步进电机控制报告

目录

引言................................................................................................................................ 1

一  系统技术指标........................................................................................................ 2

二   总体方案.............................................................................................................. 2

2.1 任务分析......................................................................................................... 2

2.2 总体方案......................................................................................................... 2

三  硬件电路设计........................................................................................................ 3

3.1  单片机控制单元........................................................................................... 3

3.2  nokia5110液晶显示单元............................................................................ 3

3.3  电机的选择................................................................................................... 4

3.3.1 反应式步进电机（VR）..................................................................... 4

3.3.2 永磁式步进电机（PM）..................................................................... 5

3.3.3  混合式步进电机（HB）................................................................... 5

3.3.4  电机确定............................................................................................. 5

3.4  驱动电路方案选择....................................................................................... 5

3.4.1  单电压功率驱动................................................................................. 5

3.4.2  双电压驱动功率驱动.......................................................................... 6

3.4.3   高低压功率驱动............................................................................... 6

3.4.4  斩波恒流功率驱动............................................................................. 7

3.4.5  集成功率驱动...................................................................................... 8

3.4.6  驱动电路方案确定............................................................................. 9

3.5  键盘电路....................................................................................................... 9

四  软件设计.............................................................................................................. 10

五  测试结果.............................................................................................................. 12

六  误差分析.............................................................................................................. 12

七  操作规范.............................................................................................................. 12

引言

本系统是基于MSP430的步进电机控制系统，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MSP430F449作为控制单元，通过矩阵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，以及位移动态显示在LCD液晶显示屏上。硬件主要包括单片机系统、电机驱动电路、矩阵键盘、LCD显示等。

一  系统技术指标

系统为开环伺服系统，执行元件为步进电动机，传动机构为丝杠螺母副。工作台脉冲当量：δ=0.01 mm /脉冲；最大运动速度=1.2m/min；定位精度=±0.01 mm；空载启动时间=25ms。

二   总体方案

2.1 任务分析

     本系统要求脉冲当量为δ=0.01 mm /脉冲，而工作台丝杠螺母副导程4mm，即电机转动一周需要400个脉冲，所以电机的步距选择0.9度；最大速度要求为1.2m/min（20mm/s），所以单片机输出的脉冲频率最大为2000Hz；空载启动时间为25ms，所以电机的启动频率为40Hz。

2.2 总体方案

根据系统要求，经过分析，可对MSP430F449单片机编程，实现按键控制和nokia5110液晶屏显示。由于MSP430F449的I/O的电压是3.3V，不符合L298驱动芯片的输入电压要求，固通过光耦隔离芯片TLP521-4，将I/0的3.3V电压提升至5V，然后接进L298来控制电机的定位，加减速，正反转来实现精确

系统总体框图如图1所示：

 图1  精密工作台控制系统总体框图

三  硬件电路设计

3.1  单片机控制单元

单片机采用MSP430F449作为控制单元，MSP430是德州公司新开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机,由于其性价比和集成度高,它采用16位的总线,外设和内存统一编址,寻址范围可达64K,还可以外扩展存储器.具有统一的中断管理,具有丰富的片上外围模块,片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟,支持8M 的时钟.由于为FLASH型,则可以在线对单片机进行调试和下载,且JTAG口直接和FET(FLASH EMULATION TOOL)的相连,不须另外的仿真工具,方便实用,而且,可以在超低功耗模式下工作,对环境和人体的辐射小,测量结果为100mw左右的功耗(电流为14mA左右),可靠性能好,加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境,适合与做手柄之类的自动控制的设备.我们相信MSP430单片机将会在工程技术应用中得以广泛应用,而且,它是通向DSP系列的桥梁,随着自动控制的高速化和低功耗化。

3.2  nokia5110液晶显示单元

    Nokia5110采用PHILIPS PCD8544驱动芯片驱动， Nokia5110可以显示

15个汉字，30个字符。Nokia5110通信协议是一个没有MISO只有MOSI的

SPI协议，如果单片机有富裕的SPI接口，也可以利用硬件SPI，但通常只需要

软件程序模拟即可。  Nokia5110工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式，适合电池供电的便携式移动设备。

