步进电机实验.docx
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步进电机实验
精密仪器实验二
精密工作台控制系统设计
引言
本设计是以单片机为核心的步进电机控制系统；能够实现能够实现精密工作台位移、速度（满足电机的加、减速特性）、方向、定位的控制。
用STC89C52作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动开始与结束、转动方向、转动速度的控制。
并且将步进电机的转动方向，转动速度控制，以及位移动态显示在LCD液晶显示屏上。
硬件包括CPU、功放、按键、LCD显示；电路结构简单，可靠性能高；软件采用C语言，简单易编写。
方案设计
一、设计要求：
系统为开环伺服系统，执行元件为步进电机，传动机构为丝杠螺母副。
工作台脉冲当量：
=0.01mm/脉冲；最大运动速度=1.2m/min；定位精度=
0.01mm；空载启动时间=25ms。
二、方案选择：
1．单片机的选择
本系统采用的是STC89C52，它是一个低电压，高性能CMOS8位单片机片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，已在电子行业中有着广泛的应用。
2．电机驱动方案的选择与论证
方案一：
使用多个功率放大器件驱动电机
通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可达到不同的放大的要求，放大后能得到较大的功率。
由于放大电路很难做到万群一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。
方案二：
使用UNL2003芯片驱动电机
ULN2003芯片是耐高压。
大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成，每一对达林顿管都需串联一个2.7K的基极电阻，ULN2003的驱动电路只有500mA，可以驱动一些小型的电机，而L298N可以带动2A以上的电机，。
方案三：
使用L298N芯片驱动电机
L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；也可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
引脚图如图1所示。
方案确定：
通过比较，使用L298N芯片可以充分发挥它的功能，能稳定的驱动步进电机，故选用L298N。
三、总体设计：
1．步进电机工作原理
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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角，改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。
步进电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程序，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。
2．系统设计
本系统用STC89C52单片机控制二相电机，由于定位精度=
0.01mm，因此设计为八拍，即每拍走0.01mm距离。
由于STC89C52I/O口的驱动能力不足以驱动电机，因此加入驱动芯片L298N。
为保证控制信号频率稳定，STC89C52时钟采用外部12M晶振。
（系统设计如图1所示）
图1系统总体设计框图
3、选择步进电机的参数
型号：
57BYGH210；
类型：
两相四线；
8拍的方式
八个状态：
1、在A与A-正电压，B与B-不给电悬空；
2、在A与A-正电压，B与B-也给正电压；
3、A与A-不给电压悬空，B与B-正电压；
4、A与A-给负电压，B与B-给正电压；
5、A与A-给负电压，B与B-不给悬空；
6、A与A-给负电压，B与B-给负电压；
7、A与A-不给电悬空，B与B-给负电压；
8、A与给正电压，B与B-给负电压；
四个引脚各一根控制线：
A~H表示各线时序
A
B
C
D
E
F
G
H
A
1
1
0
0
0
0
0
1
A
0
0
0
1
1
1
0
0
B
0
1
1
1
0
0
0
0
B-
0
0
0
0
0
1
1
1
四、单元电路设计：
1.控制器模块：
本设计采用Atmel公司的STC89C52作为系统控制器的单片机方案，STC89C52主要是通过按键控制实现电机转动方向、转动速度、转动位移的功能，并通过LCD液晶显示屏将转速方向、转动位移、电机的加速与减速显示出来。
最小系统电路如图2所示。
图2单片机最小系统电路
2.按键控制模块
按键在单片机应用系统中实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。
按键控制模块采用7个独立按键，分别完成准备、开始、正转、反转、加速、减速、停止、定位的功能。
图3按键电路
3.LCD液晶显示电路
本系统采用LCD1602液晶显示模块，具有体积小、低功耗、显示内容丰富超薄轻巧等优点，在低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，它可以显示两行，每行16个字，采用+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比，另外与单片机接口比较简单，实用方便。
图4显示电路
4.电机驱动电路
此部分核心模块为L298，它是SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片（DualFull-BridgeDriver），内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动4-6V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的I/O端口来提供模拟时序信号。
图5电机驱动电路
五、软件设计：
系统的主程序流程图如图6所示，由主程序实现整体控制，系统的功能子程序主要包括初始化子程序，电机控制程序，键盘扫描子程序，LCD显示子程序等。
程序开始运行后，首先进行初始化，然后调用键盘扫描子程序选择电机的的运动状态，并在LCD上实时显示。
电机控制子程序通过判断键值完成各状态的控制，驱动电机。
图6程序流程图
6、系统设计及原理图：
1．系统电路图
图7系统总电路图
七、整体测试：
经过实际测试，本系统基本达到了预期的要求，能够实现精密工作台位移、速度（满足电机的加、减速特性）、方向、定位的控制；通过键盘分别完成了准备、开始、正转、反转、加速、减速、停止、定位的功能。
并且将步进电机的转动方向，转动速度控制，以及位移动态显示在LCD液晶显示屏上；电机工作比较稳定。
八、结论：
经过以上调试，电机可以按照系统要求进行稳定的工作，在整个设计过程中，我也收获很多，分模块调试每一部分硬件电路，最后综合在一起，减小了出错的几率；同时在编程时也用模块化的思想，最后统一，加快了编程的速度。
总体来说，通过本次设计，收获颇多。
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