步进电机控制报告
目录
引言 0
一系统技术指标 (1)
二总体方案 (1)
2.1 任务分析 (1)
2.2 总体方案 (1)
三硬件电路设计 (2)
3.1 单片机控制单元 (2)
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） (4)
3.3.3 混合式步进电机（HB） (4)
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 (11)
五测试结果 (13)
六误差分析 (13)
七操作规范 (13)
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）；
