关于智能抽水机步进电机的驱动论文.docx

关于智能抽水机步进电机的驱动论文.docx

《关于智能抽水机步进电机的驱动论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《关于智能抽水机步进电机的驱动论文.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

关于智能抽水机步进电机的驱动论文

目录

插图清单2

表格清单3

摘要4

ABSTRACT5

第一章引言6

1.1项目的研究背景6

1.2项目的目的及意义6

1.3主要内容6

第二章驱动主板硬件电路设计7

2.1总体设计方案7

2.2硬件开发平台9

2.3单元电路设计9

2.3.1电源电路设计9

2.3.2步进电机正反转电路设计11

2.3.3电机脉冲电路设计12

2.3.4eeprom电路设计13

2.3.5MSP430单片机外围电路设计18

2.3.6.霍尔元件电路设计20

2.3.7复位电路设计21

第三章软件设计22

3.1软件开发平台22

3.2总体设计流程框图22

3.3各子程序设计24

3.3.1eeprom程序24

3.3.2步进电机程序24

3.3.3定时器程序24

结论25

参考文献26

致谢27

插图清单

图2-1原理框图…………………………………………………………………………………7

图2-2原理图……………………………………………………………………………………8

图2-3PCB图……………………………………………………………………………………8

图2-4proteldxp界面…………………………………………………………………………...9

图2-5PWF2405引脚图………………………………………………………….....................10

图2-6电源电路图…………………………………………………………………………......10

图2-7正反转电路图…………………………………………………………………………..11

图2-8四相步进电机步进示意图……………………………………………………………..12

图2-9时序与波形图…………………………………………………………………………..13

图2-10电机脉冲电路图………………………………………………………………………13

图2-11AT24C256引脚图…………………………………………………………………….14

图2-12总线协议图……………………………………………………………………………15

图2-13总线时序图………………………………………………………………....................15

图2-14写字节时序图……………………………………………………………....................16

图2-15写页时序图……………………………………………………………………………16

图2-16当前地址读时序图……………………………………………………………………16

图2-17随机读时序图…………………………………………………………………………17

图2-18连续读时序图…………………………………………………………………………17

图2-19eeprom电路图………………………………………………………………………...17

图2-20CPU电路图…………………………………………………………………………...19

图2-21霍尔元件电路图………………………………………………………………………20

图2-22复位按键电路图………………………………………………………………………21

图3-1不发生堵转时的程序流程图………………………………………………………….22

图3-2发生堵转时的程序流程图…………………………………………………………….23

表格清单

表2-1PWF2405引脚介绍…………………………………………………………………….10

关于智能抽水机步进电机的驱动

摘要

井下阀门控制仪中智能抽水机步进电机驱动次声波发生器，使之发出次声波，配合控制主板测量计算油井的动液面，然后及时调整采油设备与油井动液面的距离，实现采油设备的采液能力与油层对油井的供液能力相适应，从而提高采油的效率。

传统的步进电机控制方式中,控制步进电机运转的时序脉冲完全由硬件产生，对与不同相数的步进电机及同一型号电机的不同控制方式需要不同的逻辑部件。

所以通用性差，成本高。

如用MSP430单片机控制步进电机，则可以很方便地使不同相数的步进电机按任一种可行的通电方式进行控制。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一， 广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

单片机控制步进电机的方法，使步进电机的驱动控制更方便。

关键词：

MSP430；步进电机；驱动主板

Aboutvalvecontrolinstrumentintelligentpumpsteppingmotordriver

ABSTRACT

Undergroundvalvecontrolinstrumentintelligentpumpsteppingmotordrivertosendwaresgenerator,wares,measuringandcalculatingthemainboardcontroloil,thenmovetoadjustproductionequipmentanddynamicliquidoilproductionequipment,realizethedistanceinliquidabilityandtheoilreservoirfluidabilitytoadaptandimprovetheefficiencyofoil.

Traditionalwayofsteppingmotorcontrol,controlofsteppingmotorrunningofthehardwaregeneratedbythetemporalpulsecompletelywithdifferentnumberofphaseofsteppingmotorandthesametypeofdifferentcontrolmodesneeddifferentlogiccomponents.Sothepooruniversalityandhighcost.IfusingMSP430MCUcontrolsteppermotor,itcaneasilymakedifferentphaseofsteppingmotoraccordingtoanykindofelectricity.

