两相步进电机遥控系统研制
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ABSTRACT
With the development of wireless technology 、microelectronics technology and
modern control theory, the medium and low-power motors have a very wide range of
applications in agricultural and industrial. Motion control of small light-load platform, its
requirements are getting higher and higher accuracy. Stepper motor characterized by the
number of pulses will be able to reach under the precise control of the purpose, and
according to the frequency of pulses can control the speed.Therefore, the stepper motor
has a wide application and development prospects in the field of precision instruments. In
this paper, we introduce an overview of the current motor drive system in the first, then
select the TA8435H as the main driver chip and combined with AT89S52 microcontroller
to design a motor control system which has two kinds of modes based on PC and wireless
transmission. PC-based control mode can make full use of PC-rich software and hardware
resources, communicate with the host Computer through the RS-232 interface.Model
based on the wireless have a remote control functions which can adapt to harsh working
conditions.The main work are:
(1) Controller hardware circuit design：AT89S52 microcontroller used to generate
the PWM wave of 1000 Hz, and through RS-232 Serial Communication between PC.
(2) Drive hardware circuit design：The use of Toshiba production AT8435H driver
chips can meet the 10-40V voltage drive to achieve four kinds of sub-functions, using
photoelectric isolation technology to improve the system anti-jamming performance,
while addressing the chip's thermal performance.
(3) Software design and system debugging ：Using 9600, N, 8, 1 communications
protocols, the preparation of the corresponding wireless remote processes and control
interface with the host computer communication program.
System has been successfully carried out a simulation test, in accordance with the
design requirements is expected to work. It has some features as lightweight and
inexpensive, compared to the current commercially available motor control system on the
market price of the expensive, which has obvious practical value and engineering
significance.
Key words: Stepper motors, drives, controller, wireless remote control
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 课题背景及研究意义.......................................................................................1
§1.2 两相混合步进电机控制简介...........................................................................1
§1.3 短距离无线遥控技术简介...............................................................................4
§1.4 本文所完成的工作...........................................................................................6
第二章 系统总体架构.....................................................................................................9
§2.1 系统总体框图和设计方案...............................................................................9
§2.1.1 控制系统总体框图.................................................................................9
§2.1.2 系统的设计方案...................................................................................11
§2.2 目标芯片选择.................................................................................................12
§2.2.1 步进电机控制器主芯片选择...............................................................12
§2.2.2 步进电机驱动芯片选择.......................................................................14
§2.2.3 无线收发芯片选择................................................................................14
§2.3 系统设计中关键技术问题..............................................................................15
§2.4 本章小结..........................................................................................................16
第三章 步进电机控制器设计.......................................................................................17
§3.1 单片机最小系统设计.....................................................................................17
§3.1.1 AT89S52 芯片简介................................................................................17
§3.1.2 串口通信电路设计...............................................................................19
§3.1.3 复位、时钟与电源电路设计...............................................................20
§3.2 无线遥控电路设计.........................................................................................22
§3.2.1 编码模块电路设计...............................................................................22
§3.2.2 解码模块电路设计...............................................................................24
§3.3 控制器 PCB 板设计 ....................................................................................... 25
§3.3.1 控制模块电路板制作...........................................................................26
§3.3.2 线路板设计中常见问题.......................................................................27
§3.3.3 抗干扰采取的措施...............................................................................28
§3.4 本章小结.........................................................................................................30
第四章 步进电机驱动器设计.......................................................................................31
§4.1 驱动器整体设计方案.....................................................................................31
§4.2 驱动器外围电路设计.....................................................................................32
§4.2.1 细分电路与散热性能分析与设计.....................................................32
§4.2.2 驱动器供电电源设计.........................................................................33
