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单片机控制的步进电机驱动技术学士学位论文

山西机电职工学院

论文题目单片机控制的步进电机驱动技术

姓名**

专业机电一体化

年级2012级

指导老师**

2014年5月25日

单片机控制的步进电机驱动技术

摘要

本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对步进电机转速进行控制的方法。

文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。

此外，本文中还采用了芯片IR2110作为步进电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对步进电机的控制。

另外，本系统中使用了测速发电机对步进电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对步进电机速度的控制。

在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。

关键词：

PWM信号测速发电机PI运算

目录

1.系统硬件电路的设计……………………………………………………1

1.1系统总体设计框图及单片机系统的设计……………………………1

1.1.1系统总体设计框图……………………………………………………1

1.1.28051单片机简介………………………………………………………1

1.1.3单片机系统中所用其他芯片简介…………………………………3

1.1.48051单片机扩展电路及分析………………………………………5

1.2PWM信号发生电路设计…………………………………………………8

1.2.1PWM的基本原理…………………………………………………………8

1.2.2PWM信号发生电路设计………………………………………………8

1.2.3PWM发生电路主要芯片的工作原理………………………………10

1.3功率放大驱动电路设计…………………………………………………12

1.3.1芯片IR2110性能及特点……………………………………………12

1.3.2芯片IR2110引脚图及功能…………………………………………12

1.4主电路设计…………………………………………………………………15

1.4.1延时保护电路…………………………………………………………15

1.4.2主电路…………………………………………………………………15

1.4.3输出电压波形…………………………………………………………17

1.5测速发电机………………………………………………………………17

1.6滤波电路…………………………………………………………………17

1.7A/D转换…………………………………………………………………18

1.7.1芯片ADC0809介绍………………………………………………………18

1.7.2ADC0809的引脚及其功能…………………………………………18

2.直流调速系统………………………………………………………………20

2.1直流调速系统概述………………………………………………………20

2.2单闭环直流调速系统……………………………………………………20

2.3开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较……………………22

总结……………………………………………………………………………29

致谢……………………………………………………………………………30

参考文献

题目：

基于单片机实现步进电机PWM调速系统

1.系统硬件电路的设计

1.1系统总体设计框图及单片机系统的设计

1.1.1系统总体设计框图

图1.1系统总体设计框图

1.1.28051单片机简介

1.8051单片机的基本组成

8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。

其基本组成如下图所示：

图1.28051单片机基本组成

2.CPU及8个部件的作用功能介绍如下

中央处理器CPU：

它是单片机的核心，完成运算和控制功能。

内部数据存储器：

8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。

通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。

特殊功能寄存器：

是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80H—FFH。

内部程序存储器：

8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。

并行I/O口：

8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入输出。

串行口：

它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。

定时器：

8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。

中断控制系统：

该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。

振荡电路：

它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。

系统允许的最高晶振频率为12MHz。

3.8051单片机引脚图

图1.38051单片机引脚图

1.1.3单片机系统中所用其他芯片简介

1.地址锁存器74LS373

74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。

其结构如下图所示：

图1.474LS373片内三态门的D锁存器

当使能端G呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实现锁存。

如果此时芯片的输出控制端

为低，也即是输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。

以下是其引脚图：

图1.574LS37引脚图

2.程序存储器27128

（1）芯片引脚

图1.6程序存储器27128引脚图

（2）功能表

引脚

工作方式

（片选）

（允许输出）

VPP

（编程控制）

输出

读

L

L

VCC

H

数据输出

维持

H

*

VCC

*

高阻

编程

L

H

VPP

L

数据输入

编程校验

L

L

VPP

H

数据输出

编程禁止

H

*

VPP

*

高阻

表1.1功能表

3．数据存储器6264

（1）芯片引脚

图1.7数据存储器6264芯片引脚

（2）芯片功能表

引脚

工作方式

I/O0—I/O7

未选中

H

*

*

*

高阻

未选中

*

L

*

*

高阻

输出禁止

L

H

H

H

高阻

读

L

H

L

H

数据输出

写

L

H

H

L

数据输入

写

L

H

L

L

数据输入

表1.2芯片功能表

1.1.48051单片机扩展电路及分析

图1.88051单片机扩展电路

接线分析

P0.7---P0.0：

这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。

第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于传送CPU的I/O数据。

第二种情况是8051带片外存储器，P0.7---P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。

P2.7---P2.0：

这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。

它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。

P3.7---P3.0：

这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。

它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同，如下表所示：

P3口的位

第二功能

注释

P3.0

RXD

串行数据接收口

P3.1

TXD

串行数据发送口

P3.2

外中断0输入

P3.3

外中断1输入

P3.4

T0

计数器0计数输入

P3.5

T1

计数器1计数输入

P3.6

外部RAM写选通信号

P3.7

外部RAM读选通信号

表1.3P3口功能表

VCC为+5V电源线，VSS为接地线。

ALE/

：

地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用，在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7---P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/

线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7---P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。

