的计数。
T2的特殊功能寄存器T2CON的地址是0C8H,可以对他进行位寻址[3]。
定时/计数器的方式控制字TMOD,字节地址为89H,其格式如表4-1:
表4-1定时/计数器的方式控制
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
GATA
M1
M0
GATA
M1
M0
←T1方式字段→
←T0方式字段→
定时器控制积存器TCON,字节地址为88H,位地址为88H—8FH,其格式如表4-2:
表4-2定时器控制积存器
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
定时器T2每位的含义如下表4-3:
表4-3定时器T2
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
TF2
EXF2
RCLK
TCLK
EXEN2
TR2
2
CP/RL2
工作方式0和工作方式1的最大特点就是计数溢出后,计数器为全0,因而循环定时或循环计数应用时就存在反复设置初值的问题,这给程序设计带来许多不便,同时也会影响计时精度,工作方式2就针对这个问题而设置,它具有自动重装载功能,即自动加载计数初值,所以也有的文献称之为自动重加载工作方式。
在这种工作方式中,16位计数器分为两部分,即以TL0为计数器,以TH0作为预置寄存器,初始化时把计数初值分别加载至TL0和TH0中,当计数溢出时,不再象方式0和方式1那样需要“人工干预”,由软件重新赋值,而是由预置寄存器TH以硬件方法自动给计数器TL0重新加载。
程序初始化时,给TL0和TH0同时赋以初值,当TL0计数溢出时,置位TF0的同时把预置寄存器TH0中的初值加载给TL0,TL0重新计数。
如此反复,这样省去了程序不断需给计数器赋值的麻烦,而且计数准确度也提高了。
但这种方式也有其不利的一面,就是这样一来的计数结构只有8位,计数值有限,最大只能到255。
所以这种工作方式很适合于那些重复计数的应用场合。
例如我们可以通过这样的计数方式产生中断,从而产生一个固定频率的脉冲。
也可以当作串行数据通信的波特率发送器使用。
当M1M0=11时,定时/计数器处于工作方式3,值得注意的是,在工作方式3模式下,定时/计数器1的工作方式与之不同,下面我们分别讨论。
在工作方式3模式下,定时/计数器0被拆成两个独立的8位计数器TL0和TH0。
其中TL0既可以作计数器使用,也可以作为定时器使用,定时/计数器0的各控制位和引脚信号全归它使用。
其功能和操作与方式0或方式1完全相同。
TH0就没有那么多“资源”可利用了,只能作为简单的定时器使用,而且由于定时/计数器0的控制位已被TL0占用,因此只能借用定时/计数器1的控制位TR1和TF1,也就是以计数溢出去置位TF1,TR1则负责控制TH0定时的启动和停止。
等效电路由于TL0既能作定时器也能作计数器使用,而TH0只能作定时器使用而不能作计数器使用,因此在方式3模式下,定时/计数器0可以构成二个定时器或者一个定时器和一个计数器。
如果定时/计数器0工作于工作方式3,那么定时/计数器1的工作方式就不可避免受到一定的限制,因为自己的一些控制位已被定时/计数器借用,只能工作在方式0、方式1或方式2下在这种情况下,定时/计数器1通常作为串行口的波特率发生器使用,以确定串行通信的速率,因为已没有TF1被定时/计数器0借用了,只能把计数溢出直接送给串行口。
当作波特率发生器使用时,只需设置好工作方式,即可自动运行。
如要停止它的工作,需送入一个把它设置为方式3的方式控制字即可,这是因为定时/计数器本身就不能工作在方式3,如硬把它设置为方式3,自然会停止工作[4]
。
4.28254可编程定时计数器
4.2.18254芯片作为脉冲分配器的优点分析
本设计中要求输出脉冲的频率范围为1Hz~2KHz,单步为1Hz。
由于89C52时钟最大能取24MHz,单指令周期为0.5μs,计数频率为2×106Hz。
当输出1999Hz和2000Hz时,若采用89C51内部计数器来计数,根本无法区别,而且不好通过外部按键进行设置。
因为计数频率为2MHz,单指令周期0.5μs,而要输出1999Hz时,计数应为1000.500;输出2000Hz时,计数应为1000.000。
因此在本设计中,采用外部定时器/计数器8254。
8254是8253的改进型,操作方式及引脚与8253完全相同。
它的改进主要反映在两方面:
1)8254的计数频率更高,可由直流至6MHz;
2)8254多了1个读回命令(写至控制器的寄存器)
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