機(jī)電小組論文-基于步進(jìn)電機(jī)DM5654C的單軸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)加減速設(shè)計(jì)

1、.前言電機(jī)及其控制在隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是電力電子技術(shù)、微機(jī)應(yīng)用和自動(dòng)控制理論的進(jìn)展，顯得越來(lái)越重要，電機(jī)不在只是要求其起停，還要求對(duì)速度、位移和轉(zhuǎn)矩的控制，使被驅(qū)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)符合預(yù)想的要求。本次機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，完成了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了單軸的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，用單片機(jī)最小系統(tǒng)通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)單軸的加速和減速控制，著重分析了步進(jìn)電機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)理論和方法，在本次硬件設(shè)計(jì)中采用了STM32f103的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的核心芯片L298N以及電平轉(zhuǎn)換電路，對(duì)步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊L298N的結(jié)構(gòu)和工作原理加深了理解，軟件設(shè)計(jì)使用的是編程軟件Keil5，實(shí)現(xiàn)對(duì)單軸

2、的控制，最后，進(jìn)行測(cè)試，用示波器測(cè)試脈沖的波形和幅值，測(cè)試結(jié)果可以帶動(dòng)電機(jī)，并使軸轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。1 設(shè)計(jì)的目的和要求1.1設(shè)計(jì)目的1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，并實(shí)現(xiàn)單軸的加減速。2）了解步進(jìn)電機(jī)DM5654C的參數(shù)。3）加深對(duì)STM32f103的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的核心芯片L298N的結(jié)構(gòu)和工作原理的理解。4）理解PWM脈沖波的原理，并用示波器測(cè)試。1.2設(shè)計(jì)要求內(nèi)容：設(shè)計(jì)基于步進(jìn)電機(jī)DM5654C的單軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)加減速。指標(biāo)：開(kāi)關(guān)電源的輸出12V-24V 脈沖波的頻率范圍10Hz<=f<=1000Hz2 系統(tǒng)的總體方案21總體方案的設(shè)計(jì)測(cè)量元件PC機(jī)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3、步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)本方案硬件采用STM32f103的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的核心芯片L298N和電壓拉升電路，軟件用編程軟件Keil5。系統(tǒng)的方案整體框圖如圖2.1圖2.1系統(tǒng)整體方案圖上位機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行通信，單片機(jī)最小系統(tǒng)產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片L298N驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)相應(yīng)的測(cè)量元件（光電編碼器）測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。下圖2.2是系統(tǒng)模塊搭建圖：圖2.2系統(tǒng)模塊搭建圖3 硬件的具體設(shè)計(jì)3.1步進(jìn)電機(jī)DM5654C本文采用的步進(jìn)電機(jī)為DM5654C, 是兩相4線的混合式步進(jìn)電機(jī). 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以看出, 步進(jìn)電機(jī)是依靠驅(qū)動(dòng)電路給其提供脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電

4、機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng), 理論上是步進(jìn)電機(jī)每得到一個(gè)脈沖信號(hào)就應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角, 但是實(shí)際應(yīng)用中, 如果脈沖信號(hào)變化太快, 由于慣性步進(jìn)電機(jī)將跟隨不上電信號(hào)的變化, 產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象, 所以步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí), 必須有升速過(guò)程, 在停止時(shí)必須有降速過(guò)程.本文所使用的步進(jìn)電機(jī)帶有減速比為100：1的減速器。3.2光電編碼器光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，是目前應(yīng)用最多的傳感器。一般的光電編碼器主要由光柵盤(pán)和光電探測(cè)裝置組成。在伺服系統(tǒng)中，由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)。

5、通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。本次設(shè)計(jì)采用的編碼器為157線。齒輪傳動(dòng)比1：4，電機(jī)轉(zhuǎn)4圈，編碼器4圈，編碼器輸出157個(gè)脈沖。3.3微控制器STM32f103STM32f103是中等容量增強(qiáng)型，32位ARM核心的帶有64或128K字節(jié)閃存的微控制器，含有USB、CAN、7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)ADC和9個(gè)通信接口。其實(shí)物圖如圖3.1：圖3.1開(kāi)發(fā)板STM32f103RC的實(shí)物圖STM32f103RC的引腳圖如下圖：圖3.2STM32f103RC的引腳圖功能：1） 內(nèi)核：ARM32位的CortexTM-M3 CPU，最高72MHz工作頻率，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問(wèn)時(shí)可達(dá)

6、1.25Mips/MHz,單周期乘法和硬件除法。2） 存儲(chǔ)器：從64K或128K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器；高達(dá)20K字節(jié)的SRAM。3） 時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理：2.03.6V供電和I/O引腳；上電/斷電復(fù)位；產(chǎn)生CPU時(shí)鐘的PLL；帶有校準(zhǔn)功能的32KHzRTC振蕩器。4） 快速的I/O端口：所有的I/O可以映像到16個(gè)外部中斷，幾乎所有端口均可容忍5V信號(hào)。5） 多達(dá)7個(gè)定時(shí)器：3個(gè)16位的定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖波計(jì)數(shù)，2個(gè)看門狗定時(shí)器。6） 低功耗：睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式的功耗低，VBAT為RTC和后備寄存器供電等。3.4驅(qū)動(dòng)模塊L298N是ST公司生產(chǎn)的