Steppingmotorasactuators,isoneofthekeyelectromechanicalproducts,widelyusedinallkindsofautomaticcontrolsystem.Withmicroelectronicsandcomputertechnologydevelopment,thegrowingdemandforstepmotor,inallfieldsofnationaleconomy.Single-chipmicrocomputercontrolmethodofsteppingmotor,steppingmotordrivecontrolmoreeasily.

Keywords:

MSP430,Steppingmotor,drivermotherboard

第一章引言

1.1项目的研究背景

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。

步进电机经过几十年的发展,在自动控制等相关领域的应用日益广泛,而步进电机的运行性能与其使用的驱动技术有着密切的关系,故对步进电机驱动的研究越来越受到人们的重视。

1.2项目的目的及意义

随着现代电子技术的发展，自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。

采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。

近年来，我国油田对自动化的需求与日俱增。

石油的开采是伴随着能量的转移而实现的。

由于储油地层的复杂性，在石油开采过程中自然形成的能量梯度很难满足采油工艺的要求。

全世界有80%以上的油井是使用有杆抽油设备与技术进行石油开采的。

由于有杆抽油设备的采液量是固定的，当油层对油井的供液量发生变化时，使采油设备的采液能力与油层对油井的供液能力相适应就显得十分重要。

井下阀门控制仪中智能抽水机步进电机驱动次声波发生器，使之发出次声波，配合控制主板测量计算油井的动液面，然后及时调整采油设备与油井动液面的距离，实现采油设备的采液能力与油层对油井的供液能力相适应，从而提高采油的效率。

1.3主要内容

本文主要讲述了井下阀门控制仪中智能抽水机步进电机的驱动及控制，阐述了步进电机的驱动原理，介绍了应用MSP430单片机及eeprom等芯片设计步进电机驱动主板软硬件的流程，实现了步进电机的自动驱动及控制，为智能抽水机主板计算油井的动液面提供了坚实可靠的保障。

第二章驱动主板硬件电路设计

2.1总体设计方案

根据项目设计要求，由一个霍尔元件（接近开关）作为传感器，当电机上的小磁铁，与霍尔元件相遇时，它会发出一个很低的电平，经过霍尔元件电路，给单片机一个稳定的、而且能被单片机A/D采集，然后单片机所记录的步进电机运转圈数加一，然后把它以及正反转标志、堵转标志写进eeprom里，如果中间出现掉电现象，则所有的数据都被保存到eeprom，当再次上电时，单片机只要从eeprom里读出所有的数据，然后就可以接着掉电前的状态继续运行。

每次步进电机要运行时，有单片机发出控制信号给电机脉冲电路以及电机正反转电路，然后把满足步进电机正常工作的脉冲以及电机运转方向送给电机驱动器，驱动电机正常运转。

电源电路负责给整个系统供电，由于单片机的型号是MSP430,它的工作电压时+3.3V，而电机驱动器的共阳极端子是+5V，所以我们使用一个输出+24V开关电源和一个型号为PWF2405的电源芯片，使电压转化为+5V，再通过AMS1117芯片转化为+3.3V供单片机使用。

复位电路是用来在调试次声波发生器时用到的，它是为了保证次声波发生器和步进电机运转同步的，而不是上电复位用的。

设计原理框图如下：

图2-1原理框图

根据上面的系统框图，我们设计的硬件电路总原理图和PCB版图如下：

图2-2原理图

图2-3PCB图

2.2硬件开发平台

Altium公司作为EDA领域里的一个领先公司，在原来Protel99SE的基础上，应用最先进的软件设计方法，率先推出了一款基于Windows2000和WindowsXP操作系统的EDA设计软件ProtelDXP。

ProtelDXP在前版本的基础上增加了许多新的功能。

新的可定制设计环境功能包括双显示器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。

ProtelDXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。

ProtelDXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。

通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，ProtelDXP提供了全面的设计解决方案。

图2-4proteldxp界面

2.3单元电路设计

2.3.1电源电路设计

电源电路是由三部分组成的：

开关电源电路、PWF2405芯片电路和AMS1117芯片电路。

由于开关电源制作相当复杂，而且系统对开关电源的稳定性等要求很高，所以不宜自己制作，我们选用符合项目要求的开关电源产品。

PWF2405芯片是4:

