基于ARM的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

PAGE18目錄1引言 12半導(dǎo)體STM32單片機簡述 12.1STM32功能特性概述 13步進(jìn)電機的特點 23.1步進(jìn)電機驅(qū)動方法及軟硬件實現(xiàn) 23.2步進(jìn)電機控制原理 34.總體設(shè)計方案 44.1設(shè)計思路 44.2硬件設(shè)計方案 44.2.1ARM控制程序 54.3復(fù)位電路 54.5控制電路 64.6步進(jìn)電機驅(qū)動電路 74.7系統(tǒng)軟件程序設(shè)計 75.實習(xí)結(jié)論 8參考文獻(xiàn) 9附錄1驅(qū)動電路PCB 10附錄2主程序 11基于ARM的步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動控制設(shè)計1引言步進(jìn)電機能將輸入的電脈沖信號轉(zhuǎn)換成輸出軸的角位移或直線位移。這種電機每輸入一個脈沖信號，輸出軸便轉(zhuǎn)動一定的角度或前進(jìn)一步，因此又被稱作脈沖電機或步級電機。步進(jìn)電機輸出軸的角位移量與輸入脈沖數(shù)成正比，不受電壓以及環(huán)境溫度的影響，也沒有累積的定位誤差，因此控制輸入的數(shù)字脈沖數(shù)即可實現(xiàn)電機的精確定位；而步進(jìn)電機輸出軸的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比，控制輸入的脈沖頻率就能準(zhǔn)確的控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)在寬廣的范圍內(nèi)精確調(diào)速。由于步進(jìn)電機的這一特點正好符合數(shù)字控制系統(tǒng)的要求，同時電子技術(shù)的發(fā)展也解決了步進(jìn)電機的電源問題。因此隨著計算機技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的應(yīng)用也日益廣泛。目前，步進(jìn)電機應(yīng)用于磁盤驅(qū)動器、數(shù)控機床、軋鋼機、機器人、以及自動化儀表等方面。2半導(dǎo)體STM32單片機簡述STM32采用ARM公司最新的Cortex-M3內(nèi)核，具有運行速度高、處理能力強、外設(shè)接口豐富等特點。由于其低廉的價格和很強的控制、運算性能，被廣泛運用于電機控制。其具體性能指標(biāo)如下：1)工作頻率：最高72MHz;工作溫度范圍：-40～+85℃;寬電壓供電：2.0～3.6V;2)128k字節(jié)的閃存存儲器和16k的SRAM;3)12位16通道AD轉(zhuǎn)換器具有雙采樣和保持功能，轉(zhuǎn)換時間最短1μs。4)3個16位通用定時器，每個定時器有多達(dá)4個通道，用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖輸出;1個16位帶死區(qū)控制盒緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器。2.1STM32功能特性概述STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARMCortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5mA/MHz。圖1STM32B2M103X3步進(jìn)電機的特點步進(jìn)電機具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點，因此具有瞬間起動與急速停止的優(yōu)越特性。步進(jìn)電動機與一般的電動機不同，只接電源時不能轉(zhuǎn)動，每加次脈沖信號后僅轉(zhuǎn)動一定的角度。它可以精確地控制轉(zhuǎn)動的角度，還可以實現(xiàn)開控制，其控制精度也很高。而且輸出的轉(zhuǎn)角或位移精度高，誤差不會積累；更重要的是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以直接驅(qū)動機器人的關(guān)而不需要減速裝置。因此，雖然直流電機伺服系統(tǒng)、交流電機伺服系統(tǒng)在計算機控制系統(tǒng)中被普遍地使用，步進(jìn)電機仍廣泛用于簡易數(shù)控機床、送料機構(gòu)、儀器、儀表等領(lǐng)域。3.1步進(jìn)電機驅(qū)動方法及軟硬件實現(xiàn)步進(jìn)電機驅(qū)動的組成包括變頻信號源、脈沖分配器和功率放大器部分。(1)脈沖信號：一般由時鐘芯片或單片機等產(chǎn)生，一般要求脈沖信號的頻率可變，以控制電機的轉(zhuǎn)速的變化。(2)控制信號：根據(jù)不同的步進(jìn)電機和實際需要，采用適當(dāng)?shù)目刂品绞健?3)驅(qū)動：功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩，取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流。平均電流越大電機力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電動勢。因而不同的場合采取不同的驅(qū)動方式。在這里的驅(qū)動是基于ARM的兩相步進(jìn)電機的驅(qū)動，也就是說軟件中我們是采用ARM進(jìn)行編程從而實現(xiàn)控制電機的轉(zhuǎn)動，從GPIO口輸出脈沖，由于發(fā)出的電流等都很小，要加一個功率放大電路再接到電機上，才能驅(qū)動電機轉(zhuǎn)起來。3.2步進(jìn)電機控制原理步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機28BYJ48型四相八拍電機，電壓為DC5V—DC12V。當(dāng)對步進(jìn)電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應(yīng)步進(jìn)電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進(jìn)電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A。。。），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。。。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。。。）我們用的四拍，所以接線配置為紅線接電源5V，橙色電線接PC口3腳，黃色電線接PC口2腳，粉色電線接PC口1腳，藍(lán)色接PC口0腳。由于ARM接口信號不夠大我們通過三極管放大放大電路再連接到相應(yīng)的電機接口，如下：表1電機控制相序表

