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步进电机调速系统综述
摘要
步进电机是一种由脉冲控制转速的执行机构。
其驱动简单，控制精确度高，是日常使用的定位和驱动的工具。
控制好步进电机，可以提高定位的精确性，对日常生产有较大的研究意义和应用前景。
本文采用51单片机作为主控芯片，L297为电机驱动芯片，L298N为步进电机控制芯片，设计了一个步进电机控制系统。
首先介绍了步进电机的转动和控制原理，然后对单片机和驱动芯片做介绍。
然后编写控制系统软件。
最后采用Proteus进行仿真，并对结果进行分析。
关键词：
步进电机，单片机，控制系统
Abstract
Steppermotoriscontrolledbypulseactuators.Itiseasytodriveandhavehighcontrolaccuracy,andisatoolfordailyuseofpositioninganddriver.Makinggoodcontrolofsteppingmotor,canimprovetheaccuracyofpositioning,sothestudyofdailyproductionhasgreatsignificanceandapplicationprospect.
The51singlechipmicrocomputerisusedasmaincontrolchip,L297andL298Nareusedforsteppermotorcontrolchip,asteppingmotorcontrolsystemisdesigned.Firstlyintroducestherotationofthesteppermotorandcontrolprinciple,andthenintroducesMCUanddriverchip.Thenwritecontrolsystemsoftware.FinallyusesProteussimulation,andanalyzetheresults.
Keywords:
stepmotor,single-chipmicrocomputer,controlsystem
第一章绪论
1.1步进电机简介
步进电机是一种由脉冲控制转速的执行机构。
它由转子和定子组成。
定子是由硅钢片叠成，装上绕组。
转子也是由硅钢片叠成，做成突级结构。
常用的三相反应式步进电机的定子有6个磁极，转子有4个突齿。
其工作的原理是电磁工作原理。
当ABC相分别导电时，转子的凸齿与相应的相的绕组相对，这样来控制转子的转动。
只要改变绕组的通电顺序就能改变步进电机的转动顺序。
绕组的通电方式有：
单三拍、六拍和双三拍等。
其中单三拍是指每次只有一相通电，双是两相通电，拍是指通电的次数。
拍数越少步距角越大，否则越小。
输入的脉冲数越多，步进电机转动的角度就越多。
同时，输入频率越高，则步进电机的转速就越快。
同时，通过控制脉冲数量，就可以控制步进电机的转动的位置，因此还能使用步进电机进行定位。
步进电机具有以下特点
（1）控制简便
步进电机可以根据输入脉冲的数量控制旋转的角度，因此控制转动角度十分方便；还可以通过控制脉冲的频率控制步进电机的转速。
而对于数字控制，对数量和频率的控制十分便利，因此步进电机的控制十分简单。
（2）可以开环控制
由于步进电机的转速误差不会累计，因此只要步进电机能正常工作，就只需要调节脉冲来控制速度即可达到一定的精度。
（3）寿命长
不用电刷，寿命取决于轴承。
步进电机当然也有缺点：
（1）不适宜带惯性负载
（2）驱动需要使用脉冲，对驱动电路有要求。
（3）转速上升的同时，转矩下降
步进电机在启动和停止时容易失步，在脉冲频率过高、负载过大时也会。
1.2步进电机驱动系统
步进电机的性能与驱动器的性能有很大关系。
驱动器给步进电机的各相绕组提供一定规律的脉冲，使得步进电机转动。
通过改变脉冲的规律便可以控制步进电机的转动方向。
当步进电机和控制器的参数设计好后，系统的性能就取决于驱动器，因此驱动器的性能对于步进电机控制系统来说十分重要。
驱动方式主要分为：
单电压驱动，高低压驱动，斩波恒流驱动，调频驱动等。
（1）单电压驱动：
这种驱动方式的最大特点就是简单。
它是通过在电路中串联电阻来改善电路时间常数。
但是这种方法会产生大量的功耗，不利于节能。
适用于小功率的要求不高的电机。
（2）高低压驱动：
