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基于单片机的步进电机的细分控制器的设计-学位论文.doc
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基于单片机的步进电机的细分控制器的设计
摘要
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件,
具有易于开环控制、无积累误差等优点,在众多领域获得了广泛的应用。步进
电机的运行品质既与电机的本体性能有关,也与驱动器和控制器的性能有关。
一般步进电机的运行噪声大,控制精度低,无法满足很多场合下较高运行品质
的要求,因此实现步进电机的细分控制可以较大地改善步进电机的系统性能。
本课题在总结和归纳多种步进电机细分控制技术的基础上,设计完成了基于单
片机的步进电机细分控制系统。
细分驱动技术是一种能有效改善步进电机低频特性和提高步进精度的驱动
技术。广泛应用于对工况要求较高的场合,尤其在一些要求高精度、低噪音、
低振动的系统中,细分驱动成为步进电机驱动的首选驱动技术。
本文先介绍了三相步进电机的结构和工作原理,然后在对步进电机细分驱
动技术和单片机研究的基础上,分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的
作用,该方案中电流细分技术基本上克服了传统步进电机低速振动大和噪音大
的缺点,减小发生共振的几率。该方案能避免其它相绕组的感应电压和绕组电
流的漂移带来的误差,提高了细分精度。本文采用控制电路主要由 AT89C51 单
片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM 存储器及可编程键盘/显示控
制器 Intel-8279 等组成,单片机是控制系统的核心。采用 IR2130 功率驱动芯片
作为步进电机的功率驱动器件。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件
的实现都做了详细的介绍。
关键词 单片机;步进电机;细分控制
Design of Stepper Motor Subdivision Controller
Based on Microcontroller
Abstract
Stepper motor is a kind of electromechanical component that is driven in step
angle or line displacement by electric pulse signal. Because of having the advantage
of easy open-loop control and no accumulating error , stepper motor is being
applied widely in many fields . As an integrated system including with both
stepping motor and driver,its quality of operation is depended on the performance
of motor , driver and controller .Generally , the noise of the stepping motor is
great , and control precision is low , which can ' t meet request of the high
running quality in many situations . So the performance is improved in stepping
motor operation through realizing the subdivision operation of stepping motor. This
topic in summarizes various stepping motor subdivision control technology, on the
basis of these technology, completed the design of stepping motor subdivision
system based on single-chip microcomputer
The stepper motor’s micro-stepping driver is a kind of driving technology that
can effectively improve the step precision and characteristic of low frequency. It is
mostly used when the equipments require high-precision , low noise or low
vibration system, and it is being a more and more popular driving technology.
In this paper,the working principle and configuration of three-phase Stepper
are introduced,then based on technologies such as stepper motor controller and
microcontroller .we analysis the using of micro-stepping driving technology to
improve operational performance . Current subdividing technology not only
overcomes the disadvantages of motor’s vibration and noise at low speeds but also
reduces probability of resonance. It prevents the reactive voltage errors brought
by other windings and the drift errors brought by current. It improves the precision
of subdivision. In the thesis , we develop a single chip computer-based digital
controlling system for a three-phase stepper motor that is mainly constructed from
a AT89CS1 single chip computer and 8279IC which is used as the core of control
parts and a three full-bridge driver IR2130. The power stage of this driver uses
IGBT IR2130 that provides high reliability. Based on the approach,the system's
whole architecture,the design of hardware and software are in traduced in detail.