橙

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粉藍(lán)

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1實驗所用電機：28BYJ-48步進(jìn)電機圖2步進(jìn)電機實物4.總體設(shè)計方案4.1設(shè)計思路在本設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)，主要利用ARM輸出信號的來控制電機的轉(zhuǎn)動，同時能夠調(diào)整轉(zhuǎn)速，控制轉(zhuǎn)向。通過改變給電機輸入脈沖信號波形的不同來改變電機的轉(zhuǎn)速；通過控制電機相序來控制電機轉(zhuǎn)向?？傮w設(shè)計框圖如下：圖3總的設(shè)計框圖4.2硬件設(shè)計方案步進(jìn)電機控制系統(tǒng)共分為四個模塊：ARM模塊、控制模塊、數(shù)碼顯示模塊、步進(jìn)電機驅(qū)動模塊。ARM最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路和時鐘電路組成。復(fù)位電路為ARM系統(tǒng)提供可靠復(fù)位，使ARM能正常啟動。時鐘電路采用外部時鐘方式，保證ARM個功能部件都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。步進(jìn)電機驅(qū)動模塊選用四NPN達(dá)林頓連接晶體管8050為步進(jìn)電機提供脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動。4.2.1ARM控制程序程序采用定時器中斷，利用定時器中斷時間的不同來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的變化。三洋SANYO步進(jìn)電機的步距角是1.8，即有48個脈沖為一周，設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速是每分25轉(zhuǎn)，即1200個脈沖一分，相當(dāng)于50ms每個脈沖。可列出知道定時器的常數(shù)與步進(jìn)電機關(guān)系。設(shè)定定時器的時間常數(shù)，當(dāng)定時時間到后，換到下個輸出腳。通過控制兩個引腳輸出脈沖的間隔時間，來進(jìn)行轉(zhuǎn)速的控制。4.3復(fù)位電路上電自動復(fù)位上電復(fù)位是加電瞬間電容充電來實現(xiàn)的。在通電瞬間，電容C通過電阻R充電，RST端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。（2）手動復(fù)位復(fù)位，是通過接通一個按鈕開關(guān)，使單片機進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。系統(tǒng)上電運行后，需要復(fù)位，一般過手動復(fù)位實現(xiàn)。具體復(fù)位電路如下：圖3復(fù)位電路4.4振蕩電路