在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/

线上输出频率为1/6fOSC的脉冲序列。

该脉冲序列可以用作外部时钟源或者作为定时脉冲源使用。

/VPP：

允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是片外ROM。

如果

=1，那么允许使用片内ROM；如果

=0，那么允许使用片外ROM。

：

片外ROM选通线，在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在

线上产生一个负脉冲，用于片外ROM芯片的选通。

其他情况下，

线均为高电平封锁状态。

RST/VPD：

复位备用电源线，可以使8051处于复位工作状态。

XTAL1和XTAL2：

片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片内OSC的定时反馈电路。

石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便于8051片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，电容C1、C2可以帮助起振，调节它们可以达到微调fOSC的目的。

1.2PWM信号发生电路设计

1.2.1PWM的基本原理

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从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，比如：

电机调速、温度控制、压力控制等等。

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，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。

通过改变步进电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。

也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

如下图所示：

图1.9时序图

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。

由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。

严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。

1.2.2PWM信号发生电路设计

图1.10PWM信号发生电路

PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。

当PWM波的频率太高时，它对步进电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。

在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。

两片数值比较器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2—Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。

只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。

12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。

计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2—Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端为高电平。

随着计数值的增加，Q2—Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（A>B）输出端又变为低电平，这样就在U2的（A>B）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255-X/255）*100%，那么只要改变X的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进行步进电机的转速控制。

使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。

由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。

1.2.3PWM发生电路主要芯片的工作原理

1．芯片4585

（1）芯片4585的用途：

对于A和B两组4位并行数值进行比较，来判断它们之间的大小是否相等。

（2）芯片4585的功能表：

输入

输出

比较

级取

A3、B3

A2、B2

A1、B1

A0、B0

A

A=B

A>B

A

A=B

A>B

A3>B3

*

*

*

*

*

1

0

0

1

A3=B3

A2>B2

*

*

*

*

1

0

0

1

A3=B3

A2=B2

A1>B1

*

*

*

1

0

0

1

A3=B3

A2=B2

A1=B1

A0>B0

*

*

1

0

0

1

A3=B3

A2=B2

A1=B1

A0=B0

0

0

1

0

0

1

A3=B3

A2=B2

A1=B1

A0=B0

0

1

0

0

1

0

A3=B3

A2=B2

A1=B1

A0

1

0

0

1

0

0

A3=B3

A2=B2

A1

*

*

*

*

1

0

0

A3=B3

A2

*

*

*

*

*

1

0

0

A3

*

*

*

*

*

*

1

0

0

表1.4芯片4585的功能表

（3）芯片4585的引脚图：

图1.11芯片4585的引脚图

2．芯片4040

芯片4040是一个12位的二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数。

当CR为高电平时，它对计数器进行清零，由于在时钟输入端使用施密特触发器，故对脉冲上升和下降时间没有限制，所有的输入和输出均经过缓冲。

芯片4040提供了16引线多层陶瓷双列直插、熔封陶瓷双列直插、塑料双列直插以及陶瓷片状载体等4种封装形式。

（1）芯片4040的极限值：

电源电压范围：

-0.5V—18V

输入电压范围：

-0.5V—VDD+0.5V

输入电流范围：

±10mA

贮存温度范围：

-65°C—150°C

（2）芯片4040引出端功能符号：

CP:

时钟输入端CR：

清除端Q0—Q11：

计数脉冲输出端

VDD:

正电源VSS:

地端

（3）芯片4040功能表：

输入

输出

CP

CR

↑

↓

*

L

L

H

保持

计数

所有输出端均为L

表1.5芯片4040功能表

（4）芯片4040的引脚图：

图1.12芯片4040的引脚图

1.3功率放大驱动电路设计

该驱动电路采用了IR2110集成芯片，该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。

1.3.1芯片IR2110性能及特点

IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。

它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。

高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。

与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。

降低了产品成本和减少体积。

1.3.2IR2110的引脚图以及功能

引脚1（LO）与引脚7（HO）：

对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输出端，使用中，分别通过一电阻接主电路中下上通道MOSFET的栅极，为了防止干扰，通常分别在引脚1与引脚2以及引脚7与引脚5之间并接一个10KΩ的电阻。

引脚2（COM）：

下通道MOSFET驱动输出参考地端，使用中，与引脚13（Vss）直接相连，同时接主电路桥臂下通道MOSFET的源极。

引脚3（Vcc）：

直接接用户提供的输出极电源正极，并且通过一个较高品质的电容接引脚2。

引脚5（Vs）：

上通道MOSFET驱动信号输出参考地端，使用中，与主电路中上下通道被驱动MOSFET的源极相通。

与引脚6（VB）：

通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极管，与用户提供的输出极电源相连，对Vcc的参数要求为大于或等于—0.5V，而小于或等于+20V。

引脚9（VDD）：

芯片输入级工作电源端，使用中，接用户为该芯片工作提供的高性能电源，为抗干扰，该端应通过一高性能去耦网络接地，该端可与引脚3（Vcc）使用同一电源，也可以分开使用两个独立的电源。

