基于CAN总线的步进电机控制系统方案文档格式.doc
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StepperMotorControlSystemBasedonCANBusDesign
作者俊学号0800102101
申请学位工学学士指导教师王桂荣
学科专业自动化培养单位中国计量学院
答辩委员会主席评阅人
2012年6月
....
致
非常感我的指导老师王桂荣副教授对我的指点，在王老师的细心教导下，我才可以顺利的做完我的毕业设计。
不论是最开始的定题，还是其后参考文献的收集、选取和整理，一直到实物的制作、调试和论文的编写、修改，直到论文最结稿，王老师都给了我细心的指导，对我有非常大的帮助。
并且，由于我是在的实习单位做的毕业设计，相隔千里，所以平时大多通过和与王老师进行联系交流。
每次联系交流问题，王老师都会一一为我解惑，每份王老师都及其耐心答复。
与此同时，王老师也为我严格把关。
在此，我谨向我的导师王桂荣老师表示衷心的感！
我还要感我的同事健飞，他对我的毕业设计也做了许多指导，在我设计实物过程中给我很多帮助；
感周敏杰同学，在设计过程中我们互相交流、互相讨论，最终顺利的完成了毕业设计，感所有在我毕业设计过程中给我帮助和支持我的老师和同学。
再次衷心的感你们！
基于CAN总线的步进电机控制系统设计
摘要：
本文介绍了以单片机STC89C52RC为核心的基于CAN总线的步进电机控制系统设计的运作原理，其中结合了自动化专业的相关知识，控制系统包括硬件结构和软件控制。
本文首先阐述了CAN总线的发展背景及当前的发展概况，接着比较详细的描述了基于CAN总线的步进电机控制系统的组成及其各部分的工作原理。
整体系统由电机本体、驱动控制电路、CAN通讯电路和单片机STC89C52RC组成，实现了开环控制。
本文也详细讲解了步进电机的概念，主要用途和发展方向，并且讲解了步进电机常用参数的意义和计算步进角的方法和驱动步进电机的常用脉冲方式。
另外，本文详细讲解了CAN总线与主控单片机的接口设计，着重讲解了对SJA1000芯片的外围电路设计和驱动程序设计。
通过本方案，实现了计算机通过CAN总线对步进电机进行开环控制，省去复杂的总线结构，节省了成本，降低了系统的复杂性，而且提高了稳定性，因此，基于CAN总线的步进电机控制系统具有很高的应用价值。
关键词：
CAN总线；
步进电机；
半双工通讯；
速度调节；
开环控制
中图分类号：
TP271
SteppermotorcontrolsystembasedonCANbusdesign
Abstract:
ThispaperdescribestheoperationoftheCANbus-basedsteppermotorcontrolsystemdesignprinciplethemicrocontrollerSTC89C52RCasthecore,whichcombinestheknowledgeoftheautomationprofessional,controlsystems,includinghardwareconfigurationandsoftwarecontrol.
ThispaperfirstdescribesthebackgroundofthedevelopmentofCANbusandthecurrentoverviewofthedevelopment,thenamoredetaileddescriptionofthecompositionofitspartoftheworkingprincipleofsteppermotorcontrolsystembasedonCANbus.Theoverallsystemconsistsofthebodyofthemotordrivecontrolcircuit,CANcommunicationcircuitandmicrocontrollerSTC89C52RCcomposedofopen-loopcontrol.
Thearticlealsoexplainedindetailtheconceptofasteppermotor,themainpurposeanddirectionofdevelopment,andtoexplainthecommonpulseofthesteppingangleofthesteppermotorscommonlyusedparametersmeaningandcalculationmethods,anddriveasteppermotor.Inaddition,weexplainindetailtheCANbustoahostmicrocontrollerinterfacedesignthatfocusedontheSJA1000chipperipheralcircuitdesignanddriverdesign.
Throughthisprogram,thecomputerviatheCANbustotheopen-loopcontrolofthesteppermotor,eliminatingtheneedforacomplexbusstructure,costsavings,reducingthecomplexityofthesystem,butalsoimprovesthestability,therefore,basedonCANbusstepintothemotorcontrolsystemhasahighvalue.