电机每相绕组导通时,首先施加高电压,使电流快速上升,当电流上升到额定值时,将高电压切断,回路电流以低电压电源维持
（3）斩波恒流驱动:
为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，人们研制出斩波电路，采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动
（4）调频调压驱动:
特点是施加在电机绕组的电压随工作频率的变化作相应的改变，步进电机在低频时工作在低压状态，减少能量的注入，从而抑制振荡
1.3步进电机研究的国内外状况
目前在数控生产等定位领域，步进电机得到了大量的应用。
如何改进步进的电机的控制方法，提高控制精度成为很多国家的研究方向。
目前，我国在步进电机的精确控制方面和发达国家相比还有一定的距离。
发达国家利用自己在步进电机精确控制上面的优势，不断开拓全球市场，因此国内的控制企业受到的冲击比较大。
要掌控自己的市场，就需要投入更多的人力物力到步进电机的精确控制的研究上面。
1983年，LINL实验室验证的精密机床的定位精度就已经达到0.025um的水平。
日本也在这方面投入了大量的人力物力，进行精密机床的研制。
各国在这方面的尖端技术都是保密的，并且技术还都没有对我国开放。
而开放这种技术是我国十分需要的。
因此我们国家只能依靠自己，自力更生，投入大量资金进行研发，在这方面进行突破。
步进电机驱动的研究主要集中在驱动方式和电路设计两个方面。
其中驱动方式往斩波恒流、SPWM方向发展，能够提供控制精度。
而驱动电路设计方面，很多采用了单片机加驱动芯片，或者是DSP加驱动芯片的电路设计方式。
第二章51单片机原理
2.151单片机发展
8051单片机诞生于20世纪80年代，由Intel公司开发。
Intel公司成立于1968年，是世界上最大的PC中央处理器生产厂商，世界五百强企业。
8051自诞生之后，不断地改进，很多公司均推出了以其为核心的单片机，这些公司有美国的Atmel,台湾的Winond，德国的siemens，日本的Fujutsu、OKI，他们生产的单片机集成了A/D、PWM、高速I/O等外设，但是其内核依然是8051，且相互间可以指令兼容。
这样给全球各地的客户带了更广阔的的选择空间，也给技术开发人员的科研工作带来了便利。
8051分为片内ROM和无片内ROM两种类型。
无片内ROM的单片机需要在外部加上EPROM才能正常工作。
带片内ROM的分为EPROM、FLASH和掩膜ROM。
还有一些是带有OTP的芯片。
片内EPROM和片内Flash多用于开发样机，等技术成熟，要进行生产后，会改为采用带掩膜片内ROM的单片机进行生产。
8051采用哈佛结构，数据存储器和程序存储器在逻辑上是相同的地址空间，但是物理空间确是不同的，访问时，采用不同的指令和寻址方式。
片内具有32个通用寄存器，可以用于中断和子程序。
另外，其RAM中还有一个位寻址区，专门用于各种开关控制问题，可以对每一位进行控制。
8051内部包括一个CPU，ROM、RAM、定时器/计数器、并行接口、串行接口和中断系统。
RAM用来存储数据，ROM存储程序，定时器/计数器可以用来定时或是计算事件的数目，中断系统处理中断事件。
这些内部的结构都是通过总线连接。
总线用来传输数据、地址和控制信号。
2.251单片机介绍
运算器由逻辑单元、累加器、暂存寄存器和程序状态字寄存器构成。
逻辑单元ALU主要任务是完成二级制数据的运算，其结果会对PSW产生影响。
运算器中最繁忙的是累加器ACC，因为ACC输出很多会成为ALU输入，而ALU的输出又会送到ACC。
PSW是8位寄存器，用于存放运算结果。
控制器包括定时控制逻辑、指令寄存器、译码器、计数器、数据指针，堆栈指针、地址寄存器和地址缓冲器。
它的任务是对指令进行译码并发出内部和外部的控制信号。
程序计数器用于存放下一个要运行的指令的地址。
堆栈指针用于指示堆栈的起始地址。
指令译码器，对进入其中的指令进行译码，CPU根据这些代码确定输出的控制信号。
数据指针寄存器，它是16位寄存器，分为高位字节和低位字节，用来访问外部的RAM和ROM。
其引脚和功能如下
1．VCC（40）：
电源+5V。
2．VSS（20）：
接地，也就是GND。
3．XTL1（19）和XTL2（18）：
振荡电路。
单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。
4．PSEN（29）：
片外ROM选通信号，低电平有效.