电路如图2所示：

图2 液晶接口电路

SPI接口时序写数据/命令时序如图3 所示：

图3 串行总线协议

3.3  电机的选择

3.3.1 反应式步进电机（VR）

反应式步进电机（VR）也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到10’）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。

3.3.2 永磁式步进电机（PM）

    通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。

3.3.3  混合式步进电机（HB）

    也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电动机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；

步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电动机。

3.3.4  电机确定

    本系统主要是应用与精密工作台的控制，且速度不是很高，所以选用四相混合式步进电机57BYGH210，各项参数如表 1所示：

表1  57BYGH210电机参数

3.4  驱动电路方案选择    

     步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步

进电机驱动器来进行驱动，主要有一下几种方式：

3.4.1  单电压功率驱动

   单电压功率驱动接口电路及单步响应曲线如下图所示：

     图4 单电压功率驱动接口电路             图5单步响应曲线

3.4.2  双电压驱动功率驱动

电路如图所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路 双电压功率驱动接口时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。

    双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL驱动，而在高

速（高频段）时用较高的电压UH驱动。这种功率接口需要两个控制信号，Uh

为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。功率管TH和二极管DL构

成电源转换电路。当Uh低电平，TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。

反之Uh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。这种电路可使电

机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。

3.4.3   高低压功率驱动

                          

图6 高低压功率驱动电路

高低压驱动的设计思想是，不论电机 高低压功率驱动接口工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，如图所示。图中，高压管VTH的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取1~3ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。

3.4.4  斩波恒流功率驱动

    恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有 图6 斩波恒流功率驱动接口恒转矩输出特性。这是使用较多、效果较好的一种功率接口。图6是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流不大时，VT1和VT2同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，VT2被封锁，电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管VD续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，VT2导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波。

图7  斩波恒流功率驱动电路

3.4.5  集成功率驱动

L298芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压，相电流高达2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的逻辑电路使用5V电源，功放级使用5~46V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。L298特别适用于对二相或四相步进电机驱动。电路如下图所示：

图8 L298驱动电路图

3.4.6  驱动电路方案确定

  驱动单元采用L298是一种双全桥步进电机专用驱动芯片，内部包含四信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机驱动内含两个H-桥的高电压，大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑信号，可驱动46V，2A以下的步进电机。四个输入端可控制电机的正反转，四个输出端直接和步进电机相连，ENABLE控制电机的停转。本系统用的是四相步进电机，所以采用L289电机专用驱动芯片来驱动。

3.5  键盘电路

图9 矩阵键盘电路

功能说明：

0~9：输入数字，作为速度、位移的初始值；

#：启动电机向前移动；

*：启动电机向后移动；

A：初始状态下，按下该键，进入位移输入模式；

B：初始状态下，按下该键，进入速度输入模式；

C：原始状态。

四  软件设计

软件系统采用模块化结构设计。主要由一个主程序、延时子程序、nokia5110液晶驱动子程序、矩阵键盘扫描子程序等组成。在主函数中通过子函数调用的方法来实现对步进电机的控制，可以实现电机转向、移动距离、速度的设定及控制，从而控制精密工作台移动。同时在nokia5110液晶屏上显示距离、速度、当前的工作状态。

程序流程图如9所示：

   

图9 程序流程图

五  测试结果

     经测试，该系统可实现速度、位移的设定，并能按照设定的指标移动到相应的位置，移动速度范围为：0.01~10mm/s。

六  误差分析

由于，其中0.01mm所含位移误差是丝杠螺母副的导程误差，属于系统误差，为缩小误差的误差应尽量减小。

     步进电机在运行时本身存在步距角误差，一般在3%-5%间，并且误差不累计，即误差角度在0.027度到0.045度，位移误差在0.0003mm到0.0005mm。

由于步进电机的步距角误差，位移也有一定的偏差，但满足系统0.01mm精度的要求；同时，由于丝杠螺母副等其他传动误差的存在，对位移的精度也会造成一定的影响。

七  操作规范

步骤：

1、打开供电电源，显示出开机界面；

2、按下‘A’进行电机移动距离的设置；按下‘B’进行电机移动速度的设置；

3、速度、位移设置好后，按下‘C’工作台开始向前以设定的速度移动，或者按下‘D’工作台开始向后以设定的速度移动，当工作台移动到设定的位移即停止，等待重新输入位移、速度。