Keywords:
CANbus;
steppermotor;
half-duplexcommunication;
speedadjustment;
open-loopcontrol
Classification：
目次
摘要 I
目次 III
1绪论 1
1.1CAN总线的发展背景及发展概况 1
1.2基于CAN总线的步进电机控制系统设计的研究意义 3
1.3本文研究的主要容 3
1 基于CAN总线的步进电机控制系统整体方案设计及原理 4
2.1基于CAN总线的步进电机控制系统的构成 4
2.2步进电机的工作原理 5
2.3步进电机的步进角的计算 7
3基于CAN总线的步进电机控制系统的硬件设计 8
3.1电路整体设计 8
3.2单片机系统设计 9
3.3CAN总线节点接口电路设计 11
3.4步进电机驱动电路设计 14
3.5步进电机 16
3.6步进电机转速指示器 19
4基于CAN总线的步进电机控制系统软件设计 20
4.1软件总体设计 20
4.2系统功能模块详细设计 20
4.3单片机初始化 21
4.4CAN初始化模块 21
4.5CAN总线发送模块 22
4,6CAN总线接收模块 23
4.7步进电机调速模块 24
5试验及其结果分析 25
5.1硬件测试及其结果分析 25
5.2软件测试及其结果分析 26
6总结与展望 26
参考文献 27
附录A 1
附录B 1
学位论文数据集 1
1绪论
1.1CAN总线的发展背景及发展概况
1.1.1CAN总线的发展背景
在十九世纪后半叶，RobertBosch公司在SAE汽车工程协会大会上发布了一种先进的串行数据总线CAN总线，在那个时刻CAN总线正式进入人们的视野中，今天欧洲的汽车生产商生产的每辆汽车均安装有CAN总线局域网，同样CAN也应用到了其他的运输工具上，从高速列车到万吨巨轮甚至用于轻重工业控制，CAN总线已发展为世界围最常用的线程总线之一。
甚至在某种程度上引领着现场总线的发展。
所以，在1999年到2000年两年中有接近2亿的CAN控制器投入市场也不足为奇了。
在十九世纪八十年代初，Bosch公司的技术人员就开始对当时的现场总用于汽车工程的可操作性进行了讨论分析，因为没有一种现有的通讯方案能够完美的解决汽车工程师们所面临的问题。
于是，从1983年起UweKiencke开始设计一种新型的串行总线，新型总线的主要优点是减少了各个系统子部分之间的通讯连接线的数目。
使其能够实现产品化而不是沦为技术储备。
来自Mercedes-Benz的技术人员很早就制定的新型总线的说明书，而Intel公司也开展了对新型总线的驱动芯片的研究工作。
当时邀请的技术顾问，来自于德国的AppliedScience大学教授WolfhardLawrenz博士，给出了新总线的名称ControllerAreaNetwork,缩写为CAN。
与此同时,来自Karlsruhe大学的教授HorstWettstein博士了也参与了研发工作。
1986年2月，CAN总线已经很成熟了，在美国底特律召开的一次重要会议上，由Bosch公司开发的新型通讯系统被命名为“汽车串行控制器局域网”。
由UweKiencke，SiegfriedDais和MartinLitschel三人分别讲解了这种新型的网络通讯方案。
这种总线是在没有损害系统仲裁机制的基础上研发的，能够根据报文的优先级实施传输，甚至可以实现优先级较高的报文无等待传输。
并且，可以不用在总线系统设置独立的主控制器，此外被称之为CAN总线之父的------上面介绍的几位教授和Bosch公司的WolfgangBorst，WolfgangBotzenhard，OttoKarl，HelmutSchelling，JanUnruh已经完成了几种在CAN总线中的错误检验方法的研究。
这种错误的检验方法也包含自动放弃故障节点的功能，以确保总线能支持总线上其他正常节点间的通讯。
总线上报文并不是根据总线控制器上的ID识别（几乎其它的总线都是如此），而是根据报文里的数据识别。
同时报文上的标识符也确定了其在总线上的发送优先级。
当这种崭新的通讯方案的绝大部分协议制定后，在1987年的夏末，Intel公司比计划时间早了2个月，就生产出了首款CAN控制器芯片：
82526，这是CAN总线的首次在硬件上实现。
通过长达四年的努力，当初的设想终于变成了现实。
在此之后，另一家半导体巨头，Philips公司也推出了它的CAN控制器：
82C20。
这两种早期的CAN控制器在滤波和接收报文的协议没有统一，有很多不同之处。
一方面由Intel公司推出的FullCAN协议比由Philips主推的BasicCAN占用较少的处理器资源；
然而，支持FullCAN的控制器所能接收的报文数目相对于BasicCAN较少，而BasicCAN控制器硬件设计简单，生产方便。
总的来说，两者各有优点和缺点。
在现在CAN控制器中，验收滤波和报文控制方面也是有许多不同之处的，故而产生；