5．ALE/PROG（30）：
地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。
6．RST/VPD（9）：
复位信号输入端/备用电源输入端。
7．EA/VPP（31）：
内/外部ROM选择端。
8．P0口（39-32）：
双向I/O口。
9．P1口（1-8）：
准双向通用I/0口。
10．P2口（21-28）：
准双向I/0口。
11．P3口（10-17）：
多用途口。
I/O就是英文IN/OUT的缩写，（就是输入/输出的意思），这32个I/O口就是留给我们作连接外围电路用的。
2.3单片机最小系统
单片机最小系统是指这样配置后的单片机能够正常工作，且其使用的元器件是最少的。
单片机最小系统由单片机、电源电路、时钟振荡电路和复位电路构成。
电源电路给单片机提供可靠的电源，由于单片机使用的是5V电，所以电源应该能将外部电源转换为5V电压。
晶振电路是给单片机提供基本的时序，这个时序是单片机中各个部分统一协调工作、不发生混乱的保证。
晶振的速度决定了单片机工作的速度，单片机中执行一条代码的时间为一个机器周期，它包含了6个状态周期，而一个状态周期包含2个振荡周期，即执行一条代码需要12个周期。
一般购买产品的时候大家都会选择速度最快的电子产品，认为速度越快越好，但是单片机工作时，越高的工作频率也意味越高的损耗，因此选择晶振频率时，以完成需要的功能为前提，选择最小的频率。
复位电路的作用是给单片机回到一个初始状态，这样其中的寄存器等设备均有一个确定的起始状态，另外有时候程序写的不好，单片机程序跑飞的时候，也需要复位，使程序从头开始执行。
复位电路分为上电复位和外部复位两种。
第三章步进电机调速系统电路设计
3.1L297步进电机控制器
L297是步进电机专用控制器，能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机。
其实物图如图所示。
能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。
这个芯片使用了SGS公司的AD兼容I2L技术。
它的引脚图如图所示
各个引脚的功能和说明如下：
1脚（SYNC）——斩波器输出端。
如多个297同步控制，所有的SYNC端都要连在一起，共用一套振荡元件。
如果使用外部时钟源，则时钟信号接到此引脚上。
[2]
2脚（GND）——接地端。
3脚（HOME）——集电极开路输出端。
当L297在初始状态（ABCD=0101）时，此端有指示。
当此引脚有效时，晶体管开路。
4脚（A）——A相驱动信号。
5脚（INH1）——控制A相和B相的驱动极。
当此引脚为低电平时，A相、B相驱动控制被禁止；当线圈级断电时，双极性桥用这个信号使负载电源快速衰减。
若CONTROL端输入是低电平时，用斩波器调节负载电流。
6脚（B）——B相驱动信号。
7脚（C）——C相驱动信号。
8脚（INH2）——控制C相和D相的驱动级。
作用同INH1相同。
9脚（D）——D相驱动信号。
10脚（ENABLE）——L297的使能输入端。
当它为低电平时，INH1，INH2，A，B，C，D都为低电平。
当系统被复位时用来阻止电机驱动。
11脚（CONTROL）——斩波器功能控制端。
低电平时使INH1和INH2起作用，高电平时使A，B，C，D起作用。
12脚（Vcc）——+5V电源输入端。
13脚（SENS2）——C相、D相绕组电流检测电压反馈输入端。
14脚（SENS1）——A相、B相绕组电流检测电压反馈输入端。
15脚（Vref）——斩波器基准电压输入端。
加到此引脚的电压决定绕组电流的峰值。
16脚（OSC）——斩波器频率输入端。
一个RC网络接至此引角以决定斩波器频率，在多个L297同步工作时其中一个接到RC网络，其余的此引角接地，各个器件的脚I（SYNC）应连接到一起这样可杂波的引入问题如图5所示。
17脚（CW/CCW）—方向控制端。
步进电机实际旋转方向由绕组的连接方法决定。
当改变此引脚的电平状态时，步进电机反向旋转。
18脚（CLOCK）——步进时钟输入端。
该引脚输入负脉冲时步进电机向前步进一个增量，该步进是在信号的上升沿产生。
19脚（HALF/FULL）——半步、全步方式选择端。
此引脚输入高电平时为半步方式（四相八拍），低电平时为全步方式。
如选择全步方式时变换器在奇数状态，会得到单相工作方式（单四拍）。
20脚（RESET）——复位输入端。
