论文范文基于单片机的步进电机驱动电路及程序设计

论文类型：论文范文

论文字数：

论点：步进,电动机,单片机

论文概述：

这篇论文论述的是基于单片机的步进电动机的驱动电路与程序设计，主要从步进电动机的驱动电路设计、程序设计两个方面进行论述。本论文是由硕博论文网毕业论文中心机械论文频道

论文正文：

前言:本文主要从步进电机的驱动电路设计和程序设计两个方面论述了基于单片机的步进电机驱动电路和程序设计。本论文由硕博纸网毕业论文中心机械论文频道组织和提供。

基于单片机的步进电机驱动电路及编程
文摘:论述了基于单片机的步进电机控制。结合步进电机驱动系统，以单片机为控制器核心器件，从硬件驱动电路和软件驱动程序两个方面阐述了步进电机的设计和组成，从而控制步进电机的运动，实现工作台的进给。

关键词:单片机步进电机驱动

步进电机是一种机电致动器，它将电脉冲信号转换成相应的机械角位移。它具有控制简单、运行可靠、无累积误差等优点，因此得到了广泛的应用。步进电机的控制通常由控制器完成。各种逻辑电路可以实现简单的控制过程，但电路复杂，成本高，更换不方便。微处理器的出现为步进电机控制器的研究开辟了一个新的领域。自20世纪70年代美国飞兆公司开发的第一台单片机F8问世以来，单片机以惊人的速度在各个领域得到了发展和普及，为设计功能强大、价格低廉的步进电机控制提供了先进的技术和丰富的资源。该结构以单片机为控制器核心，不仅提高了系统的可靠性，使其功能更易于增强和扩展，而且减少了硬件电路，有效降低了步进电机控制器的成本。
本文设计的步进电机驱动系统主要实现工作台的进给运动。单片机输出的进给脉冲的数量、频率和方向，在驱动控制放大电路和步进电机后，可以通过机械传动机构转换成工作台的位移、进给速度和进给方向，满足数控系统对位移控制的要求。

首先，步进电机驱动电路的设计
根据步进电机的工作原理，为了保证其正常工作，控制器发出的微弱电流信号必须被步进电机的驱动电路转换放大成强电信号，这样脉冲电流达到1 ~ 10a，足以驱动步进电机旋转。步进驱动电路主要由环形脉冲分配器和功率放大器组成。
1。环形脉冲分配器
用于从控制器接收阴极保护脉冲，以控制步进电机的通电模式。环形脉冲分布可以通过硬件和软件两种方法实现。由于这种设计使用单片机控制步进电机的旋转，只需要软件编程，即单片机的并行端口用于循环输出按一定顺序排列的控制代码，这些代码通过放大驱动电路发送到步进电机各相绕组的输入控制端。由于数控装置中三个电机的驱动模式完全相似，因此仅以一个X方向步进电机为例进行说明。控制器微控制器的P2.0~P2.3端口分别通过ULN2003A连接到X方向步进电机的A、B、C、D四相绕组控制端子，选择单相励磁方式。如果以正向顺序读取控制信号代码，电机可以正向旋转，如果以反向顺序读取控制信号代码，电机可以反向旋转。[这篇文章来自论文之家:www.papershome.com，请保留这个标记以便重印]同时，如果每个输出代码的持续时间改变，电机的转速也可以改变。
2。功率放大器
微机或环形脉冲分配器输出的信号通常只有几毫安的脉冲电流，不能直接驱动步进电机，因此必须使用功率放大器放大脉冲电流。有许多驱动电路与步进电机相匹配，现在主要使用特殊的集成驱动电路。设计采用ULN2003A芯片。ULN2003A是高耐压、大电流达林顿阵列、单片双极高功率高速集成电路和可控高功率器件。单片机的输入输出端口可以直接与单片机接口，实现驱动控制。设计中，单片机的端口P0.0~P0.3和P0.4~P0.7分别通过74LS245的端口A0 ~ a3和a4 ~ a7，分别对应两个ULN2003A的1b ~ 4b输入端口。信号脉冲通过端口P0发出，然后控制y和z方向的电机。其中，74LS245是一款具有三态输出的8通道同相双向总线收发器，是一款通用总线驱动芯片。使用它可以增加P0端口的扇出能力。单片机的P2.0~P2.3引脚直接连接第三功率放大器ULN2003A的1B ~ 4B输入端口，通过发送信号脉冲控制电机在X方向。使用步进电机时，只需给P0和P2端口不同的值，使X、Y、Z方向的步进电机能够实现相应的动作，从而控制工作台的运动。
3。光电隔离电路
为了保证信号传输质量，有效抑制干扰，提高系统的可靠性，利用光电耦合器件4N25在单片机和功率放大器ULN2003A之间形成光电隔离电路。其目的是切断单片机和步进电机驱动电路之间的电气连接，使它们相互独立，以防止在大电流和感性负载下工作的驱动电路产生的干扰信号通过输出通道逃逸回控制系统，影响单片机的正常运行。同时，因为ULN2003A本身是一个7路反相器，所以在光耦合器和ULN2003A之间增加了一个非门元件。

二、步进电机的驱动器设计
工作台的驱动元件选择步进电机，步进电机的转角、转速和方向由输入电脉冲信号的数量和频率以及电机绕组的通电顺序控制，因此电机的旋转实际上是由单片机的输出信号决定的。同时，由于负载和惯性的作用，步进电机在启动时也可能出现失步和停止时出现前冲现象。因此，为了保证定位精度，步进电机的运行速度需要加速-恒速-减速-停止的要求，以使其运行稳定、准确。
在设计中，步进电机的加速和减速模式选择为直线均匀加速和均匀减速。采用软件程序延迟法确定步进脉冲的周期。通过顺序改变步进电机旋转控制子程序的延迟时间，从而有规律地改变输出步进脉冲频率，可以实现均匀加速和均匀减速。在系统运行过程中，程序将均匀加速和均匀减速延迟时间表的第一个地址设置为TABT，R7为存储索引寄存器数据的工作单元，并使用movca，@A+DPTR指令找出延迟时间常数并发送给寄存器R4。通过定期改变R4工作单元的延迟时间常数，改变单片机输出的步进脉冲频率，从而实现电机调速的目的。
以下是电机均匀加速延迟子程序的内容:
run1: movdptr，# tabt
mova，r7
movca，@ a+dptr
movr4。
lcalldel 1调用加速和减速延迟子程序
incr7
ret
在启动电机之前，应用程序计算总步进数，将加速脉冲数、减速脉冲数和恒速脉冲数分别存储在NN0、NN2和NN1寄存器中，然后调用电机旋转子程序。电机每走一步，就必须判断步数。在电机匀速加速过程中，decNN0指令始终用于执行NN0减1操作。当它降低到0时，意味着加速过程完成，进入恒速运行阶段。电机恒速运行时，采用借位减法实现负1功能，始终执行NN1减1操作。当它降低到0时，恒速过程结束，并且转移均匀减速操作阶段。在电机均匀减速的过程中，decNN2指令始终用于执行NN2减1的操作。当它降低到0时，这意味着减速过程结束并且已经到达预定位置。电机停止，电机停止标志设置为1。

参考资料:
[1]郑骁锋。数控技术及其应用[。北京:机械工业出版社，2008。
[2]张建民。机电一体化系统设计[。北京:高等教育出版社，2003。
[3]卞春媛，王志强。MCS-51单片机应用开发实用子程序[。北京:人民邮电出版社，2005。