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基于DELPHI与单片机串行通信的步进电机控制.doc
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2022-06-21
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基于DELPHI与单片机串行通信的步进电机控制.doc
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摘 要
本设计的主要思路是通过对 DELPHI 界面的控制,通过串行通信实现对单片
机的控制,由单片机产生脉冲信号,最终实现对步进电机的控制。同时由单片机
把步进电机实时运行状况经串口反馈给计算机,在所编写的 DELPHI 界面上显示
和监控。项目主要涉及的工作:对步进电机的简单介绍,软硬件设计,原理图及
PCB 图绘制,DELPHI 及单片机程序的编写,以及最终调试。
Delphi 软件是 Borland 公司推出的快速应用开发工具。它具有功能强大、
易于学习和使用、编程效率高以及易于调试等特点。
串行通信是指外设和计算机间使用数据信号线,数据在数据信号线上按位进行
传输,每一位数据都占据一个固定的时间长度。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载
的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受
负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性
关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度
位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单
关键词:Delphi 串行通信 单片机 步进电机
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Abstract
The main idea of this design is the interface through the DELPHI control, serial
communications through the realization of the MCU control, generated by the SCM
pulse, and eventually realize the stepper motor control. At the same time by the stepper
motor MCU operation of real-time feedback to the computer via serial port, prepared by
DELPHI on the display and control interface. Mainly the work involved: the stepper
motor of a brief introduction, hardware and software design, schematics and PCB
mapping, DELPHI SCM procedures and the preparation and ultimately debugging.
Delphi has introduced software is Borland's rapid application development tools.
It has a powerful, easy to learn and use, efficient and easy programming debugging and
so on.
Serial communications and computer peripherals refers to the use of a data signal
line data in an on-line data signals for transmission, every data occupy a fixed length of
time.
Stepper motor is the electric pulse into angular displacement or displacement of
the open-loop control devices. In the case of non-overloading, motor speed, and stop
only depends on the location of the signal pulse frequency and pulses, without the
impact of changes in load, that is to add an electrical pulse, the electrical, passed a step
angle. The existence of this linear relationship, coupled with the cyclical stepper motor
only accumulated error without error and so on. Makes the speed, location and other
areas controlled by stepper motor control to change the very simple
Keywords:Delphi Serial Communication microcomputer stepping motor
绪 论
步进电机是纯粹的数字控制电动机,步进电机是将输入的电脉冲(数字控制
信号)转换成角位移或直线位移的伺服电动机,因此非常适合单片机控制。它本
身就是一个完成数字/模拟转换的执行元件。步进电机的定子上通常装有多相绕组,
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转子是带齿的铁心或是永久磁铁。只要实现各相绕组按一定规律轮流通电,就可
产生步进运动。在实用的系统中,用脉冲分配回路并经功率放大来向绕组供电。
每当电机绕组接受一个电脉冲,转子就转过一个相应的步距角。转子的角位移的
大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步
只要控制输入电脉冲的频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及
转向,很容易用微机实现数字控制,近 30 多年来,数字技术、计算机技术和永
磁材料的迅速发展,推动了步进电机的发展,为步进电机的应用开辟了广阔的前
景。
本论文的设计思路是由计算机操作 DELPHI 软件通过串口通信向单片机发送
十位二进制数据,再由单片机产生一系列脉冲信号实现对步进电机进行控制。单
片机发出的脉冲信号控制步进电机的启动﹑停止运行、正反转、运行速度、运行
步数。同时单片机把步进电机运行状况反馈给计算机,由所编写的 DELPHI 组件
实时显示步进电机的运行状况并进行监控。
步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电
动机作为机电能量转换装置,在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的
