电气化毕业论文:基于单片机的步进电机控制系统设计.doc
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1、成都理工大学工程技术学院毕业论文基于单片机的步进电机控制系统设计作者姓名:付有超专业名称:自动化指导教师:杨明- 34 -基于单片机的步进电机控制系统设计摘要步进电机在近20年来,已经广泛地应用于数字控制系统中,例如数控机床,绘图机,计算机外围设备,自动记录仪表,钟表和数模转换装置等,相应其研制工作进展迅速发展,电机的性能也有较大的提高。单片机自20世纪70年代问世以来,以其极高的性能价格比,收到人们的重视和关注,应用很广,发展很快。在我国,单片机已广泛地应用在工业自动化控制,自动检测,智能仪器仪表,家用电器,电力电子,机电一体化设备等各个方面。本文通过MCS-C51单片机对步进电机进行控制,
2、主要介绍了步进电机控制系统,驱动电路和LED显示电路的设计,包括硬件系统设计和系统软件设计,来实现步进电机的控制,系统为一自动控制系统,通过按键向单片机输送控制信号,控制步进电机的转速和正反转,在步进电机控制系统的设计中,重点阐述了脉冲产生电路以及对速度的控制,该系统具有成本低,控制方便的特点。采用MCS-C51单片机指令系统进行编程来实现软件部分测试,系统能实现上述功能。关键词:MCS-C51 步进电机 控制系统AbstractStepper motor in the past 20 years, has been widely used in digital control systems
3、, such as CNC machine tools, plotters, computer peripherals, automatic recording instruments, watches and digital - analog conversion devices, corresponding progress in the development of rapid development motor performance has greatly improved. SCM 70 since the advent of the 20th century, with its
4、high performance and low cost, receive peoples attention and concern, is widely used and fast development. In China, the SCM has been widely used in industrial automation and control, automatic detection, intelligent instruments and meters, household appliances, power electronics, electromechanical
5、integration equipment and other aspects. In this paper, MCS-51 microcontroller to control the stepper motor, stepper motor control are introduced system, drive circuit and LED display circuit design, including hardware, system design and system software design, to achieve the stepper motor control s
6、ystem an automatic control system, key to the microcontroller through the delivery control signal to control the stepper motor speed and reversing, the stepper motor control system design, focuses on the pulse generator circuit and the speed control, the system is low cost and convenient control fea
7、tures. With MCS-C51 microcontroller instruction to implement software programming some of the test, the system can achieve these functions. Keywords: MCS-51,Stepping Motor, Control system目录摘要IAbstractII目录III前言11 绪论21.1 步进电机的发展概况及现状21.2 单片机的发展概况及现状21.3 本课论文的意义及内容32步进电机概述42.1 步进电机简介42.2 步进电机分类42.3 步进电
8、机工作原理52.3.1基本原理62.3.2转速控制原理62.3.3 步进电机加减速控制72.4 步进电机的换向控制92.5步进电机的位置控制102.6步进电机的驱动系统113 单片机概述123.1 单片机简介123.2 单片机的硬件结构133.3 MCS-51单片机的引脚及其功能143.4 MCS-51存储器163.4 .1 MCS-51内部数据存储器163.4.2 对8051扩展的外部程序存储器183.5 MCS-51存储器204控制系统224.1 步进电机接线及驱动电路模块224.2 数码显示234.2.1数码线线路选用234.2.2数码管现实电路设计234.2.3 按键电路设计245 系
