步进电机与直流电机控制

步进电机与直流电机调速的控制

引言

1).步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件, 由于步进电机具有控制方便、体积小等特点, 所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用, 为步进电动机的应用开辟了广阔前景, 使得以往用硬件电路构成的庞大

复杂的控制器得以用软件实现, 既降低了硬件成本又提高了控制的

灵活性, 可靠性及多功能性。市场上有很多现成的步进电机控制机构, 但价格都偏高。我们采用AVR的高端单片机ATMEGA128来实现对步进电机的控制，同时采用高性价比的L298驱动芯片来驱动步进电机。

2).直流无刷电机是同步电机的一种,直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。故我们使用ATMEGA128来输出脉冲宽度调制（pulse wide modulator，pwm）波对直流电机进行转速的控制，同时通过光电开光对电机进行测速，还通过比例积分微分（PID）对直流电机进行稳速。

因此，我们整个系统以ATMEGA128为控制核心，配合测速模块，PID模块，显示模块，驱动模块可以实现对直流电机和步进电机的控制，组成一个高性能，价格低的控制系统。

二、总体方案设计

方案一：

本方案采用L297与L298N组合使用的，配合单片机AT89C52对步进电机进行控制，系统框图1如下：

图1.方案一系统框图

方案一的硬件电路如下图2：

图2. 方案一硬件电路

方案一通过时钟信号实现对步进电机速度的控制，通过CW端实现步进电机的正反转，通过HALF端实现步进电机一步或半步的运转方式。该方案的优点是软件设计简单，缺点是电路比较复杂，步进电机转速慢，不能实现对直流电机的复杂PID控制。

方案二：

本方案采用ATMEGA128做为主控芯片，直接用L298N驱动步进电机或者驱动两台直流电机，通过对直流电机的测速和反馈环节可以实现稳定的转速，还可以通过液晶显示当前的电机速度以及转向。

本方案的优点是MCU速度快，可以实现电机的高转速，同时通过测速和PID控制，可以实现对电机的稳态控制，电路简单，性能强劲。缺点是软件设计复杂。

我们通过两个方案的比较，觉得方案二可以实现更高的性能同时又可以使我们整体电路成本降低，还可以提高我们的编程能力，我们一致决定采用方案二。

三、单元模块设计

1.整体硬件框图如下图3：

图3.整体硬件框图

测速模块：

测速模块电路如下图4：

图4.测速模块电路

我们测速模块采用的传感器是反应快速的光电式传感器光电开关S53，具有反应灵敏，输出精确的特点。但由于光电开关输出的波形不是太理想，为了更好地为A VR采集信号，我们在光电开关后面接一个电压比较器，可以得到比较理想的方波信号，图中A为光电开关的阳极，C为输出集电极，它们都需要加上拉电阻才能工作。

L298N驱动模块：

PWM 调速基本原理及其实现方法

PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在 PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”

和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此， PWM又被称为“开关驱动装置”。

PWM信号的产生采用软件实现的方法通常是基于单片机等MCU控制输出PWM脉冲，可随时更改，灵活性强。

L298芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压，相电流高达2.5A。 L298(或XQ298，SGS298)的逻辑电路使用5V电源，功放级使用5~46V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。 L298(等)采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。L298特别适用于对直流电机或二（四）相步进电动机的驱动

在图中，PWM通过对使能端的控制，可调节电机通断的时间，进而可以控制直流电机的转速

GND

系统的软件设计

（一）直流电机调速主程序流程图

辅助子程序流程图

１、T1捕捉中断

２、按键处理

说明1：speed_add[i]与speed_del[i]数组，是由转速测定算法测定后确定的占空比对应的OCR1A值，算法大致如下：我们采用的是快速PWM模式下，如果初始设计定最小转速为10转每秒，因为每转会产生8个脉冲，则利用测速反馈，当OCR1A值自增，输出的转速在误差范围内接近8*此时的转速时，保存此时的OCR1A值到EEPROM.,如此循环，可得到较为精确的PWM调速时的数组。

说明2：另外两个按键则分别正反转切换键与启动停止键。

(二) 步进电机角度精确控制主程序流程图

五个按键处理程序是转速增加，转速减小，单步（按一次转一个步进角，长按是连续转），正反转，启动停止。

学习心得：

1、通过这次的学习，学会怎样去驱动步进电机，直流电机调速，但基于PID速度反馈

我们并没能写出来。

2、学会如何封装库文件以便备用，开始知道自己的库文件实在太少了

3、在动手调试能力上有一定的提高，以后要加以利用示波器。

参考文献

1、杨正忠，耿德根，A VR单片机应用开发指南及实例精解中国电力出版社；

2、楼然苗，51系列单片机设计实例，北京航空航天大学出版社；

附录

附录1、部分元器件明细表

附录2、PCB印制电路板图

附录3 部分程序清单