此引脚输入负脉冲时，变换器恢复初始状态（ABCD=0101）。
L297芯片中有两个PWM产生器，其共有一个脉冲振荡器。
PWM产生器由一个比较器、一个触发器和一个电阻组成。
最后输出恒定速率的PWM波形。
其可以产生3种方式的驱动脉冲：
单四拍，双四拍和四相八拍。
其控制十分简单，只需要控制方向引脚（17脚）的电平就能控制输出不同方向的控制脉冲。
而时钟脚（18脚），控制输入这个脚的脉冲频率，就能控制芯片输出脉冲信号的频率，从而调节电机转动的速度。
3.2L298N电机驱动芯片
L298N是一种电机驱动芯片，逻辑部分5v供电，接受5vTTL电平。
其最高可以支持46V的供电电压。
最大的输出驱动电流高达4A。
还具有低的饱和电压，温度过高时能够保护。
是一种高电压，大电流的双全桥设计的驱动芯片。
他可以驱动感性的负载如步进电机。
其引脚图如图所示。
IN1-4是输入端口，OUT1-4是输出端口，ENA和ENB是使能端口。
3.3显示电路设计
显示电路采用液晶显示器。
对于液晶显示屏，大家应该都是很熟悉的。
早在1968年，美国的RCA公司就发现液晶分子根据电压改变排列的特性，研发了世界第一台液晶显示器。
后来，液晶显示器逐渐用在了计算器、电子表、手机、MP3、医用仪器上面。
实际上液晶的发现比真空管还早，不过商用迟。
虽然液晶显示器是由RCA公司发明，不过后来是由日本的两家显示器巨头索尼和夏普公司发扬光大的。
液晶显示器本身不发光，需要外界光照射在其上面才能显示，是被动显示器。
其结构包括上偏振片，上电极板，电极，下电极板，下偏振片、反射板。
其显示原理是：
光线通过偏振片进入电极，碰到反射板再反射，通过电极扭曲成不同形状，控制反射的光，达到不同的反射效果。
分类：
1按照电光效应分：
可以分为点场效应类、电流效应类和电热效应类。
2按照显示内容分：
字段式，点阵字符式，点阵图等.点阵字符式内置192个字符，有数字、字母和标点等。
显示的行数有1、2、4行。
每行可以显示8个、16个、20个等字符。
3按照采光方式分：
带背光源的显示器、不带背光源的显示器。
3.3.1LM016L液晶模块
LM016L采用了HD44780控制器。
其与单片机通信既能采用4位，也能采用8位。
HD44780控制器由两个8位寄存器、指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）、忙标志（BF）、显示数据RAM（DDRAM）、字符发生器ROM（CGROM）、字符发生器RAM（CGRAM）、地址计数器（AC）。
IR用于寄存指令码，只能写入不能读出；DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入显示数据RAM和字符发生器ROM，或者暂存从显示数据RAM和字符发生器ROM读出的数据。
BF为1时，液晶模块处于内部处理模式，不响应外部操作指令和接受数据。
显示数据RAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码。
字符发生器ROM由8位字符码生成5*7点阵字符160种和5*10点阵字符32种。
字符发生器ROM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节。
可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符。
LM016L引脚：
VSS接0V，VDD接5V。
RSH/L，H为数据信号，L为指令信号。
RWH/L，H为读数据，L为写数据。
E高电平为使能信号。
DB0-7为数据线。
对LM016L的控制指令有：
清除显示、地址归位、输入模式设定、显示开/关控制、功能设定、设定CGRAM的地址、设定DDRAM的地址、写DDRAM/CGRAM、读忙标志和地址以及从DDRAM和CGRAM中读数据。
3.4按钮
按钮时用来发指令或者开关电路的设备。
其工作原理是（以常开按钮为例）：
按钮按下前，电路断开，按钮按下后，电路接通。
按照需要，一个按钮可以有很多个触头。
按钮都用途很多，如日常的开关灯、开关电子设备、车床的启动停止，吊车的启动和停止等等。
按钮一共由按键、动作触头、复位弹簧、按键盒4个部分组成。
在电气图中，用SB表示。
3.5电源电路
本设计并没有采用电源模块给单片机供电，因为稳压电源模块一般都要几十元，提高了制作成本。