饿BasicCAN和FullCAN两中CAN协议。
1.1.2CAN总线的发展概况
尽管CAN总线协议已经发布了很长的时间，但是生产厂商们仍然在不断地改进它。
从21世纪初期开始，一个由多个公司联合组成的ISO技术组织开发了一种由时间触发CAN发送报文的协议。
ThomasFuehrer博士，BerndMueller博士，Bosch公司的技术和模拟电路专家，理论专家将此协议定义为“时间触发通讯CAN（TTCAN）”，计划将其标准化为ISO11898-4。
这个CAN的扩展协议已经有支持的芯片生产出来，该协议可以在实现闭环控制下支持报文的定时发送，而且还可以实现CAN协议的x-by-wire应用。
因为基本CAN协议并未改变，所以，在同一个的物理层上，既可以实现定时发送报文，也兼容由事件触发发送报文。
CAN因为TTCAN的诞生而又可以在10年继续应用。
现在CAN在全世界的市场上还是处于起步阶段，在未来的某个时间，当CAN受到重视时，谁也预估到CAN在未来10至15年的研究方向。
在此需要说明一个情况：
最近几年，美国本土和阿拉伯地区的汽车生产商将在他们所制造的汽车的都是用了CAN总线系统。
另外CAN总线还有大量的潜在应用，例如：
娱乐、航空制造业、工业等。
现在的CAN总线系统，不仅可用于汽车领域，也正在逐步走进日常生活。
同时，与高层协议相结合的应用，特种安保系统对CAN总线的需求也正在逐步增长。
德国国家专业委员会BIA和德国国家安全标准权威机构TÜ
V已经对一些基于CAN总线系统的安保系统完成了认证工作。
CANopen-Safety就是首个获得BIA认证许可的CAN总线解决方案，DeviceNet-Safety也马上会得到另一个有影响力的协会，GermanischerLloyd在海事运输上的应用许可。
在其他行业中，CANopen网络可以依据协议规定可以通过自动切换的方式转换为冗余总线系统。
所以，CAN总线正在处于一个蓬勃发展的时代，在各个趋势下，需要大批量的技术人员和公司参与进去。
1.2基于CAN总线的步进电机控制系统设计的研究意义
步进电机是一种根据脉冲信号转动特点的角度或线位移的电器件。
在正常情况下，步进电机的旋转速度、转动的角度只和电脉冲信号的频率和脉冲数有关系，而与负载的变化没有关系，当把一个脉冲信号发送到步进电机驱动器，步进电机根据这个脉冲信号向一个特定的方向转动一个特定的角度，称为“步距角”，它的旋转角度是通过脉冲驱动一步一步运行的。
所以，可以通过控制脉冲数目来控制旋转的角度，从而可以达到精确定位的目的；
同时可以通过控制脉冲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。
因为步进电机具有这些特点，所以该器件适合于精密的控制场所，比如列车/汽车模拟器的仪表，高精度工业机器人手臂等需要高精度执行机构的场所，而CAN总线系统恰恰是这些场所的常用的现场总线种类，两者配合，珠联璧合，具有线路简单，具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等，控制精度高等优点。
因此，基于CAN总线的步进电机控制系统具有很高的应用价值。
1.3本文研究的主要容
如前文所述，基于CAN总线的步进电机控制系统已成为现代工业中的一个重要研究方向。
目前，电子市场上也出现了许多针对CAN总线和步进电机的专用控制和驱动芯片。
本文所研究的主要容是基于CAN总线的步进电机控制系统的运行原理及其软硬件的设计。
论文的具体工作如下：
（1）基于CAN总线的步进电机控制系统硬件组成及其原理
（2）介绍了步进电机的工作原理和介绍了计算步进角的方法
（3）基于STC89C52RC单片机的CAN通讯的软件控制系统的设计。
1基于CAN总线的步进电机控制系统整体方案设计及原理
2.1基于CAN总线的步进电机控制系统的构成
基于CAN总线的步进电机控制系统是由单片机最小系统、CAN总线收发模块、步进电机驱动电路、步进电机和步进电机转速指示灯组成。
1.单片机最小系统
用于控制CAN模块，读取CAN总线上的数据，处理，并通过驱动电路控制步进电机运动。
是系统的核心。
2.CAN总线收发器模块
是单片机与CAN总线的接口电路，以SJA1000为核心，编程实现半双工通讯。
3.步进电机驱动电路
根据脉冲信号驱动步进电机，采用ULN2003集成电路芯片，该芯片具有良好的放大电流作用，是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成。
4.步进电机
执行机构采用MITSUMI公司的M35SP-7型步进电机，在单双八拍的驱动方式下，步进角3.75°
精度较高，性能可靠。
5.步进电机转速指示灯
本系统的调速程序为采用分级调速模式，分为4级正转，4级反转，一级停止共9级，故用四只红色和五只绿色一共九只发光二极管充作档位指示灯。
本系统的系统框图如图2.1所示：