1宽电压输入，隔离稳压正负双路/单路输出。

DIP封装DC-DC模块电源，它专门针对线路板上分布式电源系统中前级电源波动较大，且需要产生与前级电源隔离的电源应用场合而设计的。

它还具有输出短路保护（自恢复），就是说当电路出现短路现象时，它的输出能自动短路，从而保护芯片，而且它能自己恢复。

由于它有宽电压输入与隔离功能，所以即使当开关电源的输出电压有波动，只要不超过它的最大输入电压40V，它都可以输出稳定的+5V，因此它能保护后面的单片机免于因电压波动太大而被损坏。

它的引脚及引脚功能和应用电路如下：

图2-5PWF2405引脚图

引脚

单路

2、3

GND

9

NoPin

11

NC

14

+V0

16

0V

22、23

Vin

表2-1PWF2405引脚介绍

AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。

在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。

AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。

AMS1117器件引脚上兼容其他三端SCSI稳压器，提供适用贴片安装的SOT-223，8引脚SOIC，和TO-252（DPAK）塑料封装。

AMS1117参数AMS1117基本参数输出电流（A）1输出电压（V）Adj1.51.82.52.853.35.0*AMS1117其他特性初始误差（%）±1.5压差（V）1.3AMS1117封装类型SOT-223TO-252SO-8

经过我们反复调试修改，最终电源电路如下：

图2-6电源电路图

由上图可知，开关电源把220V的交流电转变为+24V的直流电源，然后通过PWF2405芯片电路把+24V的直流电转化为+5V的直流电，再通过AMS117芯片转化为+3.3V供单片机使用。

由于电路具有开关电源和PWF2405芯片双重保护，所以系统的稳定性很好。

图中的LED是电源指示灯，电阻R4是为了限流用的，防止电流过大损坏LED，只要系统一上电，它就会亮。

所以如果想看看系统的电源部分是否工作正常，只要观察这个LED灯就可以了。

2.3.2步进电机正反转电路设计

步进电机正反转电路顾名思义是控制步进电机的正转与反转的，步进电机的工作原理是先正转（因为次声波发生器里的筿处在次声波发生器的下试点），次声波发生器里的筿会不断上升，不断压缩次声波发生器里的弹簧，弹簧不断地储存能量，直至弹簧形变量达到最大，这时次声波发生器里的筿会达到上试点，步进电机会发生正常堵转现象，表明次声波发生器挂枪成功，然后步进电机再反转，这时次声波发生器里的弹簧并没有被拉伸，而是保持形变量不变，当步进电机反转到一定位置时，次声波发生器里的筿会不断下降，直至它把次声波发生器里的钢球给打开，这时弹簧所积累的能量瞬时释放出来，这种现象就是次声波发生器的放枪现象。

这时挂在次声波发生器上的震动传感器感应到震动，发出一个信号给主控板，然后主控板收到信号并发出一个控制驱动板的信号，使步进电机停止工作。

我们选择一个三极管做电子开关，因为从三极管的输出特性曲线看，三极管有三个区：

截止区、放大区和饱和区。

当发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置时，对于共射电路，此时Ib=0，因此Ic也近似为零，此时三极管处于截止区；当发射结电压大于开启电压且集电结反向偏置时，对于共射电路，此时Ic=βIb，此时三极管处于放大区；当发射结电压大于开启电压且集电结正向偏置时，对于共射电路，此时Ic不仅与Ib有关，而且明显随着Uc增大而增大，这时三极管处于饱和区。

经过反复调试，最终确定的电路如下：

图2-7正反转电路图

由上图可知，单片机通过控制某个I/O口的高低电平，来控制步进电机的正反转。

电路中三极管就相当于一个电子开关，C_DIR端口通过控制这个开关来控制步进电机的正转与反转的。

当C_DIR端口为低电平时，Q2的发射结没有导通，Q2处于截止状态，相当于开关断开，此时步进电机的驱动器将得到任何信号，这时驱动器会驱动步进电机反转；当C_DIR端口为高电平时，Q2的发射结导通，Q2处于饱和导通状态，相当于开关闭合，此时步进电机的驱动器将得到一个逻辑低电平，这时步进电机的驱动器会驱动步进电机正转。

2.3.3电机脉冲电路设计

为了大家更好地理解步进电机对脉冲的要求，我首先简单介绍一下四相步进电机及其驱动器原理。

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，当步进电动机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电动机驱动器）。

