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1、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

2、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 11.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计11.1.1 系统总体设计框图 11.1.2 8051 单片机简介11.1.3 单片机系统中所用其他芯片简介 31.1.4 8051 单片机扩展电路及分析51.2 PWM信号发生电路设计81.2

3、.1 PWM的基本原理81.2.2 PWM信号发生电路设计81.2.3 PWM发生电路主要芯片的工作原理101.3 功率放大驱动电路设计121.3.1 芯片IR2110性能及特点121.3.2 芯片IR2110引脚图及功能121.4 主电路设计151.4.1 延时保护电路 151.4.2 主电路 151.4.3 输出电压波形 171.5 测速发电机 171.6 滤波电路 171.7 A/D 转换 181.7.1 芯片ADC0809介绍181.7.2 ADC0809 的引脚及其功能 182.直流调速系统 202.1 直流调速系统概述 202.2 单闭环直流调速系统 202.3 开环系统机械特性和

4、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1.1.2 8051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1.2 8051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

5、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00H7FH。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80HFFH。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：80

6、51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1.3 8051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74LS37374LS373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1.4 74LS373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

7、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1.5 74LS37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LLVCCH数据输出维持H*VCC*高阻编程LHVPPL数据输入编程校验LLVPPH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/O0I/O7未选中H*高阻未选中*L*高阻输出禁止LHHH高阻读LHLH

8、数据输出写LHHL数据输入写LHLL数据输入表1.2 芯片功能表1.1.4 8051单片机扩展电路及分析图1.8 8051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

9、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P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2外中断0输入P3.3外中断1输入P3.4T0计数器0计数输入P3.5T1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1.3 P3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，8051C

10、PU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1/6 fOSC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

11、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。1.2 PWM信号发生电路设计1.2.1 PWM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

12、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

13、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。1.2.2 PWM信号发生电路设计图1.10 PWM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

14、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Q2Q9，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Q2Q9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（AB）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（AB）输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2Q9由全“1”变为全“0”时，图中

15、U2的（AB）输出端又变为低电平，这样就在U2的（AB）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。1.2.3 PWM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

16、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、B3A2、B2A1、B1A0、B0ABABA3B3*1001A3=B3A2B2*1001A3=B3A2=B2A1B1*1001A3=B3A2=B2A1=B1A0B0*1001A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0001001A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0010010A3=B3A2=B2A1=B1A0B0100100A3=B3A2=B2A1B1*100A3=B3A2B2*100A3B3*100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

17、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：-0.5V18V输入电压范围：-0.5VVDD+0.5V输入电流范围：10mA贮存温度范围：-65C150C（2）芯片4040引出端功能符号：CP: 时钟输入端 CR：清除端 Q0Q11：计数脉冲输出

18、端 VDD: 正电源 VSS: 地端（3）芯片4040功能表：输入输出CPCR*LLH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

19、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。1.3.2 IR2110的引脚图以及功能引脚1

20、（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10K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

21、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。

22、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：1IR2110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150C工作温度范围TA：-40至1

23、25C允许最高结温Tjmax：150C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/s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1.6W2IR2110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

24、源电压VDD： Vss+5V至Vss+20V逻辑电源参考电压Vss： -5V至+5V图1.13 IR2110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

25、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

26、。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

27、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 = ( 2 t1 T ) V / T = ( 2D 1 )V定义负载电压系数为，= Vout / V, 那么 = 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01之间变化，因此在1之间变化。如果我们联系改变，那么便可以实现电机正向的无级调速。当=0.5时，Vout=0,此时电机的转速为0；当0.51时，Vout为正，电机正转；当=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1.151.5 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