§4.3 光电耦合电路的设计.....................................................................................34
§4.4 驱动器硬件电路设计.....................................................................................35
§4.5 驱动器 PCB 板设计 ....................................................................................... 36
§4.6 本章小结.........................................................................................................36
第五章 软件设计与系统调试.......................................................................................37
§5.1 无线遥控模式..................................................................................................37
§5.1.1 无线遥控软件程序设计.....................................................................37
§5.1.2 遥控控制方式下系统调试.................................................................38
§5.2 上位机控制模式.............................................................................................40
§5.2.1 串口通信程序设计.............................................................................40
§5.2.2 上位机界面控制功能调试.................................................................41
§5.3 本章小结.........................................................................................................43
第六章 总结与展望.......................................................................................................45
§6.1 结论.................................................................................................................45
§6.2 展望.................................................................................................................46
附录.................................................................................................................................47
参考文献.........................................................................................................................52
在读期间公开发表的论文及取得成果.........................................................................54
致谢.................................................................................................................................55
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景及研究意义
近几十年来，随着无线通信技术、微电子技术及现代控制理论的发展，中、小
功率电动机在工农业生产及人们的日常生活中都有着极其广泛的应用。特别是乡
镇企业迅猛发展和家用电器的快速普及，更需要大量的中小功率电动机。迄今为
止电机的基本结构虽然变化不大，但是电机的类型增加了许多，在运行性能，经
济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术
的发展，在一般旋转电机的理论基础上又发展出许多种类的控制电机，控制电机
具有高可靠性、好精确度、快速响应的特点，已成为电机学科的一个独立分支。
伴随着机电一体化的进程，步进电机在精密仪器中的运用越来越多。一个多世纪
以来，在PC-based步进电机控制系统方面多采用DSP，FPGA等高端芯片设计，其
成本较高，它主要针对的是负载平面或空间曲线的生成[1, 2]。而当前市场中，存在
大量低速、恒速，不需要进行复杂运动轨迹规划的场合。譬如：复印机器运动控
制，医用滴液实验平台等，那么设计一款轻型，价格低廉的产品势在必行。
本论文利用无线通信技术的优点并结合AT89S52单片机设计方便、价格便宜等
优点，设计一款具有可靠性高、精度高、响应快速的两相步进电机驱动系统。基
于PC的控制系统可以充分借助PC机的丰富的软硬件资源，构建友好的人机交互界
面，通过RS-232接口进行通信。下位机专注于控制算法的生成与执行，提高整个
运动控制系统的可靠性；基于无线遥控设备进行遥控控制模式，可以适应恶劣工
作环境下的远程控制。目前市场上多采用PCI插槽形式的电机控制器，其控制精度
和集成度都很高，适合对精度要求高的各个领域。然而这种控制系统价格昂贵，
对很多低端市场电机的控制器不需要很高的精度，这种控制器就显得不够经济。
本论文主要针对小型轻载平台的运动控制，研制一款经济实用软硬件相结合的电
机控制系统。使用传统的RS-232串口代替PCI插槽以节约成本，同时具备无线遥控
功能，具有明显的经济价值和工程意义。在上述所谓的“低端”市场，本论文研
制的轻便、低价步进电机控制系统将大有作为。
§1.2 两相混合步进电机控制简介
从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机。一个
两相步进电机遥控系统研制
2
多世纪以来，虽然电机的基本结构变化不大，但是电机的类型增加了许多。在运
行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高。随着自动控制系统和计算
机技术的发展，在一般旋转电机的理论基础上又发展出许多种类的控制电机。控
制电机具有高可靠性、好精确度、快速响应的特点，已成为电机学科的一个独立
分支。它应用广泛，种类繁多，性能各异，分类方法也很多。电机常用的分类方
法主要有两种：一种是按功能用途分，可分为发电机、电动机，压器和控制电机
四大类。电动机的功能是将电能转换成机械能，它可以作为拖动各种生产机械的
动力，是国民经济各部门应用最多的动力机械，也是最主要的用电设备，各种电
动机消耗的电能占全国总发电量的60%-70%[3]。另一种分类方法是按照电机的结构
或转速分类：可分为变压器和旋转电机；根据电源电流的不同旋转电机又分为直
流电机和交流电机两大类；交流电机又分为同步电机和异步电机。步进电机从构
造上分类主要有三种类型：分别为反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式
（Permanent Magnet, PM）和混合式(Hybrid Stepping, HS)。
*反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角
小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。
*永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数
相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般
为7.5°或15°）。
*混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕
组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点
是输出力矩大、动态性能好，步矩角小，但结构复杂、成本相对较高。
按照定子上的绕组来分类，共有二相、三相和五相等系列。其中两相混合式步
进电机因为其性价比高，配上专用的细分驱动器后运行效果良好，已经被广泛应
用在各种领域和场合。该种电机的基本步矩角为1.8°/步，配上负责细分驱动电路
部分，步矩角可以减少为0.9°（半步细分）、0.45°（1/4细分）等，有些细分驱动
器能使其步矩角细分达256倍（0.007°）。由于摩擦力和制造精度等原因的影响，
实际控制精度可能要略低[4]。
步进电机是一种将电平脉冲信号转化为角位移的执行元件。当步进驱动器接收
到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步
距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲的个数来
控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲的频率来控
制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机其工作原理简单的
讲是驱动器根据控制器送来的脉冲，通过其内部的逻辑电路控制步进电机的绕组
第一章 绪论
3
能够按一定的次序正反向通电，从而实现电机的运转。以两相混合步进电机为例，
其接线方式主要分为4线（双极性），6线（单极性）两种方式：
图1-1 4线（双极性）电机工作原理
如 图 1-1 所 示 为 4线（双极性）电机，当其绕组的通电方向顺序按照
AC->BD->CA->DB 四个状态周而复始进行变化，每变化一次，电机运转一步,即
1.8度。
图1-2 6线（单极性）电机工作原理
如 图 1-2 所 示 为 6线（单极性）电机，当其绕组的通电方向顺序按照
OA->OB->OC->OD 四个状态周而复始进行变化，每变化一次，电机运转一步,也
是1.8度。
步进电机驱动器是整个系统中的核心组件之一，如图1-3所示，它按照控制器
发来的脉冲/方向指令(弱电信号)对电机线圈电流(强电)进行控制，从而控制电机转
轴的位置和速度。商家一般根据所用场合，控制精度要求以及电机的型号，选择
不同类型的控制卡和驱动器。
摘要：
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ABSTRACTWiththedevelopmentofwirelesstechnology、microelectronicstechnologyandmoderncontroltheory,themediumandlow-powermotorshaveaverywiderangeofapplicationsinagriculturalandindustrial.Motioncontrolofsmalllight-loadplatform,itsrequirementsaregettinghigherandhigheraccuracy.Steppermotorcharacterizedbyth...
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作者：高德中
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时间：2024-11-19