7、一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)物圖如圖3.3：圖3.3 L29

8、8N實(shí)物圖特點(diǎn)：1、具有信號(hào)指示；2、轉(zhuǎn)速可調(diào)；3、抗干擾能力強(qiáng)4、具有過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)；5、可單獨(dú)控制兩臺(tái)直流電機(jī)；6、可單獨(dú)控制一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)；7、PWM脈寬平滑調(diào)速；8、可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。3.5電平轉(zhuǎn)換電路電平轉(zhuǎn)換模塊比較簡(jiǎn)單，其功能是將控制模塊輸出的3.3v高電平轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)模塊能夠識(shí)別的5V高電平。其實(shí)物圖如圖3.3：圖3.3電平轉(zhuǎn)換實(shí)物圖電平轉(zhuǎn)換的電路圖如下：圖3.4 電平轉(zhuǎn)換電路圖工作原理：如上圖，電路接好之后，在輸入端口輸入3.3V的高電平，三極管導(dǎo)通，輸出口輸出低電平，當(dāng)輸入端口輸入低電平時(shí)，三極管截止，脈沖輸出口輸出高電平，即5V高電平。這樣就完成了電平上拉的作用。3.6 開(kāi)關(guān)電

9、源模塊本文我們采用的是型號(hào)為HX-60-12的開(kāi)關(guān)電源，輸出為12V的電壓，給驅(qū)動(dòng)板供電。3.6通信模塊目前RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采用不平衡傳輸方式，收發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)，是相對(duì)信號(hào)地。典型的RS-232信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在5V15V，負(fù)電平在-5V-15V；在接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收器的典型工作電平是3V12V和-3V-12V。9針串口引腳和25針串口引腳定義如表3-1所示。表3-19針串口引腳和25針串口引腳定義4 軟件的具體設(shè)計(jì)通過(guò)編程軟件Kei

10、l5,實(shí)現(xiàn)對(duì)單軸的控制，程序流程圖如圖4.1YYY開(kāi)始各模塊初始化輸出端口初始化增加定時(shí)時(shí)間減小頻率，減速KEY0KEY1KEY2減小定時(shí)時(shí)間增大頻率，加速關(guān)定時(shí)器，停電機(jī)NNN圖4.1 程序流程圖41主程序int main(void)u8 t;u32 v=100; Stm32_Clock_Init(9); /系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置delay_init(72); /延時(shí)初始化uart_init(72,9600); /串口初始化 LED_Init(); /初始化與LED連接的硬件接口 KEY_Init(); /初始化與按鍵連接的硬件接口RCC->APB2ENR|=1<<2; /使能POR

11、TA時(shí)鐘 GPIOA->CRL&=0X0FFFFFFF; GPIOA->CRL|=0X30000000;/PA7推挽輸出 GPIOA->ODR|=1<<7; /PA7 輸出高 LED0=1;while(1) t=KEY_Scan(0);/得到鍵值switch(t)case KEY0_PRES: v=v+10;TIM3_Int_Init(v,7199);/10Khz的計(jì)數(shù)頻率TIM3->CR1|=0x01; break; case KEY1_PRES: v=v-10 ; TIM3_Int_Init(v,7199);/10Khz的計(jì)數(shù)頻率 TIM3-&g

12、t;CR1|=0x01; /使能定時(shí)器3 break; case WKUP_PRES: TIM3->CR1&=0xFE;/關(guān)定時(shí)器3； break; 在定時(shí)器3（timer3）初始化時(shí)，沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行使能，故定時(shí)器不工作。先點(diǎn)亮LED0，紅燈亮；下面看看while（）函數(shù)內(nèi)容。首先開(kāi)始按鍵掃描。如果KEY0按下，延時(shí)時(shí)間加10ms，使能定時(shí)器，輸出脈沖頻率變小，同理，KEY1按下，頻率變大；WKUP按下，關(guān)閉定時(shí)器，脈沖輸出停止。注意，脈沖的輸出口是PA7。延時(shí)時(shí)間的改變是通過(guò)改變定時(shí)器初始化函數(shù)中的值做到的，缺點(diǎn)是頻率減少和增加的數(shù)值不一定，因此調(diào)速功能不完善。4.2中斷程序void TIM3_IRQHandler(void) if(TIM3->SR&0X0001)/溢出中斷/GPIOA->ODR=0x0100;GPIOA->ODR=0x0080;LED0=!LED0; TIM3->SR&=(1<<0);/清除中斷標(biāo)志位 主要功能是：當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序，輸出口電平狀態(tài)改變（低變高或者高變低），指示燈（紅燈）狀態(tài)反轉(zhuǎn)。5 調(diào)試調(diào)試過(guò)程中所遇困難及現(xiàn)存問(wèn)題包括以