基于单片机的步进电机控制系统的设计.doc
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1、编号: 毕业论文(设计)题 目基于单片机的步进电机控制系统的设计 指导教师学生姓名学 号专 业教学单位 (盖章) 二O一一年五月四日毕业论文(设计)开题报告书2011年2月20日院(系)机电工程系专业自动化姓 名学号论文(设计)题目基于单片机的步进电机控制系统的设计 一、选题目的和意义随着工业自动化的发展,步进电机的应用越来越广泛。步进电动机是用电脉冲信号进行控制,将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机,它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速,快速起停、正反转控制及制动等,并且用其组成的开环系统既简单、廉价,又非常可行,因此在打印机等办公自动化设备以及各种控
2、制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展,步进电动机的需求量与日俱增,研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机,国外一般称为Stepping motor,Pulse motor或Stepper servo,其应用发展已有80年的历史。正是由于步进电机具有突出的优点,所以成了机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展。步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用.比如在数控系统中就得到了广泛应用.目前世界各国都在大力发展数控技术,我国的数
3、控系统也取得了很大发展,我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。其中华中数控系统解决了“五轴联动”,为“神州系列飞船顺利升空立下了汗马功劳.虽然与发达国家相比,我国的数控技术方面整体发展水平还比较低,但已经在我国占有非常重要的地位,并起了很大的作用。三、课题设计方案 主要说明:研究(设计)的基本内容、观点及拟采取的研究途径和方法。 为了使系统硬件结构简单,成本低、功能齐全、适应性强、电机各种运行状态指示一目了然,操作方便、系统抗干扰和可靠性高,所以本课题采用单片机的软件和硬件结合进行控制,运用其强大的可编程和运算功能,充分利用单片机的各种资源,能灵活的对步进电机进
4、行控制,实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制。采用单片机来控制步进电机,实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器,达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能,还可设计大量的外围电路,键盘作为一个外部中断源,设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能,采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序,完成对步进电机的最佳控制,显示器及时显示正转、反转速度,环形分配器其功能由单片机系统实现,采用软件编程的方法实现脉冲的分配。本方案有以下优点(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制,避免了失步、振荡等控制
5、精度的影响;(2)用软件代替环形分配器,通过对单片机的设定,用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动,大大提高了接口电路的灵活性和通用性;(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合,大大提高系统的交互性。四、计划进度安排 主要说明:起止时间及分阶段的进度要求。(1)步进电机的概述.阐述步进电机的特点、分类和工作原理,为后面的硬件、软件设计提供必须的理论基础。(2011 2。 203。 3)(2)概述步进电机的控制系统,在框架结构上对整个系统进行介绍,而且重点阐述基于单片机的控制系统的一般框架,为自己的设计提供有力的支持,接着介绍本论文要设计的控制系统的功能特点,
6、及要实现的操作方式。(2011。 3. 4-3。15)(3)系统硬件设计.先提出框架,然后分别阐述单片机端口分配、外围电路、驱动电路的设计。(2011。3。16-3. 27)(4)系统软件设计.按照模块化的思想,主要阐述主流程、初始化流程及几种模式下的不同的控制流程.(2011。3。 284. 7)(5)进一步完善初稿。(2011.4. 84.10)五、主要参考文献1张友德。单片微型机原理、应用与实验M。上海:复旦大学出版社,2005。2李夙。异步电动机直接转矩控制M。北京:机械工业出版社,1998。3王鸿钰。步进电机控制入门M。上海:同济大学出版社,1990.4袁任光,张伟武。电动机控制电路
7、选用与258实例M。北京:机械工业出版社,2005。5王秀和。永磁电机M。北京:中国电力出版社,2007.6房玉明,杭柏林。基于单片机的步进电机开环控制系统J。电机与控制应用,2006,33(4):64-64.7孙笑辉,韩曾晋.减少感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法J.电气传动,2001,(1):811。8冯江华,陈高华,黄松涛。异步电动机的直接转矩控制J。电工技术学报,1999,(6):2933。指导教师意见及建议:议: 签名:年 月日教学单位领导小组审批意见:组长签名: 年月日毕业论文(设计)中期检查表院(系):机电工程系 专业: 自动化2011年 4月 1日毕业论文(设计)题目:基
8、于单片机的步进电机控制系统的设计学生姓名学号指导教师职称副教授计划完成时间:2011年4月20日 毕业论文(设计)的进度计划:2011 2。 20-3. 3步进电机的概述。阐述步进电机的特点、分类和工作原理,为后面的硬件、软件设计提供必须的理论基础。2011. 3. 43。15概述步进电机的控制系统,在框架结构上对整个系统进行介绍,而且重点阐述基于单片机的控制系统的一般框架,为自己的设计提供有力的支持,接着介绍本论文要设计的控制系统的功能特点,及要实现的操作方式.2011。3。163。 27系统硬件设计.先提出框架,然后分别阐述单片机端口分配、外围电路、驱动电路的设计。2011。3. 284。
9、 7系统软件设计。按照模块化的思想,主要阐述主流程、初始化流程及几种模式下的不同的控制流程。2011.4. 84。10进一步完善初稿。完成情况:到现在为止,我通过查找资料学到了很多指导教师评议(指出优点和不足,如有其它建议,可另附页) 签 名: xxxx年x月x日备 注:目 录1 引言11.1 课题研究的目的和意义12步进电机与单片机简介22。1 步进电机介绍22.2 步进电机驱动系统介绍62。3 单片机原理83系统整体硬件结构133。1系统整图133.2 电源部分143.3 按键部分153。4 驱动部分163。5 状态指示部分163。6 时钟部分174系统软件设计184.1 系统主程序184
10、。2 查键部分184。3 前进部分194。4 后退部分204.5 加速部分214。6 减速部分22参考文献23谢辞24学院 机电工程系 xxxx届 自动化专业 毕业论文(设计)基于单片机的步进电机控制系统设计摘要:步进电机由于用其组成的开环系统既简单,廉价,又非常可行,因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计,用汇编语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序,通过单片机、电机的驱动芯片ULN2004以及相应的按键实现以上功能,并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来.本文内容介绍了步进电机以及单片机
11、原理、该系统的硬件电路、程序组成,同时对软、硬件进行了调试,同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点,通过调试实现了上述功能。关键词:步进电机;脉宽调制;驱动机构;单片机;转动1 引言1.1 课题研究的目的和意义步进电动机是用电脉冲信号进行控制,将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机,它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速,快速起停、正反转控制及制动等,并且用其组成的开环系统既简单、廉价,又非常可行,因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展,步