而USB插口已经普及，且其除了数据传输功能外，还具有提供单元的功能，其电源是5V，刚好适用于单片机。
USB口有很多形状，现在用的主要是A型USB和B型USB。
尤其是A型USB正在进一步替代B型USB。
供电电路如图
图4-6USB电路图
USB线通过USB接口，将5V电传到板子上，给单片机，电机驱动芯片和LCD等设备供电。
第4章软件设计
完成硬件电路的搭建后，需要进行程序的编写，只有硬件与软件联调合适才能实现需要的功能。
本章将进行软件程序的设计。
4.1主程序设计
主程序主要是进行系统各个部分的初始化和调用各个子程序。
主程序流程图如图所示。
图主程序流程图
程序开头实现进行定时器的设置，用于电机速度的控制。
然后调用速度计算子程序，电机的转速取决于电机的原来的转动速度和按下加速按钮或是减速按钮。
电机驱动子程序给电机驱动芯片引脚高电平信号，同时给相应的频率的驱动脉冲，控制电机转速。
显示子程序实现电机转速和正反转状态的液晶显示。
4.2速度运算子程序
在此子程序中，单片机会进行四个电机控制按钮的引脚的电平，根据按下的信号，进行电机正和反转的驱动和转速的控制。
程序首先检测4个按钮的电平状态，当加速、减速、正转、反转按钮按下时，分别进行相关操作。
然后根据现在的转速，给电机驱动芯片正反转电平信号，和目前速度对应的驱动频率信号。
4.3显示子程序
该子程序中主要进行显示模块的初始化，然后给液晶模块发送显示的位置和显示的信息。
首先检测LCD是否繁忙，忙则继续检测。
否则发送显示坐标，然后把在速度计算子程序中得到的转动方向和转动速度发送给LCD。
方向和速度值均采用查表方式得到显示。
第五章Proteus仿真
5.1Proteus简介
Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司开发的EDA软件。
这款软件融合了单片机仿真、PCB电路设计到虚拟模型仿真的整个设计体系，使用十分方便。
这款软件在国内由广州风标电子公司代理，在国内的推广时间较短，但是由于其功能的强大和完备，已经获得了广大单片机爱好者的青睐，广受好评。
该软件支持很多处理器型号，如8051、HC11，AVR等。
2010年还加入了DSP系列，使其功能更加完备。
5.2Proteus仿真
本设计采用了AT89C51单片机作为控制核心，该单片机型号在Proteus库里，因此可以使用其进行仿真。
首先是对电路有个大概的构图。
然后按照思路，将需要的元器件拖入软件的工作区。
画图时应该从单片机最小系统开始画，先把它的复位电路和晶振振荡电路等画好。
图5-1复位与晶振电路图
本设计将P3.2、P3.3、P3.4、P3.5四个引脚作为电动机的控制按钮，分别为加速、减速、正转和反转按钮。
这几个引脚通过电阻接VCC，平时为高电平，当按钮按下时，为低电平。
对于显示模块，数据引脚与单片机的P1脚相连，控制端RS、RW和E分别与单片机加的P2.0、P2.1、P2.2相连。
电动机驱动芯片L297接线如图所示。
使能端ENABLE上拉。
正反转端口接单片机的P00，时钟端口接单片机的P01。
输出端口接电机驱动芯片L298的数据输入端口IN1-4。
当正反转引脚（17脚）收到不同的信号时，其输出端ABCD输出不同顺序的驱动信号给电机驱动芯片，使步进电机按照不同的方向旋转。
步进电机控制器L297接线如图所示。
输入信号IN1-4分别接电机驱动芯片L298N的ABCD输出引脚。
5V电源给芯片供电，12V电源是给步进电机的驱动。
输出OUT1-4分别与步进电机的四个引脚相连。
整个电路搭建好后，双击图中的单片机，在其中导入好的程序的HEX文件。
然后就能进行仿真了。
仿真控制开关在左下角。
图仿真按钮图
仿真开始时，速度初始值为120。
初始转动方向为正向（CW）。
当按下加速按钮后
电机转速加快，同时LCD显示速度为125，每次按键，速度值以5为单位加减。
再次按下加速键后，速度为130.
按下减速键，速度减少5，为125
按下反向按钮，电动机转动方向改变，同时LCD显示转动状态为反向旋转（CCW）。
结论
本设计采用了51单片机作为主控芯片，L297和L298N作为电机控制芯片，LM016作为转动状态和速度显示器，设计了一个电机控制系统，能够实现正反转，加速和减速的功能。
通过Proteus仿真验证了本设计的正确性。
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