9、统设计255.1 设计框图255.3 程序流程图265.4 程序代码26总结31致谢33参考文献34前言步进电机最早是在20世纪20年代由英国人开发的,50年代后期晶体管的发明也逐渐应用于步进电机上,对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良,使得今日步进电机已广泛应用在需要高精度,高分辨能力,高响应性,信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化,省人力,效率高的机器中,都有步进电机的踪迹,尤其以重视速度,位置控制,需要精确操作各项指令动作灵活控制场合步进电机用得最多。步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件,与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无
10、积累误差等优点,在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果,出现了很多步进电机控制系统,其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好,比如细分驱动技术。随着集成电路技术的发展,单片微型计算机的功能也不断增强,许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点,成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件,在工业生产中成为必不可少的器件,尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。此次毕业实习、毕业设计第一阶段的主要工作是,学习有关单片机控制步进电机系统的基本知识,了解单片机控制步进电机系
11、统的相关技术,并在此基础上选择了使用8051单片机作为核心设计,并学习74LS164模拟电子技术等方面的知识。这是课题研究的基础性内容。第二阶段是在指导教师的指导下,设计出具体的电路,并确定满足具体技术指标的软件,掌握电路中重要器件的使用方法,以及编写单片机的步进电机控制系统程序,延时子程序。通过教师的悉心指导和自己的努力,完成了毕业设计的各项任务,成功完成单片机控制步进电机系统的设计。1 绪论1.1 步进电机的发展概况及现状步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上,对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良,使得今日步进电机已广泛运用
12、在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中,我们很容易发现步进电机的踪迹,尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机有多种不同的结构形式。经过近七十年的发展,逐渐形成以混合式与磁阻式为主的产品格局。混合式步进电机最初是作为一种低速永磁同步电机设计的,是工业应用最为广泛的步进电机品种。步进电机在工业自动化装备,办公自动化设备中有这广泛的应用,近年来,控制技术,计算机技术及微电子技术的迅速发展,有力地推动了步进电机控制技术的进步,提高了步进电机的高性能伺服控制的设计方法与具
13、体实现技术,反映了步进电机伺服控制技术的最新发展。1.2 单片机的发展概况及现状单片微计算机自20世纪70年代问世以来,已对人类社会产生了巨大的影响。尤其是美国INTEL公司生产的MCS-51单片机基本内核为核心的各种扩展型,增强型的新型单片机不断推出,所以在今后若干年内,MCS-51系列以及世界其他各大公司生产的与其兼容的各种增强型,扩展型的单片机。仍是我国单片机应用领域的主流机型。目前在工业控制,智能仪器仪表,办公室自动化,家用电器等诸多领域,到处都可见单片机的踪影,单片机技术开发应用水平已成为一个国家工业化发展水平的标志之一。1.3 本课论文的意义及内容现在步进电机已被广泛使用,但步进电
14、机不能像直流电机,交流电机在常规下使用,它必须有双环型脉冲信号,功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此,设计步进电机具有现实意义和实用价值。本论文主要研究步进电机的启停,以及基于单片机的步进电机速度,方向,和加减速的控制,位置控制等方案。利用单片机能实现工业自动化,提高生产效率,安全,以及降低劳动强度。2步进电机概述2.1 步进电机简介步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机
15、在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件,是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。2.2 步进电机分类步进电机的形式很多其分类方式也很多,常见的分类方式是按产生力矩的原理,按输出力矩的大小以及定子和转子的数量分类等。根据不同的分类方式,可将步进电机分为多种类型。见表2.1所示。表2.1 步进电机的分类分类型式具体类型按力矩产生的原理反应式:转子无绕组,由被励磁的定
