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）；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)()(01.0ms t mm v ∆=，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t ∆的误差应尽量减小。