12、进电动机的需求量与日俱增,研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。本论文所选的步进电机是四相步进电机,采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;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。本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的,并且通过数码管显示其转速的级别。另外通过单片机实现它的正反转,步进电机可以
13、作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100)的特点,广泛应用于各种开环控制。2步进电机与单片机简介2。1 步进电机介绍2。1.1 步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件.在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点.使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。正常情况下,步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入一定频率的脉冲时,电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的
14、对应关系,不受电压波动和负载变化的影响.由于步进电动机能直接接收数字量的输入,所以特别适合于微机控制。本次毕业设计采用的是步距角为1.8度的四相八拍永磁式步进电机。步进电机的基本参数: (一)步进电机的静态指标术语1、相数:产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示.2、拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即ABBCCDDAAB,四相八拍运行方式即A-AB-BBCC-CDD-DA-A。3、步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用表示.=360度(转子齿数*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为5
15、0齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/(50*4)=1。8度(俗称整步),八拍运行时步距角为=360度/(508)=0.9度(俗称半步)。4、定位转矩:电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)5、静转矩:电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩.此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过份采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音.(二)步进电机动态指标及术语:1、步距角精度:步进电机每转过一个步距角的
16、实际值与理论值的误差。用百分比表示:误差/步距角100。不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在5%之内,八拍运行时应在15%以内。2、失步:电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数.称之为失步3、失调角:转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的.4、最大空载起动频率:电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的最大频率。5、最大空载的运行频率:电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率。6、运行矩频特性:电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性,这是电机诸多动
17、态曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据。电机一旦选定,电机的静力矩确定,而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态电流),平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬.要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,使采用小电感大电流的电机.7、电机的共振点:步进电机均有固定的共振区域,二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180250pps之间(步距角1。8度)或在400pps左右(步距角为0.9度),电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多。8、电
18、机正反转控制:当电机绕组通电时序为AABBBCC-CD-D-DA时为正转,通电时序为DA-DCDCBC-BAB-A时为反转.步进电机的特征如下:1、一般步进电机的精度为步进角的3%5,且不积累。 2、步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏8090度完全正常。3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电
19、动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减少,从而导致力矩下降.4、步进电机低速时可以正常转动,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声.步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得
20、到应用.2。1.2 步进电机的工作原理步进电机的工作就是步进转动,其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移,就是给一个脉冲信号,电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比,它的转速与脉冲频率(f)成正比,在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角.如下所示的步进电机为一四相步进电机,采用单极性直流电源供电.只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动.图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图1四相步进电机步进示意图开始时,开关SB接通电源,SA
21、、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿.当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动.单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2所示:图2步进电机工作时序波形图2。1。3 步进电机的分类与选择现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR
22、)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子,其结构简单,生产成本低,步距角可以做的相当小,一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩,但动态性能相对较差。永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁,在其外侧配置齿状定子.用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动,它的出力大,动态性能好,但步距角一般比较大。一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点
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