图2.1.1基于CAN总线的步进电机控制系统组成结构
计算机通过USB-CAN模块向CAN总线发送报文，CAN与单片机接口电路读取CAN总线上的数据，并且比较报文里的目标ID与下位机ID是否相同，如果不相同，就清除缓冲区，如若相同，就像MCU发起中断请求，MCU通过数据总线读取SJA1000里的容，保存到全局变量DISPLAY中，随后清除SJA10000的缓冲区，根据DISPLAY的值，来驱动步进电机运动。
当DISPLAY为1、3、5、7四个数中的一个数时，步进电机反正，数据越大，转动速度越快，当DISPLAY为2、4、6、8中的一个数时，步进电机正转，旋转速度随着数值的增大而变快。
2.2步进电机的工作原理
步进电机是根据电脉冲信号移动一定的直线位移或旋转一定角度的电机。
每次得到一个新的脉冲信号，步进电机的转子就转动一个固定的角度或者移动一个固定的长度。
并且，在额定功率和负载能力围，步进电机的步进角或步进位移，转动速度或线速度不随压力，温度，冲击，振动的变化而变化。
综上所述，步进电机具有稳定性好，精度高，抗干扰能力强等优点，所以，步进电机非常适合于开环的控制系统。
图2.2.1四相制步进电机原理示意图
由于我采用的步进电机为MITSUMI公司的M35SP-7型步进电机为五线四相制，所以在本文中以五线四相制步进电机为例，（图2.2.1的转子齿数为6个儿M35SP-7的转子齿数为12个，其原理是相同的。
）说明步进电机的工作原理。
当A相绕组通电时，B相、C相和D相的绕组断开，A相的绕组由于电磁反应，产生磁场，转子受到该电磁场的作用，进行转动，A相绕组的磁极和转子0、3号突齿对齐，如图2.2.2（a）。
当B相绕组通电时，C相、D相和A相的绕组断开，B相的绕组由于电磁反应，产生磁场，转子受到该电磁场的作用，进行转动，B相绕组的磁极和转子1、4号突齿对齐，如图2.2.2（b）。
当C相绕组通电时，C相、D相和A相的绕组断开，C相的绕组由于电磁反应，产生磁场，转子受到该电磁场的作用，进行转动，C相绕组的磁极和转子2、6号突齿对齐，如图2.2.2（c）。
当D相绕组通电时，C相、B相和A相的绕组断开，D相的绕组由于电磁反应，产生磁场，转子受到该电磁场的作用，进行转动，D相绕组的磁极和转子0、3号突齿对齐，如图2.2.2（d）。
继而继续循环，周而复始，指导定子的磁场和转子的磁场相同，不在运动。
（a）（b）（c）（d）
图2.2.2四相步进电机单四拍运行示意图
四相制步进电机按照驱动方式顺序的不同，可分为双四拍、单四拍、单双八拍三种驱动方式。
单四拍和双四拍的步距角相同，但是单四拍的力矩较双四拍小。
单双八拍工作方式的步距角是双四拍和单四拍的二分之一，所以，单双八拍的工作方式既可以保持较高的力矩又可以提高控制精度。
图2.2.3三种驱动方式示意图
如图2.2.3所示，三种驱动方式分别为单相四拍，双向四拍，单双八拍三种波形。
三种驱动方式分别为
1.双四拍驱动方式
AD->
BA->
CB->
DC
2.单四拍的驱动方式
D->
A->
B->
C
3.单双八拍的驱动方式
AB->
BC->
C->
CD->
DA
2.3步进电机的步进角的计算
本系统所采用的执行机构为MITSUMI公司的M35SP-7型步进电机，我们就以它为例，讲解下步进电机角位移的计算方法。
………………………………………………………………（2.1）
公式2.1为步进电机步进角计算公式，式中
θ：
步进角度，
m：
定子的相数
Z：
转子的齿数
C：
脉冲方式（单四拍/双四拍C=1，单双八拍C=2。
）
查资料得知，M35SP-7型步进电机的定子为四相，转子为12齿。
在单四拍/双四拍的脉冲方式下，得出
C=1……………………………………………………………………（2.2）
m=4……………………………………………………………………（2.3）
Z=12……………………………………………………………………（2.4）
将式2.2、2.3和2.4代入式2.1中，得出式2.5
…………………………………………………………（2.5）
由式2.5可知M35SP-7型步进电机在单四拍/双四拍的脉冲方式驱动下，步进角为7.5°
。
………………………………………………………（2.6）
依次类推，该步进电机，在单双八拍的驱动方式下，步距角为3.75°
计算过程见式2.6。
3基于CAN总线的步进电机控制系统的硬件设计
3.1电路整体设计
图3.1.1整体电路图
本系统的硬件主要是由以下几个部分组成：
单片机最小系统，CAN总线与单片机接口电路，步进电机驱动电路和步进电机转速档位显示电路。
在本章后半部分，会一一详细说明。
图3.1.2基于CAN总线的步进电机控制系统实物
3.2单片机系统设计
图3.2.1单片机最小系统电路图
本系统我选用的主控芯片为STC89C52
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