基于单片机的步进电机控制系统设计

基于单片机的步进电机控制系统设计

摘要：步进电动机由于利用其组成的开环系统简单、廉价、实用价值高的特点。因此在精度要求比较高的精密仪器以及各种控制装置中有着极其广泛的应用如:喷绘机、刻字机、线切割、机器人等领域。

本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用C语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序代码，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2003以及相应的按键实现以上操作功能，步进电机的工作状态用相应的LCD1602显示。本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、软件程序。并对软、硬件进行调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。该设计具有思路清晰、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。

关键词：步进电机脉宽调制驱动机构单片机

Abstract: Stepper motor due to the use of the open loop system consisting of a simple, cheap, and the characteristics of high practical value. So in accuracy requirement high precision instrument and various kinds of control device has the extremely widespread application, such as: spraying machine, carving machine, thread cutting, robot, etc.

Is introduced in this paper a system based on single-chip stepper motor design, using C language to write the motor forward, reverse, acceleration, deceleration and stop the program code, through single chip, motor drive chip ULN2003 as well as the corresponding button to achieve the above operation function, the working state of the stepper motor with the corresponding LCD1602 display. Content of this article introduces the principle of step motor and single chip microcomputer, hardware circuit and software program of the system. And the hardware and software debugging, and introduces the debugging process problems and the methods to solve the problem. This design has ideas clearly, high reliability, strong stability, etc, through debugging realized the function.

Key Words: Stepper motor; Pulse-width modulated; driving mechanism; scm

1 绪论

1.1 引言

在众多的执行元件中,步进电机是机电设备不可缺少的元件。步进电机是一种微型电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流。用此电流供电,电机才能正常运转,而它的具体工作过程是将电脉冲信号转换成相应的角位移或者是线位移来达到转动的目的。在数控系统、自动生产线、自动化仪表中应用电机实现其调速、快速起停、正反转控制的功能已普遍存在,它最突出的优点是能在宽频率中改变脉冲频率对步进电机实施控制。并且组成的开环系统利于人们控制,操作简便。微电子和计算机技术的日益成熟,使步进电机在工业电子自动化、印刷设备、机器人和智能医疗设备中的需求量不断提高,对于研制出具有高精确度、实时监控、数字显示的步进电机及其驱动控制系统有着很大的实用意义。这次设计选用28BYJ-48型号四相步进电机,它有三种工作模式,利用其单双相工作模式进行工作,使其提高步进的精度。整个控制系设计组成有:电机驱动电路的设计、液晶显示和按键部分设计三大模块。

1.2课题研究的目的和意义

本文选用28BYJ—48型五线四相步进电机,采用单双相工作模式。采用单片机控制脉冲数使其步进电机完成驱动,实现一系列指定工作要求。因为步进电机旋转是以固定的角度一步一步转动的,所以研究其工作原理和工作模式有着很大的实用意义。通过单片机的控制,让步进驱动器接收脉冲信号,驱动步进电机按预设定的方向,转动一个固定的角度,实现其指定功能。在扫描仪、打印机、DVD-ROM 驱动器的应用中尤为频繁。研究步进电机可以从研究单片机脉冲的控制开始入手,通过控制脉冲个数来控制步进电机的角位移量达到控制的目的。在实际工作过程中可以用作准确定位。通过设计硬件电路和程序编写,利用其上述步进电机的优点来作为设计目的,研究完成电机的工作模式和功能调试。

2 系统硬件电路的设计

2.1 步进电机介绍

2.1.1步进电机概述

步进电机作为本系统的主要组成部件。它在不超载的状况下,其运行的转速、停止方位只由脉冲信号的频率和脉冲个数所决定,且不受负载变化而变化。它的积累误差几乎没有,要驱动步进电机转动时,只需按照一个脉冲信号驱动电机转过一个步距角的方法即可实现运转。这种特有的线性关系,让步进电机在速度和定位相关的行业中,变得非常易于控制。不同的步进电机又因为厂家设置的电机参数不同,性能也迥异,因此选择一个合适步进电机,了解其性能指标参数尤为重要,这决定了步进电机的应用场合。

输入信号的时候,通过步进电动机对数字量能直接接收的特点,使其免去了大量繁琐的模拟量转换成数字量的工作,利用单片机简单的程序代码即可让其实现转动,因此非常适合用于微机控制。这次设计采用带减速比步距角为5.625/64度的四相永磁式步进电机。

步进电机的主要参数有如下:

1、相数:在不同磁力作用下N、S磁场的激磁线圈对数。一般用符号m表示。

2、拍数:是指电机转过一个齿距角完成磁场周期变化所需要的脉冲数,常用n表示。以四相四拍运行方式为例:即BC-CD-DA-AB-BC;四相八拍运行方式即B-BC-C-CD-D-DA-A-AB-B.

3、步距角:输入一个脉冲信号,步进电机所转过的机械位移(角位移)。转子转过的机械位移用β表示。β=360度/(转子齿数*运行拍数),以现在应用普遍的二、四相,转子齿轮数为50齿的步进电机作计算说明。四拍运行时步距角等于1.8度,八拍运行时步距角等于0.9度。通过计算:八拍运行时,不带减速齿轮情况下,步进电机转动一圈需要走400步。

4、步距角精度:即电机实际转过的步距角和理论上计算的步距角之间的误差范围。四拍和八拍运行时,误差范围分别应该在为5%和15%以下。

5、电机正反转控制：