控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

我们所用的步进电机是一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。

只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。

图一是该四相反应式步进电机工作原理示意图：

图2-8四相步进电机步进示意图

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿就和C相绕组的磁极对齐，而0、3号齿就和A、B相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。

依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等。

但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图所示：

图2-9时序与波形图

步进电机对脉冲信号的要求：

脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

图2-10电机脉冲电路图

由上图可知，单片机通过控制某个I/O口的高低电平，来控制步进电机的脉冲电路。

电路中三极管也相当于一个电子开关，C_DIR端口通过控制这个开关来控制脉冲的高低电平。

当C_power端口为低电平时，Q3的发射结没有导通，此时Q3处于截止状态，相当于开关断开，此时步进电机的脉冲电路将输出逻辑高电平；当C_power端口为高电平时，Q3的发射结导通，此时Q3处于饱和导通状态，相当于开关闭合，此时步进电机的脉冲电路将输出逻辑低电平。

由于步进电机所需要的脉冲是矩形波，而且占空比是变化的，所以我们用的延时是软件的，就是每当C_power端口变化一次，要用软件延时适当的时间，形成一定占空比的矩形波。

当电机启动时，随着电机转速的提高，从零到次高速，再到正常速度，软件延时的时间也是在不断地变化的，形成占空比越大的矩形波，这样直到电机达到正常运转的速度。

2.3.4eeprom电路设计

电可擦除、可编程只读存贮器（El““一rieallyEra一ableprogramnrableRead一OnlyMemory,以下简称为EEPROM）,它具有存取速度快,可以随机访间,并在掉电时,不会委失任何信息等优点。

另外对EEPROM进行编程时,无须将它从原扦座中取出,擦除信息很方便,不需要任何条件。

 AT24C256是ATMEL公司256kbit串行电可擦的可编程只读存储器，8引脚双排直插式封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，可以在2线总线上并接4片该IC，特别适用于具有高容量数据储存要求的数据采集系统。

本文将介绍该IC的工作原理和与单片机的软硬件接口。

2.3.4.1AT24C256的主要特性及引脚说明：

2.3.4.1.1主要特性

芯片有3种工作电压；5.0V（VCC=4.5V～5.5V）、2.7V（VCC=2.7V～5.5V）和1.8V（VCC=1.8V～3.6V）

——内部可以组成128k×8存储单元；

——2线串行接口；

——斯密特触发，滤波输入抑制噪声；

——双向数据传送协议；

——硬件写保护引脚和软件数据保护功能；

——具有64字节页写模式。

2.3.4.1.2AT24C256引脚说明

   其引脚排列如图所示。

图2-11AT24C256引脚图

A0、A1：

地址选择输入端。

在串行总线结构中，可以连接4个AT24C256IC。

用A0、A1来区分各IC。

A0、A1悬空时为0。

SCL：

串行时钟输入。

上升沿将SDA上的数据写入存储器，下降沿从存储器读出数据送SDA上。

SDA：

双向串行数据输入输出口。

用于存储器与单片机之间的数据交换。

WP：

写保护输入。

此引脚与地相连时，允许写操作；与VCC相连时，所有的写存储器操作被禁止。

如果不连，芯片内部下拉到地。

VCC：

电源。

GND：

地。

NC：

空。

2.3.4.2AT24C256的工作原理

AT24C256内部有512页，每一页为64字节，任一单元的地址为15位。

地址范围0000H～7FFFH。

2.3.4.2.1芯片工作状态

   1）时钟和数据传送

   一般情况下，SDA被外部的设备拉到高，只有当SCL为低电平时，SDA上的数据变化，表示要传送数据。

SCL为高时SDA变化表示状态变化。

   2）开始状态（START）

   当SCL为高时，SDA由高到低表示数据传送开始，这一状态必须在所有命令之前。

   3）结束状态（STOP）

   当SCL为高时，SDA由低到高表示数据传送结束状态。

   4）应答状态（ACK）

   所有的地址和数据都是以8位的形式串行传送给存储器或从存储器读出的。

存储器在第9个时钟周期SDA发零信号表示已经收到8位数据。

总线协议图如下：

图2-12总线协议图

图2-13总线时序图

2.3.4.2.2设备选址

   EEPROM进入开始状态后，需要一个8位的地址字来选择芯片进行读写。

设备地址字由5位0、1组成的命令字和两位地址选择位A1、A0和一位读/写操作位构成。

对于AT2