引脚10（HIN）与引脚12（LIN）：

驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的驱动脉冲信号输入端。

应用中，接用户脉冲形成部分的对应两路输出，对此两个信号的限制为Vss-0.5V至Vcc+0.5V，这里Vss与Vcc分别为连接到IR2110的引脚13（Vss）与引脚9（VDD）端的电压值。

引脚11（SD）：

保护信号输入端，当该引脚为高电平时，IR2110的输出信号全部被封锁，其对应的输出端恒为低电平，而当该端接低电平时，则IR2110的输出跟随引脚10与12而变化。

引脚13（Vss）：

芯片工作参考地端，使用中，直接与供电电源地端相连，所有去耦电容的一端应接该端，同时与引脚2直接相连。

引脚8、引脚14、引脚4：

为空引脚。

芯片参数：

1．IR2110的极限参数和限制：

最大高端工作电源电压VB：

-0.3V至525V

门极驱动输出最大（脉冲）电流IOMAX：

2A

最高工作频率fmax：

1MHz

工作电源电压Vcc：

-0.3V至25V

贮存温度Tstg：

-55至150°C

工作温度范围TA：

-40至125°C

允许最高结温Tjmax：

150°C

逻辑电源电压VDD：

-0.3V至VSS+25V

允许参考电压Vs临界上升率dVs/dt：

50000V/μs

高端悬浮电源参考电压Vs：

VB-25V至VB+0.3V

高端悬浮输出电压VHO：

Vs-0.3V至VB+0.3V

逻辑输入电压VIN：

Vss-0.3V至VDD+0.3V

逻辑输入参考电压Vss：

Vcc-25V至Vcc+0.3V

低端输出电压VLO：

-0.3V至Vcc+0.3V

功耗PD：

DIP-14封装为1.6W

2．IR2110的推荐工作条件：

高端悬浮电源绝对值电压VB：

Vs+10V至Vs+20V

低端输出电压VLO：

0至Vcc

低端工作电源电压Vcc：

10V至20V

逻辑电源电压VDD：

Vss+5V至Vss+20V

逻辑电源参考电压Vss：

-5V至+5V

图1.13IR2110芯片

1.4主电路设计

1.4.1延时保护电路

利用IR2110芯片的完善设计可以实现延时保护电路。

R2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互琐时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。

1.4.2主电路

从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。

因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。

我们可以采取双PWM信号来控制步进电机的正转以及它的速度。

将IC1的HIN端与IC2的LIN端相连，而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。

在HIN为高电平期间，Q1、Q4导通，在步进电机上加正向的工作电压。

其具体的操作步骤如下：

当IC1的LO为低电平而HO为高电平的时候，Q2截止，C1上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q1的栅极上，从而使得Q1导通。

同理，此时IC2的HO为低电平而LO为高电平，Q3截止，C3上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q4的栅极上，从而使得Q4导通。

电源经Q1至电动机的正极经过整个步进电机后再通过Q4到达零电位，完成整个的回路。

此时步进电机正转。

在HIN为低电平期间，LIN端输入高电平，Q2、Q3导通，在步进电机上加反向工作电压。

其具体的操作步骤如下：

当IC1的LO为高电平而HO为低电平的时候，Q2导通且Q1截止。

此时Q2的漏极近乎于零电平，Vcc通过D1向C1充电，为Q1的又一次导通作准备。

同理可知，IC2的HO为高电平而LO为低电平，Q3导通且Q4截止，Q3的漏极近乎于零电平，此时Vcc通过D2向C3充电，为Q4的又一次导通作准备。

电源经Q3至电动机的负极经过整个步进电机后再通过Q2到达零电位，完成整个的回路。

此时，步进电机反转。

因此电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形，由于存在着机械惯性的缘故，电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。

设PWM波的周期为T，HIN为高电平的时间为t1，这里忽略死区时间，那么LIN为高电平的时间就为T-t1。

HIN信号的占空比为D=t1/T。

设电源电压为V，那么电枢电压的平均值为：

Vout=[t1-（T-t1）]V/T

=（2t1–T）V/T

=（2D–1）V

定义负载电压系数为λ，λ=Vout/V,那么λ=2D–1；当T为常数时，改变HIN为高电平的时间t1，也就改变了占空比D，从而达到了改变Vout的目的。

D在0—1之间变化，因此λ在±1之间变化。

如果我们联系改变λ，那么便可以实现电机正向的无级调速。

当λ=0.5时，Vout=0,此时电机的转速为0；

当0.5<λ<1时，Vout为正，电机正转；

当λ=1时，Vout=V,电机正转全速运行。

图1.14主电路

1.4.3输出电压波形

图1.15

1.5测速发电机

测速发电机是输出电动势与转速成比例的微特电机，分为直流与交流两种。

其绕组和磁路经过精确设计，输出电动势E和转速n成线性关系，即E