Keywords Single chip microcomputer;Stepper motor;Subdivide control
目录
摘要…… .......................................................................................................................I
Abstract ........................................................................................................................II
第 1 章 绪论.................................................................................................................1
1.1 课题背景............................................................................................................1
1.2 步进电机概述....................................................................................................1
1.3 步进电机驱动系统概述....................................................................................2
1.4 国内外研究状况及发展趋势............................................................................3
1.5 论文研究内容....................................................................................................4
第 2 章 步进电机及其驱动系统.................................................................................5
2.1 步进电机及其工作原理....................................................................................5
2.1.1 步进电机的结构特点.................................................................................5
2.1.2 步进电机的基本工作原理.........................................................................5
2.1.3 绕组通电方式.............................................................................................6
2.1.4 步距角的控制.............................................................................................7
2.2 步进电机驱动系统............................................................................................7
2.2.1 步进电机驱动系统简介.............................................................................7
2.2.2 步进电机细分驱动原理及特点.................................................................8
2.3 本章小结............................................................................................................9
第 3 章 控制芯片及相关器件简介...........................................................................10
3.1 单片机的介绍..................................................................................................10
3.1.1 芯片的选择...............................................................................................10
3.1.2 AT89C51 单片机与管脚功能简介...........................................................11
3.2 8 位数模转换器 DAC0832 简介 .....................................................................14
3.3 8279 显示与键盘控制芯片简介......................................................................15
3.3.1 8279 显示键盘控制芯片的功能...............................................................15
3.3.2 8279 显示键盘控制芯片引脚定义...........................................................15
3.4 IR2130 驱动电路简介......................................................................................16
3.4.1 IR2130 结构及功能...................................................................................16
3.4.2 IR2130 的逆变器电路结构.......................................................................18
3.5 本章小结..........................................................................................................19
第 4 章 系统构架与硬件电路的设计.......................................................................20
4.1 系统硬件结构..................................................................................................20
4.2 系统硬件电路设计..........................................................................................21
4.2.1 单片机控制电路.......................................................................................21
4.2.2 电机驱动电路...........................................................................................21
4.2.3 数模转换电路...........................................................................................22
4.2.4 开关电源电路...........................................................................................22
4.2.5 显示和键处理电路...................................................................................23
4.3 本章小结..........................................................................................................24
第 5 章 系统软件设计...............................................................................................25
5.1 系统软件总体结构..........................................................................................25
5.2 系统开发软硬件环境......................................................................................25
5.3 步进电机控制主程序设计..............................................................................26
5.4 步进电机细分驱动程序设计..........................................................................27
5.5 步进电机显示和键处理程序设计..................................................................28
5.6 本章小结..........................................................................................................30
结论.............................................................................................................................31
致谢.............................................................................................................................32
参考文献.....................................................................................................................33
附录 A.........................................................................................................................34
附录 B.........................................................................................................................42
附录 C.........................................................................................................................48
第1章 绪论
1.1 课题背景
随着电力电子技术、微电子技术,控制技术的快速发展和 EDA 技术的日益
成熟,特别是高性能可编程逻辑器件的出现,使得步进电机驱动系统集成化设
计成为可能,并伴随着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。
近代步进电机的驱动技术的主流是“电流型”,常规的控制技术仅对绕组的
电流进行通断控制,在转子齿数一定的条件下,增加相数才能提高电机的分辨
率。运用电流波形控制技术可方便地实现步进电机细分驱动。步进电机的细分
驱动技术,从 20 世纪 70 年代开始研究,逐步发展到 90 年代完全成熟。我国对
细分驱动技术的研究,起步时间与国外相差无几。细分驱动技术的广泛应用,
使得电机的步距角不受相数的限制,为产品设计带来方便。
目前在步进电机的驱动技术上,采用斩波恒流驱动、细分驱动以及最佳升
降频控制,大大提高步进电机运行快速性和运转精度,使步进电机在中、小功
率应用领域向高速且精密化的方向发展。在驱动电路中,目前较普遍采用的功
率开关管是功率场效应管(MOSFET),与早先采用的大功率晶体管(GTR)相比有
很多优点。性能更加优越的绝缘栅极晶体管(IGBT)也己应用于高速型及较大功
率的步进电机驱动电路中。而把 IGBT 驱动电路及保护电路都集成在一起的智
能 IGBT 模块,具有结构简单、性能稳定及运行可靠等优点,目前己开始应用
于中、小功率的步进电机的驱动。
步进电机作为数字式执行元件,具有成本低、易控制、定位方便和步距误
差不长期累计等优点,被广泛应用在数控装置、绘图机、机械手、印刷和包装
设备等工业、军事和医疗自动化领域中。但是步进电机在应用中存在一些制约
性的因素,步进电机及其系统表现出诸如低速平稳性差、高速快速响应能力
差、效率低和能耗等。步进电机多应用于开环控制的场合,对转子位置和角速
度不做检测,较容易在行过程中产生失步和振荡。另外,步进电机不能简单地
直接接到普通的交直流电源运转,它需要专门的驱动控制器,步进电机和与之
配套的驱动控制器密不可分,在电机本体选定的情况下,驱动控制器的好坏很
大程度上影响着整个系统的运行性能。通过研制高性能的步进电机驱动控制器
可以大大改善步进电机的运行性能,这对提高我国在这方面的科学技术水平起
到了一定的促进作用,拓宽了步进电机的应用领域。因此,研究开发出高性能
的步进电机驱动控制器不仅有着重大的现实意义,而且具有极大的经济价值。
1.2 步进电机概述
步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构,由步
进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。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(即步距
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