作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天,传统电动机的功能已不能满足工
厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求,发展了一
系列新的具备控制功能的电动机系统,其中较有自己特点,且应用十分广泛的一
类便是步进电动机。
步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设
备中取代小型直流电动机以后,使其设备的性能提高,很快地促进了步进电动机
的发展。另一方面,微型计算机和数字控制技术的发展,又将作为数控系统执行
部件的步进电动机推广应用到其他领域,如电加工机床、小功率机械加工机床、
测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。
步进电动机有如下特点:
(1)步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比,因此,当它转一转后,
没有累计误差,具有良好的跟随性。
(2)由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统,既非常简单、廉价,又
非常可靠。同时,它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
(3) 步进电动机的动态响应快,易与起停、正反转及变速。
(4) 速度可在相当宽的范围内平滑调节,低速下仍能保证获得大转 矩,因
此,一般可以不用减速器而直接驱动负载。
(5) 步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行,它不能直接使用交流电
源和直流电源。
(6) 步进电动机存在振荡和失步现象,必须对控制系统和机械负载采取相
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应的措施。
(7)步进电动机自身的噪声和振动较大,带惯性负载的能力较差。
随着科学技术的进步,步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、
高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省
人力、效率高的机器中,我们很容易发现步进电机的踪迹,尤其以重视速度、位
置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。
该设计实现了计算机对步进电机进行控制。通过计算机与单片机通信发出脉
冲信号控制步进电机的启动﹑停止运行。通过编程,能够实现对步进电机正反两
个方向运行的控制,单片机控制板用来发送二进制数控制驱动电路工作,所发送
的二进制是根据驱动电路的原理和步进电机的特性说明来确定的,控制板上可以
显示出步进电机所走的步数。驱动电路是由八个三极管所组成的桥电路,根据三
极管的开关特性来控制步进电机的端口,驱动电路用到两片 TLP521-2 光电耦合
集成块的开关作用,光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电——光——电
转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭
的壳体内,彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端,受光器的引脚为
输出端,常见的发光源为发光二极管,受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。
光电耦合器的种类较多,常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光
控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等(外形有金属圆壳封装,塑封双列直
插等)。工作原理:在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光,光的强度取决
于激励电流的大小,此光照射到封装在一起的受光器上后,因光电效应而产生了
光电流,由受光器输出端引出,这样就实现了电——光——电的转换。
第 1 章 步进电机的相关知识
1.1 步进电机的分类
步进电动机可分为 3 大类。
(1)反应式步进电动机
反应式步进电动机的转子是由软磁材料制成的,转子中没有绕组。它的结构
简单,成本低,步距角可以做得很小,但动态性能较差。
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(2)永磁式(感应式)步进电动机
永磁式步进电动机的的转子是用永磁材料制成的,转子本身就是一个磁源。
它的输出转距大,动态性能好。转子的极数与定子的极数相同,所以步距角一般
较大。需供给正负脉冲信号。
(3)混合式步进电动机
混合式步进电动机综合了反应式和永磁式两者的优点,它的输出转距大,动
态性能好,步距角小,但结构复杂,成本较高。
由于反应式步进电动机的性能价格比比较高,因此这种步进电动机应用的非
常广泛,在单片机系统中尤其大量使用。
1.2 步进电机的工作原理
步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置,
是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的,而步进电动机则有定位和运
转两种基本状态,当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动,每给它一个脉冲
信号,它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正
比,在时间上与输入脉冲同步,因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕
组通电的相序,便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时,在
绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。
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1.3 步进电动机的特性
步进电动机的振荡和失步是一种普遍存在的现象,它影响应用系统的正常运
行,因此要尽力避免。下面对振荡和失步的原因进行分析,并给出解决方法。
(1)振荡
步进电动机的振荡现象主要发生于:步进电动机工作在低频区;步进电动机工
作在共振区;步进电动机突然停车时。
当步进电动机工作在低频区时,由于励磁脉冲间隔的时间较长,步进电动机表
现为单步运行。当励磁开始时,转子在电磁力的作用下加速转动。在到达平衡点
时,电磁驱动转矩为零,但转子的转速最大,由于惯性,转子冲过平衡点。这时
电磁力产生负转矩,转子在负转矩的作用下,转速逐渐为零,并开始反向转动。
当转子反转过平衡点后,电磁力又产生正转矩,迫使转子又正向转动。如此下去
形成转子围绕平衡点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用,这个振荡表现
为衰减振荡,最终稳定在平衡点。
当步进电动机工作在共振区时,步进电动机的脉冲频率接近步进电动机的振荡
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