16、子绕组产生反应力矩实现步进运行。励磁式:定、转子均有励磁绕组(或转子用永久磁钢制成)由电磁力矩实现步进运行。按输出力矩的大小伺服式:输出力矩在几百几KN.cm,只能驱动较小的负载,要与液压扭矩放大器配用,才能驱动大负载。功率式:输出力矩在550N.m以上,可以直接驱动大负载。按定转子数(1)单定子式;(2)双定子式;(3)三定子式;(4)多定子式。按各相绕组分布径向分相式:电机各相按圆周依次排列轴向分相式:电机各相按轴向依次排列目前,我国使用的步进电机主要是反应式步进电机。如图2.1所示,这是一台典型的三相反应式步进电机。它的定子和转子是用硅钢片和其他软磁材料制成的。定子上共有六个磁极,每个磁
17、极上都有许多小齿。在径向相对的两个磁极上的线圈串联起来组成一相绕组,沿周围也有许多小齿。根据工作要求,定子磁极上的小齿的齿距与转子磁极上的小齿必须相等,而且转子上齿数有一定的限制。图2.1 三相反应式步进电机的结构2.3 步进电机工作原理现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、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。1. 永磁式步进电机永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度; 永磁式步进电动机输出力矩大,动态性能好,但步距角大。2. 反应式步进电机反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动
18、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。 反应式步进电动机结构简单,生产成本低,步距角小;但动态性能差。3. 混合式步进电机混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点,它的步距角小,出力大,动态性能好,是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。这种步进电机的应用最为广泛。2.3.1基本原理通常电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲,电
19、动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序,电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。2.3.2转速控制原理电机每转动1圈需要脉冲数为:,则每转一圈要240个脉冲,若要求25转/分,则每秒要产生脉冲数为:为此我们得出转速与每秒产生的脉冲个数关系为:式中V为要控制的速度,N为所需脉冲个数。有了上述关系我们就不难推出定时时间与速度之间的关系:若定时器控制位TMOD=01H,那么定时器的计数初值与转速之间的关系为:式中foc为晶振频率。为此我们可以得出步进电机转速与定时器定时常数关系,见下表(表
20、2.2示):表2.2 步进电机转速与定时器定器初值设定表步进电机转速与定时器定时常数关系速度定时时间(us)TH1值TH2值2510000D8F0269615DA71279259DBD5288928DD1F298620DE54308333DF73318064E080为此我们只要将定时器的初值写入表格,利用查表程序就可以完成电机速度的控制。2.3.3 步进电机加减速控制 速度控制的加、减控制是最基本的控制。电机由静止达到设定的最大速度所需要的时间是由调试决定的,加速度太大,电机甚至不能克服惯量性而失步,加速度太少,则完成指令的运动耗费时间太多。图2.1 线性加减速控制曲线加速度有两种方案:线性加
21、/ 减速度控制和等步距加/减速度控制。前者规定从加速度开始,每一加速度周期指令电机速度递增相同增量f;后者则是要求每一加速度周期电机走过相同的步数。等步距加/减速度控制的优点,在于加/减过程中电机走的步数可以非常精确的计算,这一点对于加/减的位置控制非常重要,但从电机要克服惯性力来看,线性加速度方案好些,调试也方便。线性加/减控制曲线如图2.2;其中f可以用公式求出其中n为加速过程的台阶数,减速控制也类似,只是f为负值。步进电机的最高启动频率(突跳频率)一般为0.1KHZ到34KHZ,而醉倒运行频率则可以达到N102KHZ.以超过最到启动频率的频率直接启动,将出现“失步”现象。甚至无法启动,较
22、为理想的启动曲线,应是按指数启动。但实际应用对启动段的处理可采用直线拟合的方法。即“阶梯升速法”。可按两种情况处理:1. 已知突跳频率则按突跳频率分段启动,分段数为n=f/fq。2. 位置突跳频率则按拟合至给定的启动频率,每段频率的递增量(后称阶梯频率),即采用8段拟合。在运行控制过程中,将起始的速度(频率)分为n分座位阶梯频率,采用“阶梯升速法”将速度连续升到所需要的速度,然后锁定,按预置的曲线运行,如图2.2所示;图2.2 阶梯升速法用单片机实现步进电机的加/减速控制,实际上是控制发脉冲的频率,升速时,使脉冲频率增高,减速时相反。如果使用定时中断来控制电机的速度,加减速控制就是不断改变定时
23、器的初值。速度从V1-V2,如果是线性加速度,则按给定的斜率升/降速;如果是突变,则按“阶梯升速法”处理。在此过程中要处理好两个问题。1. 速度转换时间应尽量短:为了缩短速度转换的时间,可以采用建立数据表的方法。结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率便可以建立一个连续的数据表,并通过转换程序将其转换为定时初值的计算是在定时中断外实现的,并不占用中断时间,保证电机的高速运行。2. 保证控制速度的精确性:要从一个速度准确达到另外一个速度,就要建立一个校验机制,以防超过或未达到所需速度。2.4 步进电机的换向控制一般步进电机来说,驱动器的输入共用3路,它们是:步进脉冲信号CP,方向电平DIR,脱机信号
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