OSCIN和OSCOUT分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。圖5振蕩電路4.5控制電路利用按鍵來控制電機的啟停，正反轉(zhuǎn)，加減速。當(dāng)一個按鍵接通后，I/O口出現(xiàn)一個負(fù)脈沖，通過內(nèi)部程序的設(shè)置，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)向、速度的控制。圖6按鍵電路4.6步進(jìn)電機驅(qū)動電路本系統(tǒng)采用三極管放大電路對步進(jìn)電機進(jìn)行驅(qū)動。由于我們使用的電機是線圈式的在從運行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)和從順時針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時針狀，態(tài)時會形成很大的反向電流，在電路中加入二極管的作用就是在產(chǎn)生反向電流的時候進(jìn)行泄流，保護(hù)芯片的安全。圖7分立驅(qū)動電路4.7系統(tǒng)軟件程序設(shè)計本設(shè)計采用通用性高的C語言程序編寫，根據(jù)程序編寫思路畫出如圖8圖8程序流程圖實習(xí)結(jié)論經(jīng)過老師耐心細(xì)致的指導(dǎo)，經(jīng)過近二個星期的努力，本次畢業(yè)設(shè)計課題步進(jìn)電機控制系統(tǒng)告一段落。步進(jìn)電機控制系統(tǒng)主要分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個部分：硬件設(shè)計主要是把ARM最小系統(tǒng)、控制模塊、步進(jìn)電機驅(qū)動模塊、等各個硬件功能模塊及其它元件合理搭配并連接起來使其能夠為軟件運行提供一個硬件平臺。軟件設(shè)計主要是通過編寫程序代碼，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。在系統(tǒng)上電復(fù)位后程序自動運行，通過接受查詢外部的按鍵參數(shù)值，控制步進(jìn)電機的啟停，以及轉(zhuǎn)速的增減和轉(zhuǎn)動方向的改變；本系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膶嵱霉δ?能基本符合實際應(yīng)用需求，通過這次課程設(shè)計，我從一開始對系統(tǒng)的不太熟悉，到能開發(fā)一個簡單的系統(tǒng)，在這整個過程中我學(xué)到了很多東西，掌握了一些常用的開發(fā)技能,也發(fā)現(xiàn)了大量的問題，有些在設(shè)計過程中已經(jīng)解決，有些還有待今后慢慢學(xué)習(xí)。只要學(xué)習(xí)就會有更多的問題，有更多的難點，但也會有更多的收獲。最后，在這次設(shè)計中，感謝老師對我們論文的指導(dǎo)和修改，感謝同學(xué)的幫助，感謝我的父母對我的無微培養(yǎng)，在此表示衷心的感謝！參考文獻(xiàn)[1]周立工.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2008[2]劉寶廷.步進(jìn)電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.1997。[3]陸春.步進(jìn)電機細(xì)分調(diào)速系統(tǒng)的研究[M].北京：北京交通大學(xué)碩士畢業(yè)論文.2003[4]松井信行.控制用電機入門[M].北京：科學(xué)出版社.2000[5]朱志堅.三種典型的步進(jìn)電動機驅(qū)動電路特性分析[J].新疆工學(xué)院學(xué)報.步進(jìn)電機驅(qū)動，1999,(26):12-15.[6]王鴻鈺.步進(jìn)電機控制技術(shù)入門[M].上海：同濟大學(xué)出版社.1996

附錄1驅(qū)動電路附錄2主程序/********************************************************************************文件名: main.c**版本： 1.0**工作環(huán)境: RealViewMDK-ARM4.20**作者: lifang**生成日期: 2013-3-28*******************************************************************************/*包含頭文件******************************************************************************/#include"stm32f10x.h"#include"key_led.h"#include"delay.h"/*類型聲明*//*宏定義*//*變量*/voidmotor_IS_STOP(void);voidmotor_TURN_EVEN(void);voidmotor_TURN_RISE(void);voidmotor_TURN_DROP(void);voidmotor_INVERTED_EVEN(void);voidmotor_INVERTED_RISE(void);voidmotor_INVERTED_DROP(void);/*******************************************************************************@函數(shù)名稱 main*@函數(shù)說明主函數(shù)*@輸入?yún)?shù)無*@輸出參數(shù)無*@返回參數(shù)無*****************************************************************************/intmain(void){ LED_GPIO_Config(); KEY_GPIO_Config(); RED_OFF; BLUE_OFF; YALLOW_OFF; ORANGE_OFF;while(1){if(KEY1_VALUE==0){ motor_IS_STOP(); KEY1_VALUE=1;}elseif(KEY2_VALUE==0){if(KEY4_VALUE==0) //反轉(zhuǎn) {if(KEY5_VALUE==0) //反轉(zhuǎn)加速 motor_INVERTED_RISE(); 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